关于斜单轴太阳能跟踪器的轴承简易密封问题1014

- 120 -
关于斜单轴太阳能跟踪器的轴承简易密封问题
黄 勇
（上海太阳能工程技术研究中心有限公司，上海 200241）
【摘 要】针对现有斜单轴太阳能跟踪器的转动轴承缺少有效的密封保护措施的现状，提出了一种简易的轴承密封保护方法和密封保护装置，并介绍了该密封保护装置的原理、结构和特性。

【关键词】太阳能跟踪器；斜单轴；轴承密封 【中图分类号】TK513.4 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2010)07-0120-03
（一）引言 目前，我国能源还主要依赖于煤炭、石油、天然气等传统能源，但由于传统能源的有限性和对其开发利用引发的环境污染等问题，因此严重制约了经济和社会的可持续发展。

随着人们对绿色环保意识的不断增强，可再生能源的利用得到了迅猛的发展，其中太阳能资源是最丰富的可再生能源，具有独特的发展优势和巨大的开发利用潜力。

充分利用太阳能，对于缓解用电高峰负荷、降低二氧化碳排放量、减少利用传统能源发电对自然环境的影响都会产生十分重要的作用，并将会产生巨大的经济效益和社会效益。

伴随着太阳能光伏发电技术的发展和大规模应用，与之配套的太阳能组件支架结构技术也得到了不断的发展，但由于光伏发电技术的新兴性，相应的太阳能组件支架技术也存在着诸多不成熟和不完善的地方，在实际的应用中出现了这样和那样的问题。

其中斜单轴太阳能跟踪器的转动轴承的密封问题，就是一个
比较典型的问题。

目前对斜单轴太阳能跟踪器的转动轴承密封处理有以下
几种：（1）不作任何密封处理，采用普通滑动轴承或滚动轴
承；（2）不作任何密封处理，采用不锈钢滑动轴承或滚动轴
承；（3）采用传统的橡胶圈密封或采用附带密封圈结构的轴
承起附带密封作用。

由于采用自动跟踪技术的太阳能光伏电站通常会大面积
应用于较偏远的地区，如：荒漠地区、高寒高海拔地区、风
沙雨雪较多的地区或沿海海滩地区，所以太阳能支架结构的
转动部分必然会受到风沙、雨水、冰雪、化学腐蚀等因素影
响。

这些因素会影响太阳能自动跟踪系统的跟踪精度，严重
时，可能会破坏跟踪系统的正常运行，同时也严重影响系统
的使用寿命，阻碍了太阳能光伏系统的低成本化普及和应用。

上述对轴承密封处理的第（1）种方式，其最大的弊端是
轴承易锈蚀，且在高寒和风沙较多的地区易被冰雪和沙尘阻
塞，导致无法正常运转；第（2）种方式中，虽能有效避免锈蚀，但也无法避免冰雪和沙尘阻塞，同时不锈钢轴承价格昂贵，增加了光伏发电系统的成本，不符合光伏发电系统的低成本化推广道路；第（3）种方式中，由于普通的密封材料寿命有限，特别在恶劣环境下，其使用寿命更是难以保证，因此很难达到光伏系统寿命在20年以上的基本要求。

针对上述问题，现提出一种结构简单、密封效果好、实现容易、成本低廉的轴承密封保护方法和密封保护装置。

（二）斜单轴太阳能跟踪器的转动机构与密封 1.目前已有的几种斜单轴太阳能跟踪器的转动机构及其密封方式 目前的斜单轴太阳能跟踪器的转动机构通常有三轴承结构和双轴承结构，机构形式如图1和图2。

图 1 三轴承结构斜单轴太阳能 图 2 双轴承结构斜单轴太阳能 跟踪器 跟踪器
从结构图中可以看出，轴承1完全暴露在太阳电池组件
外侧，受自然环境的影响最大；轴承2和轴承3位于太阳电
池组件下方，受雨雪沙尘的直接影响稍小，但仍不可能避免
雨雪沙尘随侧风吹入轴承端面的状况。

