張紅光

（寧夏伊品生物有限公司，寧夏 銀川 750105）

本研究適用于寧夏銀川地區(qū)的拋物槽式太陽能集熱裝置跟蹤系統(tǒng)。該跟蹤系統(tǒng)應用在夏季太陽能制冷空調系統(tǒng)中，目的是控制太陽能集熱裝置的運動，將太陽光實時地匯聚到集熱管上，從而為制冷空調系統(tǒng)提供充足的熱量，驅動空調制冷系統(tǒng)，達到制冷目的。

1 集熱裝置跟蹤系統(tǒng)控制方法

1.1 單軸跟蹤運動分析

單軸跟蹤只能在一個方向上自動跟蹤太陽位置，跟蹤角τ的運動方程式為

式中：γ為太陽光線在觀察地點上的投影線與正南方的夾角，規(guī)定正南方向夾角為0，向西為正、向東為負，它表示太陽光線在水平面上的投影偏離正南方的角度。γ的計算公式為

α為觀察者地點O與太陽中心P的射線與其在觀察地上投影線的夾角，它表示太陽高出水平面的角度。

從式（1）、（2）、（3）可以看出，跟蹤角和安裝地緯度φ、赤緯角δ及時角ω有關。以寧夏銀川市為例，地理緯度φ為38.45°，時角ω以當?shù)乇本r間計算，ω=15（t-12），利用Matlab軟件繪出6月1日、7月1日、8月1日、9月1日太陽跟蹤角隨時間變化曲線如下圖1所示。從圖中可以看出6-9期間跟蹤角變化并不太一致，但跟蹤角范圍均在-90°～+90°之間，在正午時，跟蹤角均為0，此刻太陽光線與聚光器平面垂直，光照強度大，跟蹤效率最高［1］；正午前后，跟蹤角變化方向相反，變化最快；跟蹤角曲線有突變點，可為6-9月期間設置跟蹤起始和結束時間提供依據(jù)。

圖1 跟蹤角隨時間變化曲線

1.2 間歇運動控制分析

太陽跟蹤可以采用連續(xù)和間歇跟蹤［2］兩種方法跟蹤太陽位置，進行運動控制。連續(xù)跟蹤是根據(jù)太陽運行規(guī)律，每時每刻跟蹤太陽位置的控制方法，這種控制方法太陽能集熱裝置跟蹤角變化小，轉軸運動速度低，跟蹤角執(zhí)行機構減速比大，因為實時跟蹤太陽角度變化，因此跟蹤準確。但同時，控制器、驅動機構要連續(xù)工作，就要消耗大量的電能。本文在綜合考慮跟蹤精度和系統(tǒng)耗能兩個方面的基礎上，采用間歇跟蹤的控制方法，即每隔一定時間，集熱裝置調整跟蹤角度一次，裝置運動一次，間歇時間集熱裝置處于靜止狀態(tài)。這樣的跟蹤方法，可以簡化跟蹤系統(tǒng)控制，減少驅動機構驅動次數(shù)，增加了電機和驅動器壽命，降低了系統(tǒng)本身能耗。

本文將間隔時間取為10min，圖2是某日t時刻和t+10min時刻跟蹤角變化曲線，可以看出，相同等待時間下，跟蹤角的變化量不大，設計相同等待時間方案可行。跟蹤系統(tǒng)在t時刻跟蹤到太陽方位角，然后靜止等待10min，但太陽跟蹤角是隨時間變化的，所以到t+10min時刻跟蹤角已經(jīng)出現(xiàn)了偏差Δτ，Δτ=τt+10-τt?？梢?，間歇運動控制的特點是跟蹤間歇時間越短，偏差將會越小，但這將會以犧牲間歇控制本身的優(yōu)越性為代價。

圖2 間歇跟蹤前后對比圖

正午t時刻跟蹤角τ=0，則10min后，若以北京時間計算ω，在9月1日這天，12：10分時，ω=15（12-12+10/60）=2.5°，φ=38.45°，日子數(shù)n為244，根據(jù)公式計算出跟蹤角τt+10=2.94°。由于在正午前后跟蹤角變化量最大，即在9月1日這天，間隔10min跟蹤的跟蹤角最大變化量為2.94°。

1.3 槽式太陽能集熱裝置控制方法

依據(jù)本研究依托的合同項目要求，設計的集熱裝置應用于銀川地區(qū)6-9月期間，日照條件好，太陽輻射密度大，因此，在跟蹤精度要求不高（集熱器法線與太陽入射光線間的適時夾角不超過3°）的情況下就能獲得較高的集熱效率。跟蹤系統(tǒng)采用間歇運動控制方法，跟蹤角每10min變化角度不大，故集熱裝置對速度要求也不高，所以控制系統(tǒng)選擇為視日運動軌跡式跟蹤系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)根據(jù)前文所述天文知識，每間隔10min計算單軸跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角τ，將該值輸入控制器，由控制器發(fā)出信號給執(zhí)行器，控制集熱裝置按照跟蹤角τ跟蹤太陽位置。

