皇明太陽能股份有限公司技術(shù)研發(fā)中心 ■ 熊勇剛 崔正軍 陳洪晶 劉元元 李轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

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(fā)的重點(diǎn)。聚光太陽能熱發(fā)電是當(dāng)今世界太陽能利用研究的主題之一，該類系統(tǒng)通過聚光集熱器代替常規(guī)鍋爐，用太陽能熱力系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。根據(jù)歐洲JRC的預(yù)測(cè)，到2030年太陽能發(fā)電將在世界電力的供應(yīng)中占10%以上，2050年太陽能發(fā)電將占總能耗的20%，到本世紀(jì)末太陽能發(fā)電將在能源結(jié)構(gòu)中起到主導(dǎo)作用[1]。

線性菲涅爾式熱發(fā)電作為聚光太陽能熱發(fā)電主要形式之一，因其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投入成本低，逐漸受到國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)和公司的青睞。但因其太陽利用率較低，限制了其大規(guī)模推廣和商業(yè)化應(yīng)用，如何最大限度地提高太陽利用率成為研究的關(guān)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(chǎng)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(lián)機(jī)構(gòu)，結(jié)合電磁離合換檔在多組反射鏡聯(lián)動(dòng)控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)單組反射鏡獨(dú)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(diǎn)，為線性菲涅爾太陽能熱利用提供了有力的技術(shù)支持，提高了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

二 國(guó)外線性菲涅爾跟蹤裝置研究應(yīng)用現(xiàn)狀

線性菲涅爾反射聚光需要將處于同一水平面內(nèi)不同位置反射鏡組成的鏡場(chǎng)的反射光實(shí)時(shí)跟蹤聚集到接收器內(nèi)[3](圖1)。目前國(guó)外的研發(fā)機(jī)構(gòu)或公司采用的跟蹤裝置按機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分類，主要有蝸輪蝸桿聯(lián)動(dòng)、連桿聯(lián)動(dòng)、單軸帶傳動(dòng)、單軸鏈傳動(dòng)。

PSA的蝸輪蝸桿聯(lián)動(dòng)跟蹤裝置(圖2)以一臺(tái)電動(dòng)馬達(dá)通過驅(qū)動(dòng)多組蝸輪、蝸桿串連而成的減速執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)預(yù)先調(diào)整好初始位置的反射鏡組跟蹤太陽，其主要優(yōu)點(diǎn)是制作方便、成本較低。預(yù)先調(diào)整好初始位置的反射鏡組由于傳動(dòng)回差等因素會(huì)造成初始定位偏差，且這種誤差會(huì)累加，從而影響跟蹤精度。后期維護(hù)需人為定期調(diào)校，調(diào)試維護(hù)困難，跟蹤精度無法保證。

Novatec的連桿聯(lián)動(dòng)跟蹤裝置(圖2)的原理是將電動(dòng)推桿的直線運(yùn)動(dòng)通過連桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)反射鏡場(chǎng)跟蹤太陽。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，但由于連桿機(jī)構(gòu)本身的限制，反射鏡組只能在一定的角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)跟蹤。反射鏡組無法實(shí)現(xiàn)任意角度翻轉(zhuǎn)，不利于鏡面的清理，更不能實(shí)現(xiàn)大風(fēng)或冰雹氣候情況下的鏡場(chǎng)保護(hù)。這樣不僅大大降低了聚光集熱效率，也不利于商業(yè)化推廣。

Ausra的單軸鏈傳動(dòng)跟蹤裝置(圖2)以電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)同減速傳動(dòng)裝置耦合的鏈輪齒，鏈輪齒與鏈條嚙合，通過鏈條帶動(dòng)單組反射鏡組跟蹤太陽[4]。整個(gè)鏡場(chǎng)的傳動(dòng)跟蹤系統(tǒng)需由同組成鏡場(chǎng)的反射鏡組同等數(shù)量的傳動(dòng)跟蹤裝置組成。

PSE的單軸帶傳動(dòng)(圖2)同Ausra的單軸鏈傳動(dòng)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(dòng)馬達(dá)和控制器等數(shù)量上的增加，該類跟蹤裝置在實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤的同時(shí)大大增加了制作成本，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

三 新型電磁聯(lián)動(dòng)式追日跟蹤裝置

現(xiàn)有應(yīng)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(guī)模推廣和商業(yè)化應(yīng)用。因此有必要設(shè)計(jì)一種針對(duì)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(diǎn)，并將這一技術(shù)在示范工程上進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，從而進(jìn)一步優(yōu)化完善，推動(dòng)線性菲涅爾太陽能熱利用的市場(chǎng)化進(jìn)程。

