电磁联动追日跟踪技术在线性菲涅尔聚光上的应用

2011-10-22皇明太阳能股份有限公司技术研发中心熊勇刚崔正军陈洪晶刘元元李转转

太阳能 2011年22期

皇明太阳能股份有限公司技术研发中心 ■ 熊勇刚崔正军陈洪晶刘元元李转转

一引言

太阳能作为一种清洁无污染、资源丰富的能源，逐渐成为新能源研发的重点。聚光太阳能热发电是当今世界太阳能利用研究的主题之一，该类系统通过聚光集热器代替常规锅炉，用太阳能热力系统带动发电机发电。根据欧洲JRC的预测，到2030年太阳能发电将在世界电力的供应中占10%以上，2050年太阳能发电将占总能耗的20%，到本世纪末太阳能发电将在能源结构中起到主导作用[1]。

线性菲涅尔式热发电作为聚光太阳能热发电主要形式之一，因其整体结构简单、投入成本低，逐渐受到国内外研发机构和公司的青睐。但因其太阳利用率较低，限制了其大规模推广和商业化应用，如何最大限度地提高太阳利用率成为研究的关键。追日跟踪装置是解决这一问题的主要途径之一，高精度的追日跟踪装置可大大提高反射镜场的聚光效率，从而提高聚光集热器的太阳利用率[2]。本文提出的追日跟踪装置基于蜗轮蜗杆串联机构，结合电磁离合换档在多组反射镜联动控制的同时实现单组反射镜独立控制。该装置具有跟踪精度高、控制方便和成本低廉等特点，为线性菲涅尔太阳能热利用提供了有力的技术支持，提高了其市场竞争力。

二国外线性菲涅尔跟踪装置研究应用现状

线性菲涅尔反射聚光需要将处于同一水平面内不同位置反射镜组成的镜场的反射光实时跟踪聚集到接收器内[3](图1)。目前国外的研发机构或公司采用的跟踪装置按机械传动结构分类，主要有蜗轮蜗杆联动、连杆联动、单轴带传动、单轴链传动。

PSA的蜗轮蜗杆联动跟踪装置(图2)以一台电动马达通过驱动多组蜗轮、蜗杆串连而成的减速执行机构，带动预先调整好初始位置的反射镜组跟踪太阳，其主要优点是制作方便、成本较低。预先调整好初始位置的反射镜组由于传动回差等因素会造成初始定位偏差，且这种误差会累加，从而影响跟踪精度。后期维护需人为定期调校，调试维护困难，跟踪精度无法保证。

Novatec的连杆联动跟踪装置(图2)的原理是将电动推杆的直线运动通过连杆联动机构转变成旋转运动，从而驱动反射镜场跟踪太阳。该装置结构简单，制作费用低，但由于连杆机构本身的限制，反射镜组只能在一定的角度范围内旋转跟踪。反射镜组无法实现任意角度翻转，不利于镜面的清理，更不能实现大风或冰雹气候情况下的镜场保护。这样不仅大大降低了聚光集热效率，也不利于商业化推广。

Ausra的单轴链传动跟踪装置(图2)以电动马达驱动同减速传动装置耦合的链轮齿，链轮齿与链条啮合，通过链条带动单组反射镜组跟踪太阳[4]。整个镜场的传动跟踪系统需由同组成镜场的反射镜组同等数量的传动跟踪装置组成。

PSE的单轴带传动(图2)同Ausra的单轴链传动类似，以带轮和同步带替代链轮齿与链条，都属于单轴跟踪。由于在电动马达和控制器等数量上的增加，该类跟踪装置在实现高精度跟踪的同时大大增加了制作成本，难以实现大规模推广。

三新型电磁联动式追日跟踪装置

现有应用于线性菲涅尔聚光的追日跟踪装置多存在跟踪精度不高或成本高的问题，不利于其大规模推广和商业化应用。因此有必要设计一种针对线性菲涅尔聚光的追日跟踪装置，使之具有跟踪精度高、控制方便和成本低廉的特点，并将这一技术在示范工程上进行应用验证，从而进一步优化完善，推动线性菲涅尔太阳能热利用的市场化进程。

本文提出一种高精度电磁控制蜗轮蜗杆式的单轴独立传动、多组联动追日跟踪装置(图3)，可实现每个镜组任意角度、全天候的转动和同时控制。它包括一组驱动装置，一组初级减速装置，多组次级减速装置，多组角度调整装置；驱动装置包括驱动电机及其控制系统，控制系统预设太阳跟踪程序，驱动电机工作，自动跟踪太阳；初级减速装置包括初级减速机、法兰、联轴器、轴承支座；次级减速装置包括次级减速机、联轴器、传动轴、固定座，每个次级减速机的输出端与反射镜轴连接；角度调整装置包括电磁离合器，通过预设程序驱动电磁离合器工作来确定每组反射镜的初始角度，和联动同步跟踪太阳，以及在大风或冰雹环境下保证每个反射镜回到水平和竖直的位置。

该装置的次级减速由蜗轮蜗杆减速机串联组成，可实现每个次级减速机都带有自锁功能，这样既可保证每组镜面任意位置的放置，也可防止因为风力或外力造成反射镜的自由转动，从而保证反射镜及时跟踪太阳。

这种跟踪装置的核心是每个次级减速机输入端都安装有一个失电电磁离合器(图4)。当电磁离合器断电时，主动端和从动端结合，传动轴的转动就能带动次级减速机工作，反射镜开始转动；当电磁离合器通电时，主动端和从动端分开，次级减速机停止工作，反射镜停止转动。由于反射式线性菲涅尔聚光集热器的每组反射镜的位置不一样，但所有反射光都聚集在同一聚光器内，所以每个反射镜跟踪太阳的角度不同。这样可通过程序来控制每个电磁离合器的通电和断电时间，进而调整每组反射镜的角度。当每组反射镜调到合适的位置，驱动电机可以持续的工作，从而实现所有反射镜的联动控制。

在控制方面，这种新型电磁联动式追日跟踪装置可采用开环控制以降低成本，通过预设程序的可编程逻辑控制器构建控制平台，在每组反射镜下安装限位开关，用以精确定位每组反射镜的初始角度和消除每天传动系统的累计误差。这种跟踪装置由于采用伺服电机驱动、多组联动执行，一套控制系统可控制多组反射镜组，因此成本大大降低。

四工程应用

该装置已被成功应用于皇明2.5MW菲涅尔太阳能热发电示范工程(图5)，并在现场进行测试检验。通过在风速0～12m/s的条件下跟踪测试，全天采样490个时刻，98%的跟踪精度都在3.5mrad以内(图6)，每10min内平均跟踪精度，全部在2.8mrad以内(图7)。其跟踪精度已代表了该类装置的领先水平，达到了预期效果，增加了反射镜场的聚光效率，提高了聚光集热器的太阳利用率。