圖3 視日運動軌跡式跟蹤系統(tǒng)控制方法

若將圖中執(zhí)行器選為步進電機，則步進電機就可以和數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，其位移量與輸入脈沖數(shù)相對應，故不產生累積誤差，可以組成結構簡單而又具有一定精度的控制系統(tǒng)，可通過控制跟蹤角計算誤差和傳動誤差來提高跟蹤精度。這種跟蹤不需要對太陽實時位置進行監(jiān)測，只需按照預先設定好的程序來控制執(zhí)行機構的動作，所以跟蹤系統(tǒng)人為干預小，成本低，運行可靠。跟蹤系統(tǒng)整體構架如下：

2 單軸槽式太陽能集熱裝置

圖4 跟蹤系統(tǒng)整體構架

集熱裝置應用于太陽能制冷空調的跟蹤系統(tǒng)，集熱裝置整體結構如下圖5所示，它由聚光器、接收器和跟蹤機構組成。這種集熱裝置的缺點是只能接收太陽直射過來光線，而對其他擴散的光線則無法吸收，為了使集熱裝置發(fā)揮最大作用，提高太陽光收集率，必須采用跟蹤系統(tǒng)，由跟蹤系統(tǒng)驅動集熱器，利用拋物面聚光鏡把直射陽光反射到接收器上，使集熱器主光軸始終指向太陽，接收器收集太陽能后加熱工作介質，使介質變成高溫高壓蒸汽或高溫高壓熱氣體，驅動制冷系統(tǒng)工作，達到以熱制冷的目的。

圖5 集熱裝置整體結構

2.1 聚光器

聚光是提高太陽能集熱裝置集熱溫度的有效方法。本研究采用單軸跟蹤方式，采用一維槽形拋物面聚光器，其原理是利用拋物線的幾何特性將平行射入的光線反射到接收器上，它由反光鏡和支架組成。

2.1.1 反光鏡

太陽能工程中，用作反射光的鏡面材料有玻璃、真空鍍鋁聚酯薄膜、不銹鋼。本研究選用0.4mm鏡面不銹鋼作為反光材料，該材料具有耐高溫、耐候性能好、使用壽命長的特點，因此在太陽能聚光器鏡面中使用廣泛。

反光鏡光路分析如圖6所示。槽式拋物面的開口寬度表示為b，其大小決定了聚光器的輸入總能量；拋物面的焦距表示為f，其決定太陽像的大小。因此，投射到反光鏡上的太陽能量密度顯然和開口寬度和焦距f有關，將其比值稱為相對光孔m，則：

研究表明，當相對光孔m=4 3時，槽形拋物面達到最佳理論焦距［3］。據(jù)此，本設計的拋物面槽形聚光器反光鏡模型如圖7，其焦距f=181mm，開口寬度為1 256mm，長度為1 880mm。

圖6 反光鏡光路分析

2.1.2 支架

為了使集熱裝置結構輕便又能有較高的整體剛度，聚光器支架為焊接結構，由筋板、連接條、接收器支撐和主軸四部分組成，如圖7所示。筋板起支撐拋物槽鏡面的主要作用，連接條用于連接筋板和反光鏡，接收器支撐用來安裝集熱管，筋板及接收器支撐焊接在主軸上，由電動機帶動該軸旋轉，繼而使整個聚光器東西方向做旋轉運動。連接條選用角鋼，角鋼尺寸為30×30×3mm；主軸和接收器支撐分別用直徑90mm、30mm的棒料。

圖7 聚光器支架結構

由于反光鏡由厚度為0.4mm不銹鋼板制成，在焊接時容易變形、燒穿，焊接工藝不易保證，為提高加工工藝性，反光鏡和筋板連接方式為鉚接，在筋板兩側加連接條的同時，在拋物形側也增加連接條，將反光鏡鉚接在拋物形連接條上。

2.1.3 接收器

接收器采用復合空腔集熱管，其接收管為金屬圓管，外罩同心玻璃罩管，彈性波紋管用來補償玻璃罩管和金屬接收管之間因材料不同而產生的熱膨脹位移。其示意圖如圖8所示：

圖8 高真空集熱管示意圖

接收器金屬圓管直徑d為60mm，已知拋物槽開口寬度b=1 256mm，則該聚光器的聚光比：C=b/πd=6.7。

2.2 跟蹤機構

本研究采用單軸南北布置東西跟蹤方式，使聚光器主軸旋轉反映太陽方位角變化，而高度角則通過手動調節(jié)的方式。整個跟蹤機構包括：底座、高度角執(zhí)行機構和跟蹤角執(zhí)行機構。

2.2.1 底座

底座是整個集熱裝置的載體，聚光器及調整聚光器旋轉角度的跟蹤角執(zhí)行機構、調整聚光器主軸和水平面夾角的高度角執(zhí)行機構、控制箱都要安裝在底座上，因此設計中要考慮其承重能力和高度角調整、聚光器旋轉引起的扭轉、偏擺等因素。