本文提出一種高精度電磁控制蝸輪蝸桿式的單軸獨(dú)立傳動(dòng)、多組聯(lián)動(dòng)追日跟蹤裝置(圖3)，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)鏡組任意角度、全天候的轉(zhuǎn)動(dòng)和同時(shí)控制。它包括一組驅(qū)動(dòng)裝置，一組初級(jí)減速裝置，多組次級(jí)減速裝置，多組角度調(diào)整裝置；驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)太陽跟蹤程序，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，自動(dòng)跟蹤太陽；初級(jí)減速裝置包括初級(jí)減速機(jī)、法蘭、聯(lián)軸器、軸承支座；次級(jí)減速裝置包括次級(jí)減速機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、固定座，每個(gè)次級(jí)減速機(jī)的輸出端與反射鏡軸連接；角度調(diào)整裝置包括電磁離合器，通過預(yù)設(shè)程序驅(qū)動(dòng)電磁離合器工作來確定每組反射鏡的初始角度，和聯(lián)動(dòng)同步跟蹤太陽，以及在大風(fēng)或冰雹環(huán)境下保證每個(gè)反射鏡回到水平和豎直的位置。

該裝置的次級(jí)減速由蝸輪蝸桿減速機(jī)串聯(lián)組成，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)次級(jí)減速機(jī)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?yàn)轱L(fēng)力或外力造成反射鏡的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證反射鏡及時(shí)跟蹤太陽。

這種跟蹤裝置的核心是每個(gè)次級(jí)減速機(jī)輸入端都安裝有一個(gè)失電電磁離合器(圖4)。當(dāng)電磁離合器斷電時(shí)，主動(dòng)端和從動(dòng)端結(jié)合，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)就能帶動(dòng)次級(jí)減速機(jī)工作，反射鏡開始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電磁離合器通電時(shí)，主動(dòng)端和從動(dòng)端分開，次級(jí)減速機(jī)停止工作，反射鏡停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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(nèi)，所以每個(gè)反射鏡跟蹤太陽的角度不同。這樣可通過程序來控制每個(gè)電磁離合器的通電和斷電時(shí)間，進(jìn)而調(diào)整每組反射鏡的角度。當(dāng)每組反射鏡調(diào)到合適的位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以持續(xù)的工作，從而實(shí)現(xiàn)所有反射鏡的聯(lián)動(dòng)控制。

在控制方面，這種新型電磁聯(lián)動(dòng)式追日跟蹤裝置可采用開環(huán)控制以降低成本，通過預(yù)設(shè)程序的可編程邏輯控制器構(gòu)建控制平臺(tái)，在每組反射鏡下安裝限位開關(guān)，用以精確定位每組反射鏡的初始角度和消除每天傳動(dòng)系統(tǒng)的累計(jì)誤差。這種跟蹤裝置由于采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、多組聯(lián)動(dòng)執(zhí)行，一套控制系統(tǒng)可控制多組反射鏡組，因此成本大大降低。

四 工程應(yīng)用

該裝置已被成功應(yīng)用于皇明2.5MW菲涅爾太陽能熱發(fā)電示范工程(圖5)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)。通過在風(fēng)速0～12m/s的條件下跟蹤測(cè)試，全天采樣490個(gè)時(shí)刻，98%的跟蹤精度都在3.5mrad以內(nèi)(圖6)，每10min內(nèi)平均跟蹤精度，全部在2.8mrad以內(nèi)(圖7)。其跟蹤精度已代表了該類裝置的領(lǐng)先水平，達(dá)到了預(yù)期效果，增加了反射鏡場(chǎng)的聚光效率，提高了聚光集熱器的太陽利用率。

五 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型電磁聯(lián)動(dòng)式追日跟蹤裝置密封性能好，有自鎖能力及極少維護(hù)(指系統(tǒng)潤(rùn)滑及部件更換)，具有足夠強(qiáng)度和剛度，可在戶外環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。該裝置具有跟蹤精度高、控制方便、成本低廉的特點(diǎn)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景，增強(qiáng)了線性菲涅爾聚光集熱器在太陽能熱發(fā)電、中溫工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 王斯成.中國(guó)光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和展望[EB/OL].http://solar.ofweek.com/2009-02/ART-260005-8400-27208001.html, 2009.

[2] 張順心, 宋開峰, 范順成.基于并聯(lián)球面機(jī)構(gòu)的太陽跟蹤裝置研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 32(6):44－47.

[3] Jeffrey Gordon.Solar energy: the state of the art[M].UK:Jeffrey Gordon James & James(Science Publishers), 2001.

[4] 奧斯拉公司.線性菲涅爾太陽能陣列[P].CN:200880112767,2010-09-15.