電磁聯動追日跟蹤技術在線性菲涅爾聚光上的應用

2011-10-22 03:27:26皇明太陽能股份有限公司技術研發中心熊勇剛崔正軍陳洪晶劉元元李轉轉

太陽能 2011年22期

皇明太陽能股份有限公司技術研發中心 ■ 熊勇剛崔正軍陳洪晶劉元元李轉轉

一引言

太陽能作為一種清潔無污染、資源豐富的能源，逐漸成為新能源研發的重點。聚光太陽能熱發電是當今世界太陽能利用研究的主題之一，該類系統通過聚光集熱器代替常規鍋爐，用太陽能熱力系統帶動發電機發電。根據歐洲JRC的預測，到2030年太陽能發電將在世界電力的供應中占10%以上，2050年太陽能發電將占總能耗的20%，到本世紀末太陽能發電將在能源結構中起到主導作用[1]。

線性菲涅爾式熱發電作為聚光太陽能熱發電主要形式之一，因其整體結構簡單、投入成本低，逐漸受到國內外研發機構和公司的青睞。但因其太陽利用率較低，限制了其大規模推廣和商業化應用，如何最大限度地提高太陽利用率成為研究的關鍵。追日跟蹤裝置是解決這一問題的主要途徑之一，高精度的追日跟蹤裝置可大大提高反射鏡場的聚光效率，從而提高聚光集熱器的太陽利用率[2]。本文提出的追日跟蹤裝置基于蝸輪蝸桿串聯機構，結合電磁離合換檔在多組反射鏡聯動控制的同時實現單組反射鏡獨立控制。該裝置具有跟蹤精度高、控制方便和成本低廉等特點，為線性菲涅爾太陽能熱利用提供了有力的技術支持，提高了其市場競爭力。

二國外線性菲涅爾跟蹤裝置研究應用現狀

線性菲涅爾反射聚光需要將處于同一水平面內不同位置反射鏡組成的鏡場的反射光實時跟蹤聚集到接收器內[3](圖1)。目前國外的研發機構或公司采用的跟蹤裝置按機械傳動結構分類，主要有蝸輪蝸桿聯動、連桿聯動、單軸帶傳動、單軸鏈傳動。

PSA的蝸輪蝸桿聯動跟蹤裝置(圖2)以一臺電動馬達通過驅動多組蝸輪、蝸桿串連而成的減速執行機構，帶動預先調整好初始位置的反射鏡組跟蹤太陽，其主要優點是制作方便、成本較低。預先調整好初始位置的反射鏡組由于傳動回差等因素會造成初始定位偏差，且這種誤差會累加，從而影響跟蹤精度。后期維護需人為定期調校，調試維護困難，跟蹤精度無法保證。

Novatec的連桿聯動跟蹤裝置(圖2)的原理是將電動推桿的直線運動通過連桿聯動機構轉變成旋轉運動，從而驅動反射鏡場跟蹤太陽。該裝置結構簡單，制作費用低，但由于連桿機構本身的限制，反射鏡組只能在一定的角度范圍內旋轉跟蹤。反射鏡組無法實現任意角度翻轉，不利于鏡面的清理，更不能實現大風或冰雹氣候情況下的鏡場保護。這樣不僅大大降低了聚光集熱效率，也不利于商業化推廣。

Ausra的單軸鏈傳動跟蹤裝置(圖2)以電動馬達驅動同減速傳動裝置耦合的鏈輪齒，鏈輪齒與鏈條嚙合，通過鏈條帶動單組反射鏡組跟蹤太陽[4]。整個鏡場的傳動跟蹤系統需由同組成鏡場的反射鏡組同等數量的傳動跟蹤裝置組成。

PSE的單軸帶傳動(圖2)同Ausra的單軸鏈傳動類似，以帶輪和同步帶替代鏈輪齒與鏈條，都屬于單軸跟蹤。由于在電動馬達和控制器等數量上的增加，該類跟蹤裝置在實現高精度跟蹤的同時大大增加了制作成本，難以實現大規模推廣。

三新型電磁聯動式追日跟蹤裝置

現有應用于線性菲涅爾聚光的追日跟蹤裝置多存在跟蹤精度不高或成本高的問題，不利于其大規模推廣和商業化應用。因此有必要設計一種針對線性菲涅爾聚光的追日跟蹤裝置，使之具有跟蹤精度高、控制方便和成本低廉的特點，并將這一技術在示范工程上進行應用驗證，從而進一步優化完善，推動線性菲涅爾太陽能熱利用的市場化進程。

本文提出一種高精度電磁控制蝸輪蝸桿式的單軸獨立傳動、多組聯動追日跟蹤裝置(圖3)，可實現每個鏡組任意角度、全天候的轉動和同時控制。它包括一組驅動裝置，一組初級減速裝置，多組次級減速裝置，多組角度調整裝置；驅動裝置包括驅動電機及其控制系統，控制系統預設太陽跟蹤程序，驅動電機工作，自動跟蹤太陽；初級減速裝置包括初級減速機、法蘭、聯軸器、軸承支座；次級減速裝置包括次級減速機、聯軸器、傳動軸、固定座，每個次級減速機的輸出端與反射鏡軸連接；角度調整裝置包括電磁離合器，通過預設程序驅動電磁離合器工作來確定每組反射鏡的初始角度，和聯動同步跟蹤太陽，以及在大風或冰雹環境下保證每個反射鏡回到水平和豎直的位置。

該裝置的次級減速由蝸輪蝸桿減速機串聯組成，可實現每個次級減速機都帶有自鎖功能，這樣既可保證每組鏡面任意位置的放置，也可防止因為風力或外力造成反射鏡的自由轉動，從而保證反射鏡及時跟蹤太陽。

這種跟蹤裝置的核心是每個次級減速機輸入端都安裝有一個失電電磁離合器(圖4)。當電磁離合器斷電時，主動端和從動端結合，傳動軸的轉動就能帶動次級減速機工作，反射鏡開始轉動；當電磁離合器通電時，主動端和從動端分開，次級減速機停止工作，反射鏡停止轉動。由于反射式線性菲涅爾聚光集熱器的每組反射鏡的位置不一樣，但所有反射光都聚集在同一聚光器內，所以每個反射鏡跟蹤太陽的角度不同。這樣可通過程序來控制每個電磁離合器的通電和斷電時間，進而調整每組反射鏡的角度。當每組反射鏡調到合適的位置，驅動電機可以持續的工作，從而實現所有反射鏡的聯動控制。

在控制方面，這種新型電磁聯動式追日跟蹤裝置可采用開環控制以降低成本，通過預設程序的可編程邏輯控制器構建控制平臺，在每組反射鏡下安裝限位開關，用以精確定位每組反射鏡的初始角度和消除每天傳動系統的累計誤差。這種跟蹤裝置由于采用伺服電機驅動、多組聯動執行，一套控制系統可控制多組反射鏡組，因此成本大大降低。

四工程應用

該裝置已被成功應用于皇明2.5MW菲涅爾太陽能熱發電示范工程(圖5)，并在現場進行測試檢驗。通過在風速0～12m/s的條件下跟蹤測試，全天采樣490個時刻，98%的跟蹤精度都在3.5mrad以內(圖6)，每10min內平均跟蹤精度，全部在2.8mrad以內(圖7)。其跟蹤精度已代表了該類裝置的領先水平，達到了預期效果，增加了反射鏡場的聚光效率，提高了聚光集熱器的太陽利用率。