太陽能集能器自動跟蹤裝置的設(shè)計

太陽能集能器自動跟蹤裝置的設(shè)計

1固定安裝方式自動跟蹤裝置太陽跟蹤裝置是一種用來跟蹤太陽的裝置，其主光軸與太陽光線平行。目前,較常用的太陽能平板式集熱器和真空管式集熱器均采用固定安裝方式。這兩種集熱器的共同缺點是太陽的能量密度低,因而集熱溫度較低,一般只能提供40~70℃的熱水,不容易得到高溫。要提高能量密度則必須使集能器平面始終和太陽入射光垂直,同時還應(yīng)對太陽光實行聚焦。為了達(dá)到此目的,在使用中需要在方位角和高度角兩個方位上不斷跟蹤太陽,使集能器從日出到日落始終對準(zhǔn)太陽,以提高太陽能的利用率。2軸跟蹤系統(tǒng)太陽能集能器自動跟蹤裝置設(shè)計成雙軸跟蹤系統(tǒng),即同時在方位角和高度角兩個方向上跟蹤。有三套訊號傳輸、兩套控制和傳動系統(tǒng)(見圖1)。2.1傳感器組成、結(jié)構(gòu)自動跟蹤裝置由傳感器、方位角跟蹤機構(gòu)、高度角跟蹤機構(gòu)和自動控制裝置組成。方位角跟蹤機構(gòu)由電源、方位角傳感器、放大器、執(zhí)行器組成。執(zhí)行器由電機和傳動齒輪組成。方位角傳感器由外殼與安裝在外殼內(nèi)的一對光電二極管組成。高度角跟蹤機構(gòu)由高度角傳感器、放大器、執(zhí)行器組成。執(zhí)行器包括電機和傳動齒條。高度角傳感器的一對光電二極管與方位角傳感器和照度傳感器的光電二極管安裝在一個傳感器殼內(nèi),見圖2?？刂茊卧蛇\算放大器、晶體管和繼電器組成,并與照度傳感器、方位角和高度角傳感器及驅(qū)動電機連接。傳感器部分包括跟蹤傳感器和照度傳感器。傳感器由外殼和安裝在外殼內(nèi)的5只2CU1B光電二極管和指日棒組成。其中方位角的一對光電二極管左右(P3P4)對稱安裝在指日棒A1的兩側(cè),它主要檢測太陽由東往西視運動的偏轉(zhuǎn)角度。高度角的一對光電二管與方位角的一對光電二極管成90°角,上下(P1P2)對稱安裝在指日棒A1的兩側(cè),用來檢測太陽的視高度。輻照度傳感器的一只光電二極管安裝在指日棒的頂端,用于檢測太陽的輻射強度。傳感器安裝在與太陽能集成器開口平面相平行的基件上。2.2太陽光照傾斜控制單元控制單元自動跟蹤裝置是用來跟蹤太陽,使太陽能集能器的主光軸始終與太陽光線相平行,當(dāng)太陽光線發(fā)生傾斜時,傳感器輸出傾斜信號,該信號經(jīng)放大后送入控制單元,控制單元開始工作,指示執(zhí)行器動作調(diào)整太陽能集能器,直到太陽能集能器對準(zhǔn)太陽。2.2.1工作原理和傳感器輸出偏差信號(1)跟蹤傳感器是用來檢測太陽的方位角和高度角,只要太陽光線與太陽能集能器的開口平面不是90°,傳感器就輸出偏差信號。(2)照度傳感器是用來檢測太陽的輻照強度,當(dāng)太陽的輻照度低于或高于工作照度時就輸出關(guān)機或開機信號。如果太陽的輻照強度低于工作照度,則控制單元不工作,放大器和執(zhí)行器的工作電源不接通,執(zhí)行器不工作;當(dāng)太陽輻照強度達(dá)到工作照度時,控制單元開始工作,執(zhí)行器啟動執(zhí)行。2.2.2方位角傳感器當(dāng)太陽光線以與傳感器底座垂直的方向照射到傳感器上時,即太陽光線與太陽能集能器開口平面垂直時,兩個光電二極管接收到的光照度相同,當(dāng)太陽光偏離垂直方向時,不管向哪個方向偏離,兩個光電二極管接收的照度都會出現(xiàn)差值,這就是偏離信號。該信號經(jīng)放大后送入控制單元,這時控制單元開始工作,啟動自動跟蹤裝置調(diào)整太陽能集能器的角度,直到太陽能集能器對準(zhǔn)太陽,實現(xiàn)了對太陽由東往西的自動跟蹤。方位角傳感器還有自動搜尋太陽的功能,每天晚上當(dāng)太陽光輻照度低于工作照度時,太陽能集能器自動跟蹤裝置停止工作,開口朝向西。當(dāng)?shù)诙煸绯刻柕妮椪斩冗_(dá)到工作照度后自動跟蹤裝置自動開機,太陽能集能器就會自動轉(zhuǎn)向太陽。因此,方位角傳感器的視野不應(yīng)小于180°。2.2.3自動跟蹤裝置工作原理當(dāng)太陽光線與指日棒的軸線平行照射時,二個光電二極管接收的輻照度是相同的,無信號輸出;當(dāng)太陽光線發(fā)生傾斜時(太陽上升或下落),兩個光電二極管接收的輻照度出現(xiàn)差值,這就是高度信號。該信號經(jīng)放大后送入控制單元,與方位角傳感器同理,當(dāng)控制單元接收到高度信號后,高度角控制單元即開始工作,調(diào)整太陽能集能器的傾斜角度,使太陽能集能器在南北方向上跟蹤太陽,直到太陽能集能器對準(zhǔn)太陽。自動跟蹤裝置使用的電源為太陽能電源或市電供電的直流穩(wěn)壓電源,兩種電源可以切換,電源電壓為6V。