一种基于3-RPS并联机构碟式太阳能跟踪装置

一种基于3-rps并联机构碟式太阳能跟踪装置
技术领域
1.本发明涉及新能源技术领域，特别涉及一种基于3-rps并联机构碟式太阳能跟踪装置。


背景技术：

2.随着新能源开发革命浪潮的到来，太阳能作为一种可再生的新能源，以其存储的无限量、存在的普遍性以及经济性等优势成为人类亟待大力发展的替代性能源。太阳能热发电技术与光伏发电技术是合理利用太阳能的两种最为常见的方式。与光伏发电相比较，太阳能热发电系统具有效率高、造价低、技术成熟等优点，在热储能方面，该系统采用的方式简单并且花费资金少，在没有光照的情况下，仍可以向电站连续供电。电力输出平稳，并且容易与化石燃料形成混合发电，成为当前太阳能开发和利用的一个主要研究方向。
3.碟式太阳能热发电系统是现今具有最高的热效率和光学效率的太阳能热发电系统。它由碟式聚光器和太阳能跟踪机构组成，聚光器安装在太阳跟踪机构上，将太阳光反射到安装在焦点上的接收器上，采用太阳跟踪机构可以使聚光镜不断调整姿态达到全天处于对准太阳光线的目的从而提高太阳发电效率，因此太阳跟踪机构是碟式太阳能热发电系统的重要组成部分。
4.基于跟踪机构的机械特性，太阳能跟踪机构可分为单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪机构结构简单，但只能实现一个方向的太阳位置的跟踪，无法始终使聚光器轴线平行于太阳光线。双轴跟踪机构能够实现2个方向的跟踪，使得聚光器在任何季节的任何时候始终平行于太阳光线，因此双轴跟踪机构在太阳能发电系统中得到了广泛的应用。然而双轴跟踪机构通常是基于串联机构设计的，一般串联双轴跟踪机构由竖直转轴和水平转轴组成，竖直转轴固定在地面，以支撑整个跟踪机构的负载，并驱动跟踪机构完成太阳方位角的跟踪，水平转轴垂直安装在竖直转轴顶端，实现太阳高度角的跟踪。虽然这种跟踪机构原理简单，但刚度较低。此外由于大型太阳能聚光器机构尺寸及重量较大，且加上野外工作时风沙等外载荷影响，往往会导致聚光镜发生法线偏移，若采用传统的高度角和方位角跟踪，不能自动补偿法线偏移引起的跟踪误差，从而导致跟踪精度达不到设计要求。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提出一种刚度高和稳定性好的基于3-rps并联机构碟式太阳能跟踪装置，该跟踪装置具有较大的承载能力，且采用步进电机和同步带传动控制滚珠丝杠的旋转，从而控制支链的长度，进一步提高了跟踪精度。
6.本发明采用的技术方案是：一种基于3-rps并联机构碟式太阳能跟踪装置，包括受器、支撑架、旋转抛物面反射镜、3-rps并联机构、机架、地基。所述旋转抛物面反射镜分为了内外两层，每层由相同的多个镜片组成。所述3-rps并联跟踪机构分为内层3-rps并联机构和外层3-rps并联机构，包括动平台、定平台、三条相同的rps支链（r-转动副，p移动副，s-球副），单块镜面固接于单独的3-rps并联机构的动平台上，每条rps支链由连接动平台和直线
伸缩装置的球副s、伸缩装置p副、连接直线伸缩装置和定平台的转动副r组成，内层和外层的rps支链结构相同，但外层rps支链伸缩行程比内层的长，其内层3-rps并联机构的内动平台和内定平台分别为相似的等边三角形，转动副中心的在内定平台的位置构成等边三角形
∆
abc。外层3-rps并联机构的外动平台和外定平台为相似的等腰三角形，转动副中心在外定平台的位置构成与外动平台形状相似的等腰三角形
∆
abc。