轴承的转动轴线与水平面夹角随不同地区的太阳能最佳
倾角的不同而不同。

以倾角20°为例，若轴承无密封保护措施，雨水会沿轴流过轴承，冰雪沙尘会在轴承一端堆积冻结，严重时会使转动机构失去转动性能。

通常对斜单轴跟踪器轴承的密封保护措施有： （1）添加密封材料密封，如：橡胶圈密封、毛毡密封、塑料圈密封等。

密封形式以接触式橡胶圈密封为主，如图3所示。

密封圈的截面形状可有多种，也可对应多种结构形式。

虽然在短时期这种添加密封圈的密封方式能起到一定的密封效果，但在恶劣的外界环境影响下，橡胶密封圈很容易老化、失去弹性、破裂，最终失去密封防护性能。

若采用特殊的航空密封材料，则势必大幅度增加成本，这不符合光伏发电技术的发展方向。

斜单轴太阳能跟踪器在工作时转动速度很慢，在夜间也会停止工作，在冬季遇到雨雪天气时，密封材料很容易和轴
冻结在一起，以致阻碍轴的正常运转。

此时若轴被强行扭转，【收稿日期】2010-03-16 【作者简介】黄勇（1974－），男，江苏宿迁人，供职于上海太阳能工程技术研究中心有限公司，研究方向为太阳能组件和支架结构。

- 121 -
则橡胶密封圈很容易被外力破坏，从而失去了密封保护作用。

图3 添加密封材料密封 图4 附带密封圈的轴承密封
（2）用附带密封圈的轴承作为密封保护措施，其密封形式，如图4所示。

此种密封结构采用了附带密封圈的标准轴承作为转动密封装置。

虽然此种结构简单，并采用了标准件，但目前此类标准件原本多应用于机床设备、工业机械设备、流体密封 设备、气体密封设备等设备中，现借用到太阳能光伏系统中， 并不适合。

由于光伏系统转动机构的工作速度很慢，瞬时用肉眼几乎看不到它的转动，而且此类机构一般多是工作在条件恶劣的外界环境中，除了遭受风沙冰雪的侵袭外，还会受到强紫外线的辐射，因此该种轴承的密封功效会被削弱，密封材料也会被加速老化。

在国内,太阳能光伏发电技术还是一门全新的技术，目前还没有针对应用于太阳能光伏系统的轴承结构标准，也无相应的标准产品。

非标定制的轴承产品，价格昂贵，通用性差，质量参差不齐，可靠性难以保证，不利于太阳能光伏技术的推广应用。

为了弥补上述两种方式在密封防护上的不足和在使用寿命上的局限性，通常的做法是根据已使用的密封材料的性能，估计其使用年限，定期更换密封材料或密封装置。

此种做法势必会大量增加维护成本，增加整个光伏系统的成本造价，同时也影响了该系统的稳定性、可靠性。

另一种做法是增加过多的冗余设计，比如：采用大功率驱动装置，提供更大的驱动力矩以弥补轴承因受外界因素作用而产生的额外阻力矩，或者采用更多数量的密封材料等。

这种解决问题的思路不正确，首先，采用更大功率的驱动装置除了会增加成本、不利于太阳能技术推广外，更是能源上的浪费，背离了太阳能绿色能源利用的初衷；其次，虽然大功率驱动装置能够提供更大的驱动力矩，但一旦选用则通常功率不再变化，而轴承产生的阻力矩则会每年不断增加，冗余量终会耗尽。

通过增加密封填充材料数量的方式，虽可以延长使用年限，但除了同样增加成本外，也很难达到太阳能光伏发电系统规定的使用寿命。

2.斜单轴太阳能跟踪器的轴承简易密封方式和密封装置 （1）结构形式和密封原理
针对原有斜单轴太阳能跟踪器的轴承密封方式的缺陷，现提出一种简易、实用、新型的轴承密封方式，并和原有的方式进行对比。

此种新型的轴承密封方式所对应的装置可命名为“带密封防护罩的斜单轴太阳能跟踪器轴承密封装置”。

此方式的做法其实很简单，它的思路是借用斜单轴太阳能跟踪器的倾斜角度，用一种简易的密封防护罩实现对轴承的密封保护功能，它的结构形式如图5所示：
1. 轴；
2. 密封防护罩；
3. 轴承上端盖；
4. 轴承座密封环；
5. 密封罩遮雨沿；
6. 轴承座；
7. 轴承；
8. 轴密封环；
9. 轴承下端盖（带遮雨沿）； 10. 轴承座支架
图5 带密封防护罩的斜单轴太阳能跟踪器轴承密封装置 该密封装置的密封部分主要由焊接于转轴1上的密封防护罩2、与密封防护罩2通过螺栓固定的密封罩遮雨沿5、轴承座密封环4、轴密封环8、带遮雨沿的轴承下端盖9组成。