2.2.2 高度角執(zhí)行機構

采用絲杠螺母副的運動形式，調整聚光器安裝平面相對水平面的傾角β，以達到每天正午聚光器所在平面和太陽入射光線90度垂直效果，故傾角β=90°-高度角。根據(jù)計算公式，每隔兩天計算出銀川6-9月正午高度角。計算結果表明，銀川6-9月期間正午高度角變化不 大 ，范 圍 在 73.56°～48.24°，由于底座設計時已預設10°傾角，傾角β的調整范圍設計為 10°～50°，每間隔10d手動調整一次。高度角執(zhí)行機構（圖9）設計簡單，由手輪旋轉絲杠，帶動絲杠螺母運動，達到調整高度角的目的。絲杠和底座、絲杠和聚光器主軸在連接時均采用鉸鏈方式，這樣的機構使高度角靈活可調，并且調節(jié)過程不會影響聚光器的旋轉角度。

圖9 高度角調整機構

2.2.3 跟蹤角執(zhí)行機構

聚光器繞主軸旋轉，由控制系統(tǒng)自動控制跟蹤角，達到精準跟蹤的目的。跟蹤角在-90°～+90°可調，為防止聚光器超出跟蹤范圍發(fā)生意外，轉動主軸上增加了限位擋塊和行程開關。同時基于系統(tǒng)安裝初期調試和后期系統(tǒng)故障維修的考慮，跟蹤角執(zhí)行機構設計了手動運行模式，手自動模式通過轉換手柄進行切換。跟蹤角執(zhí)行機構的傳動方案可采用齒輪傳動，也可采用蝸輪蝸桿傳動。齒輪傳動（圖10a）用途廣泛，其具有的優(yōu)勢是使用壽命長、傳動效率高、布局緊湊等，但缺陷是直齒圓柱齒輪傳動不能自鎖，由于集熱器本身轉動慣量大，會在無電機驅動的情況下，集熱器自身由于慣性發(fā)生旋轉，導致跟蹤誤差。通過在集熱器主軸上加配重塊6的方式可以解決這一問題，但是這樣就會使整個集熱裝置的重量增加很多，將會額外增加電機的驅動力矩。蝸輪蝸桿（圖10b）傳動的特點是傳動比大、傳動穩(wěn)定、噪聲小，只可單向傳動。利用其單向傳動的特點，使傳動機構形成自鎖，即可避免由于集熱器慣性過大引起的自轉，所以選擇蝸輪蝸桿傳動方式。其傳動路線為：自動方式是減速器輸出軸—直齒圓柱齒輪—渦輪蝸桿—聚光器主軸；手動方式是轉換手柄帶動撥叉使滑移齒輪和齒輪脫離，通過手動輪—蝸輪蝸桿（）—聚光器主軸進行傳動。

圖10 齒輪箱傳動方案對比圖

綜上所述，跟蹤角執(zhí)行機構實現(xiàn)自動跟蹤太陽位置的原理是：當太陽光線入射至聚光器表面，根據(jù)赤緯角、時角和地理緯度計算跟蹤角，由控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號，驅動步進電機轉動，通過齒輪箱進行傳動，帶動聚光器主軸旋轉，繼而使聚光器東西方向旋轉進行太陽視位置跟蹤。

3 結論

本設計適合寧夏銀川地區(qū)夏季使用的單軸槽式太陽能集熱裝置跟蹤系統(tǒng)，對太陽跟蹤角變化規(guī)律及間歇式運動進行研究，分析了單軸南北布置東西跟蹤的跟蹤方式和跟蹤系統(tǒng)間歇式運動控制方法，選取了視日運動軌跡式跟蹤系統(tǒng)控制方法，采用以PLC為控制核心的步進電機控制策略。設計并試制了單軸拋物槽式太陽能集熱裝置，包括聚光器、接收器和跟蹤機構。對聚光器支架結構、高度角、跟蹤角執(zhí)行機構進行創(chuàng)新性設計。通過對跟蹤系統(tǒng)進行實驗驗證，所研究的太陽能集熱裝置跟蹤系統(tǒng)，采用結構簡單的單軸跟蹤方式，能夠自東向西自動跟蹤太陽位置，拋物槽與地面的傾角能夠通過手動調整；具有手動和自動轉換功能；跟蹤精度達到拋物槽法平面與日地連線的適時夾角不超過3°；跟蹤系統(tǒng)以預先設定好的程序控制步進電機的工作，跟蹤系統(tǒng)人為干預小、運行可靠、使用和維護方便。在跟蹤精度要求不高或陽光充裕的西北地區(qū)具有廣闊的推廣價值和應用前景，同時也為寧夏地區(qū)研究和應用太陽能制冷空調技術起到一定的促進作用。

［1］尹丹.槽式太陽能熱發(fā)電裝置跟蹤控制系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012.

［2］廖錦城.計算機控制雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)及其偏差檢測［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

［3］楊金煥.太陽能光伏發(fā)電應用技術［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.