7.上述的一种基于3-rps并联机构碟式太阳能跟踪装置中，旋转抛物面反射镜分为了内外两层，内外两层镜面的的抛物面方程为同一方程，同层镜面的结构形式和尺寸完全相同单块镜面固接于单独的3-rps并联机构的动平台上，共同组成完整的旋转抛物面反射镜。
8.上述的基于3-rps并联机构碟式太阳能跟踪装置中，内层3-rps并联机构的内动平台和内定平台均为等边三角形，rps支链通过转动副连接于等边三角形的顶点上，转动副轴线共面，既平行于所安装顶点的对边，又平行于内定平台平面；外层3-rps并联机构的外动平台和外定平台均为等腰三角形，两个等腰三角形相似，rps支链通过转动副连接于等腰三角形的顶点上，转动副轴线共面，既垂直于等腰三角形
∆
abc外接圆圆心和顶点的连线，又平行于外定平台平面。
9.上述的基于3-rps并联机构碟式太阳能跟踪装置中，直线伸缩装置驱动装置由驱动步进电机、同步带轮、丝杠螺母副、滑杆、滑动活塞组成，驱动步进电机输出轴通过同步带传动与丝杠连接。
10.上述的基于3-rps并联机构碟式太阳能跟踪装置中，所述定平台与机架固定连接，所述支架通过定位机构加紧固件或者焊接方式固定安装在地基的特定位置。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、从结构上看，本发明具有传统单轴跟踪机构结构紧凑、安装灵活等优点，几乎不受建设场地的限制，建设成本相对低廉；对比双轴跟踪机构，由于单块聚光镜的重量由3条rps支链共同承担，各支链相互独立，且单块镜面之间留有适当间隙用以减少风载荷的影响，因此具有刚度高、稳定性较强、传动部件少等优势，且本发明由传统碟式聚光器改进而来，可以采用已有的旋转抛物面反射镜，且它既适用于双曲面反射镜，也可适用于椭圆面反射镜，减少了在镜面设计制造和安装调试的成本。
12.2、从控制上看，本发明的支链设有同步带，驱动步进电机的输出轴通过同步带连接丝杠，可以精确控制丝杠的旋转角度，适合程序控制；单块镜面具有单独的控制器，若发生法线偏移，能自动补偿跟踪误差，从而达到自适应控制的目的。
附图说明
13.图1为本发明的结构图。
14.图2为本发明的内层单个跟踪装置的结构图。
15.图3为本发明的内层卸掉反射镜后单个碟式跟踪装置的结构图。
16.图4为本发明的外层单个跟踪装置的结构图。
17.图5为本发明的外层卸掉反射镜后单个跟踪装置的结构图。
18.图6为本发明的内定平台与销座的安装俯视图。
19.图7为本发明的外定平台与销座的安装俯视图。
20.图8为本发明的rps支链的结构图。
21.图9为本发明的rps支链内部结构图。
22.1—接受器，2—支撑架，3—旋转抛物面反射镜，4—第一铰链，5—3-rps并联机构，6—机架，7—地基，8—内层镜面，9—内动平台，10—内层rps支链，11—内定平台，12—球铰链，13—内层直线伸缩装置，14—转动副，15—外层镜面，16—外动平台，17—外层rps支链，18—外定平台，19—外层直线伸缩装置，20—球窝，21—双耳支架，22—活动盖板，23—导轨箱，24—驱动步进电机，25—联轴器箱，26—带轮传动箱，27—转动副铰耳，28—滑杆，29—滑动活塞，30—滚珠螺母，31—滚珠丝杠，32—角接触轴承，33—同步带传动。
具体实施方式