该密封装置预期要达到的效果是使轴承尽可能免受沙尘、雨雪、冰霜等异物直接侵袭。

密封原理主要为非接触式密封，密封型式为垫圈式和迷宫式的组合，同时兼具焊接式密封的型式。

通过借用转轴具有一定的倾斜角度的自然结构形式达到引流和自清洁的效用。

（2）密封功能的实现
①密封防护罩2和轴1通过焊接密封，结构上形成一整体，可随轴1一起转动。

通过焊缝形成永久式密封。

②密封罩遮雨沿5和密封防护罩2之间通过螺栓连接，接触面形式如图6所示。

接触面之间可增加垫片以增强密封效果。

密封罩遮雨沿5和密封防护罩2共同作用，可有效阻止沙尘雨雪等侵入。

③轴承座密封环4可与轴承座6焊接为一整体，也可与轴承座6铸造成一个部件。

轴承座密封环4的数量可为2～3个，一般来说数量越多，密封效果越好，但需兼顾结构的限制和成本限制。

轴承座密封环4可增强密封作用。

④轴密封环8和轴1之间焊接或用其他方式联结，同样起到增强密封效果的作用。

⑤带遮雨沿的轴承下端盖9与轴承座6之间通过螺栓连接，接触面可增加垫片使密封效果加强。

遮雨沿能有效引流和阻止异物浸入轴承。

⑥在此种密封结构中，轴承7可以同时采用了附带密封圈的结构，起到双重密封防护的效果。

轴承7本身的密封结构可参见图4。

在具有特殊密封要求的情况或在腐蚀性环境下，可采用此双重密封方式，如：在沿海沙滩地区安装的太阳能光伏系统等。

图 6 带密封防护罩的斜单轴太阳能跟踪器轴承密封装置局
部放大图 （3）密封装置的安装过程
安装该密封装置需要有正确的安装顺序，否则会出现无
法安装的情况。

具体的安装步骤如下：
- 122 -
①先将轴承7和轴1联结，再将轴密封环8和轴1焊接或压接，形成轴1组件。

焊接处需作防锈处理。

②将轴承座密封环4和轴承座6焊接并防锈（若该两个部件已铸造为一个部件，则省略该步骤），再将带遮雨沿的轴承下端盖9与轴承座6螺栓连接。

③将轴1组件的细端插入轴承座6，并穿过轴承下端盖9的轴孔。

接着再将轴承进行固定，并加盖轴承上端盖3。

接下来，再将密封罩遮雨沿5套装在轴承座6上，并移动至预安装位置附近。

④将密封防护罩2套装在轴1上，并移动至预安装位置附近，接着将密封防护罩2和轴1焊接，并保证沿四周形成完整焊缝，达到完全密封效果。

焊接后，对焊缝作防锈处理。

⑤将已套装在轴承座6上并已移至预安装位置附近的密封罩遮雨沿5准确继续移动至密封防护罩2的凹槽内，并用螺栓连接固定。

⑥最后，将轴承座6和轴承座支架10定位后焊接，并作防锈处理。

（4）该密封装置的优点
该密封装置和图3所示的添加密封材料密封装置及图4所示的附带密封圈的轴承密封装置相比，有以下优点：
①安装方便，密封防护效果好，可靠性高，免维护，寿命长，能满足光伏系统的使用寿命要求。