以保證裝置必要的供電容量,太陽能電源由硅光電池PBAT和蓄電池BAT組成。2.3調(diào)整配置調(diào)整機構(gòu)由執(zhí)行器及執(zhí)行器與太陽能集能器之間的連接部件組成,見圖3。(1)轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)速方位角調(diào)整機構(gòu)由控制器、電機和傳動齒輪組成。方位角傳感器輸出的偏離信號經(jīng)放大器放大后驅(qū)動電機,電機的轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速箱和傳動齒輪減速后帶動太陽能集能器在東西方向上跟蹤太陽。調(diào)整速度是由傳動比決定的,傳動比為88660∶1,轉(zhuǎn)動速度(角速度)9.3°/min。轉(zhuǎn)動速度由下式求出:ω=2πυn(1)ω=2πυn(1)式中ω—方位角轉(zhuǎn)動速度,°/min;n—速比(減速箱和傳動齒輪速比之和為620:1);υ—減速電機輸出轉(zhuǎn)速。由于集熱器及鍋灶支架由立軸支撐,立軸的轉(zhuǎn)動部位安裝軸承,使摩擦力減小,方位角調(diào)整功率小于0.5W。連接到電機的電纜是通過旋轉(zhuǎn)接頭連接的,因此旋轉(zhuǎn)角度可以大于360°,逆時針順時針任意轉(zhuǎn)動。力矩由下式求出:M=a×m×r(2)式中M—力矩;a—角加速度;m—太陽灶質(zhì)量;r—傳動部位到轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)半徑。(2)高度角調(diào)整機構(gòu)的工作原理高度角調(diào)整機構(gòu)由控制器、電機和傳動齒條組成。高度角調(diào)整機構(gòu)的工作原理與方位角調(diào)整機構(gòu)相似,不同的是減速箱輸出軸通過齒條帶動太陽能集能器改變傾斜角度。2.4自動跟蹤測試自動跟蹤試驗主要測量自動跟蹤速度和精度、抗環(huán)境散射光干擾能力、功耗、自動開機關(guān)機的輻照度。這些數(shù)據(jù)是衡量自動跟蹤性能的重要參數(shù)。(1)太陽灶主光軸角度測量結(jié)果通過測量光斑偏離吸熱器中心距離求出自動跟蹤精度。試驗過程是,從上午9:30時開始,調(diào)好焦斑,使焦斑位于吸熱器底部中心位置,并開始記錄,每30min記錄一次光斑中心偏離距離和光斑直徑,記錄不應(yīng)少于12個數(shù)據(jù),求出數(shù)據(jù)的平均值Dγ,根據(jù)Dγ求出太陽光線與集熱器主光軸的夾角γ,見圖4。Dγ=1n∑ni=1di(3)Dγ=1n∑ni=1di(3)γ=arcsinDγsin(90°?θ)CF(4)γ=arcsinDγsin(90°-θ)CF(4)式中Dγ—焦斑偏離吸熱器中心的距離;γ—太陽光線與集熱器主光軸夾角;θ—反射曲面上任一點到焦點的直線與主光軸的夾角;CF—反射曲面上任一點距焦點的距離,本太陽灶平均值約為730mm。太陽光入射角γ變化0.5°時焦斑位移量約8mm。跟蹤速度:偏轉(zhuǎn)一周需要23min,跟蹤速度約15.7°/min。高度角俯仰56°需要57min,跟蹤速度為0.98°/min。跟蹤精度:跟蹤精度與傳感器的靈敏度、抗干擾能力和放大器的穩(wěn)定度有關(guān)。也與跟蹤速度和機械結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)傳感器的靈敏度過高時抗干擾能力降低,當(dāng)放大器的放大倍數(shù)太大時,穩(wěn)定度降低。放大器的穩(wěn)定度與放大倍數(shù)的關(guān)系如(5)式:F=XfK?Xi(5)F=XfΚ?Xi(5)式中F—穩(wěn)定度;K—放大器放大倍數(shù);Xf—反饋信號;Xi—輸入信號。當(dāng)太陽光線與集熱器主光軸有0.2°的夾角時,傳感器輸出信號電壓約20mV,經(jīng)放大器放大后輸出4V,使電機與電源接通,驅(qū)動調(diào)整機構(gòu),調(diào)整過沖小于0.15°。跟蹤精度為0.35°。(2)電子開關(guān)照度傳感器將光照度轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)放大后驅(qū)動電子開關(guān)。本裝置當(dāng)太陽直射輻射強度>260W/m2時自動開機,太陽直射輻射強度<260W/m2(0.36cal/cm2·min)自動關(guān)機。2.5跟蹤測量及載荷方位角跟蹤范圍:>200°,跟蹤速度:15.7°/min。高度角跟蹤范圍:53°,跟蹤速度:0.9