23.本发明提出的基于3-rps并联机构碟式太阳能跟踪装置结合附图说明如下：如图1所示，本发明包括接受器1、支撑架2、旋转抛物面反射镜3、3-rps并联跟踪机构4、机架5、地基6。旋转抛物面反射镜3的四个外层镜面15设有第一铰链4的铰座，铰座的销孔的轴线平行地面，接收器1在与旋转抛物面反射镜的铰座相对应的位置设有铰耳，支撑架通过第一铰链4将接收器固定在旋转抛物面反射镜3的焦点上；机架6的上平台的形状尺寸与所固定连接的3-rps并联跟踪机构5的定平台完全一致，通过焊接或螺栓将3-rps并联跟踪机构5固定在机架6的上平台上；机架6的下平台形状和上平台的形状相似，尺寸比下平台的大，下平台通过定位机构加紧固件或者焊接方式固定安装在地基7的特定位置。
24.如图1、2、4所示，所述旋转抛物面反射镜3分为内层镜面8、外层镜面15，每层镜面由相同的多个镜面组成，内外两层镜面的的抛物面方程为同一方程，同层镜面的结构形式和尺寸完全相同，共同组成完整的旋转抛物面反射镜3，单块镜面固接于单独的3-rps并联跟踪机构的动平台9和18上，与动平台9和18产生相同的运动。
25.如图3、5、6、7所示，所述3-rps并联跟踪机构，包括内层3-rps并联机构、外层3-rps并联机构，内层3-rps并联机构由内动平台9、三套完全相同的内层rps支链10、内定平台11组成，其中内动平台9、内定平台11为等边三角形，转动副14的铰座通过螺栓固定在内定平台上，其中心在内定平台的位置组成等边三角形，第二铰链29的销孔的轴线共面，既平行于所安装顶点的对边，又平行于内定平台9平面；由于外层镜面的尺寸与内层镜面不同，因此内、外层3-rps并联机构为不同构型的并联机构，外动平台16、外定平台18为相似的等腰三角形，转动副14的中心在外定平台的位置组成等腰三角形
∆
abc，外层rps支链17通过转动副14连接于等腰三角形
∆
abc的顶点上，转动副轴线共面，既垂直于等腰三角形
∆
abc外接圆圆心和顶点的连线，又平行于外定平台16平面。
26.如图8所见，内层rps支链9和外层rps支链17由球铰链12、直线伸缩装置13和19、驱动步进电机24、转动副铰耳27组成，球铰链12通过双耳支架21安装在直线伸缩装置的活动盖板22上，其球头的球心与双耳支架21两端的销孔的中心共线；转动副铰耳27焊接于带轮传动箱26的下端。基于刚体运动学理论，要使旋转抛物面反射镜3的跟踪过程中，保持镜面整体呈抛物面且镜面之间的间隙不变化，那么外层rps支链17的伸缩距离比内层rps支链10的大，即内层直线伸缩装置13的行程比外层直线伸缩装置19的长。电机控制系统根据跟踪要求程序控制驱动步进电机24驱动rps支链，从而改变直线伸缩装置13和19的长度，以驱动旋转抛物面反射镜3的法线平行于太阳光线，使太阳光线聚焦于接受器1。
27.图9是直线伸缩装置的内部机构图，驱动步进电机24与滚珠丝杠31之间通过同步带传动33传递运动，将滚珠螺母30内置于滑动活塞29内，通过滚珠螺母30和滚珠丝杠31的配合，利用同步带传动33的传动比准确、传动精度高的优点，将电机24的旋转运动转化为滑动活塞29在导轨箱23的直线运动，进而改变支链的长度；因滑动活塞29的移动范围较大，滚珠丝杠31的长度较长，采用丝杠的一端固定在带轮传动箱26上，另一端支撑起由滚珠螺母30、滑动活塞29、滑杆28、活动盖板22组成的滑动部分的方式安装。在实际跟踪过程中，滚珠丝杠31要同时承受轴向力和径向力，故在其两端各安装一对角接触球轴承32；滑动活塞29作为移动部件在导轨箱29内往复移动，通过螺钉与滑杆28固连；因滑杆28负责支撑3-rps并联的动平台和滑动活塞29，承受反射镜和动平台的较大重量，力主要是沿径向作用，故采用三根滑杆负载，提高rps支链的刚度。