②轴和轴承上下端盖之间为非接触式密封，无橡胶圈等非金属密封材料，避免了密封圈和轴被冰雪沙尘等异物冻结阻塞的情况。

③轴上附带了密封防护罩，在不影响结构转动的情况下，能有效防止沙尘、雨雪、冰霜等外界异物侵入轴承转动部分。

④密封防护效果可调，适应不同场合。

⑤该密封装置可用钣金冲压或压铸等方法批量生产，既保证密封性能，又能有效降低加工成本。

（三）结论
经过上述的讨论和对比研究，该带密封防护罩的斜单轴太阳能跟踪器轴承密封装置可以有效地起到了对转动轴承部分的防雨、防雪、防沙尘、防冻结等作用。

根据不同的密封等级要求，可以通过增减遮雨沿的沿长度或增减零部件来达到不同的密封效果。

该装置解决了常规斜单轴太阳能跟踪器轴承机构因缺少有效的密封保护措施而使转动轴阻塞、使系统跟踪精度下降甚至损失跟踪能力的难题，同时提高了系统的稳定性和可靠性。

该装置可以广泛应用于各种环境，特别在高海拔高寒地区、沙尘较多的地区更能凸显它的特长。

该装置也有它的功能适应范围，因不同的地区、不同的使用环境、不同的密封防护级别对轴承密封装置的要求也会有所不同，可以根据实际使用情况和不同要求对该装置的结构部件作适当变化，但宗旨是不仅要满足太阳能光伏系统跟踪机构的基本防护要求，而且要符合太阳能光伏系统低成本化发展方向。

【参考文献】
[1] 许建存,刘彩凤,候国青,冀书香.谈谈BIPV 构件及其安装[J].
太阳能,2009,7:41-43.
[2] (日)太阳光发电协会.太阳能光伏发电系统的设计与施工
[M].刘树民,宏伟译.北京:科学出版社,2006.
[3] 张顺心,宋开峰,范顺成.基于并联球面机构的太阳跟踪装
置研究[J].河北工业大学学报,2003,32(6):44-47.
[4] 王雪文,王洋,阎军锋,赵武,张志勇.太阳能电池板自动跟踪
控制系统的设计[J].西北大学学报(自然科学版),2004,34(2):163-164.
[5] 刘振起.太阳能集能器自动跟踪装置[J].节能, 2003,9:22-24.
（上接第116
页）
图3
在进行FFT 运算之前，把输入数据进行码位倒置（倒位序存储），是为了在运算最后输出得到序列的自然序列。

首先，将原始2N 个点的实数序列按奇、偶分组，组合成一个N 点的复数序列，这样的组合与原始的2N 点实输入序列的DFT 一致，但FFT 运算量减少了一半还多。

在分好组后，将它们复制到相应的存储空间，按实部、虚部的顺序存放，然后对复数序列进行位倒序排序。

在做蝶形运算时，主要是对旋转因子的计算。

对于一、二级蝶形，旋转因子的值都是确定的，在第一级蝶形运算中只有一种旋转因子10
=N
W
，在第二级中共有两种旋转因子，分
别为10=N W ，j W N N −=4/，在第三级蝶形运算中，旋转因子为
0N
W 、4
/N N W 、2/N N W 、4
/3N N W ，所以其旋转因子表索引值为
12/2
−M N =512/4=128.依此类推，第四级旋转因子表索引值为
64，第五级为32。

所以，第三级蝶形运算计数器设为3，第四级设为7。

在第M 级中蝶形结中的两个点相距为1
2−m ，考
虑到内存中按实部虚部的顺序存放，第三级输入数据索引设
为8，第四级设为16，其余各级依此类推。

在进行FFT 运算后，需对数据进行重组输出。

数据的重组输出由两部分组成：一是奇数部分和偶数部分的DFT 分离，二是最后的输出产生。

（四）结束语
对于大型的机械设备来说，齿轮故障诊断一直是现今的研究热点。

采用DSP 做为控制核心的监测装置，正是应其而生，对FFT 算法进行优化，并利用DSP 高速、实时的数字信号处理功能对振动信号进行基于FFT 算法的频谱分析，对齿轮与轴承的故障进行了实时有效的诊断，将结果通过LCD 显示，并进行及时报警等现场控制。

在信号处理、工业控制等场合都能达到精度和实时性的要求。

【参考文献】
[1] 韩捷,张瑞林,等.旋转机械故障机理及诊断技术[M].北京:
机械工业出版社,1997.
[2] 胡剑凌,徐盛.数字信号处理系统的应用和设计[M].上海:上
海交通大学出版社,2004.
[3] 刘和平,邓力,等.DSP 原理及电机控制应用[M].北京:北京航
空航天大学出版社,2006.
[4] 雷继尧,丁康.轴承故障诊断[M].西安:西安交通大学出版社,
1991.。