單軸槽式太陽能集熱裝置跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

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(yīng)用在夏季太陽能制冷空調(diào)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(diào)系統(tǒng)提供充足的熱量，驅(qū)動空調(diào)制冷系統(tǒng)，達(dá)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(fù)，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(guān)。以寧夏銀川市為例，地理緯度φ為38.45°，時角ω以當(dāng)?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(qiáng)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(shè)置跟蹤起始和結(jié)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(jìn)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(zhuǎn)軸運動速度低，跟蹤角執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速比大，因為實時跟蹤太陽角度變化，因此跟蹤準(zhǔn)確。但同時，控制器、驅(qū)動機(jī)構(gòu)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(chǔ)上，采用間歇跟蹤的控制方法，即每隔一定時間，集熱裝置調(diào)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?fàn)顟B(tài)。這樣的跟蹤方法，可以簡化跟蹤系統(tǒng)控制，減少驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動次數(shù)，增加了電機(jī)和驅(qū)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(shè)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(shè)計的集熱裝置應(yīng)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(jìn)電機(jī)，則步進(jìn)電機(jī)就可以和數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，其位移量與輸入脈沖數(shù)相對應(yīng)，故不產(chǎn)生累積誤差，可以組成結(jié)構(gòu)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(jìn)行監(jiān)測，只需按照預(yù)先設(shè)定好的程序來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，所以跟蹤系統(tǒng)人為干預(yù)小，成本低，運行可靠。跟蹤系統(tǒng)整體構(gòu)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(gòu)架

集熱裝置應(yīng)用于太陽能制冷空調(diào)的跟蹤系統(tǒng)，集熱裝置整體結(jié)構(gòu)如下圖5所示，它由聚光器、接收器和跟蹤機(jī)構(gòu)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(kuò)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(qū)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(zhì)，使介質(zhì)變成高溫高壓蒸汽或高溫高壓熱氣體，驅(qū)動制冷系統(tǒng)工作，達(dá)到以熱制冷的目的。

圖5 集熱裝置整體結(jié)構(gòu)

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(guān)，將其比值稱為相對光孔m，則：

研究表明，當(dāng)相對光孔m=4 3時，槽形拋物面達(dá)到最佳理論焦距［3］。據(jù)此，本設(shè)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(jié)構(gòu)輕便又能有較高的整體剛度，聚光器支架為焊接結(jié)構(gòu)，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(jī)帶動該軸旋轉(zhuǎn)，繼而使整個聚光器東西方向做旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

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(cè)加連接條的同時，在拋物形側(cè)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(fù)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(bǔ)償玻璃罩管和金屬接收管之間因材料不同而產(chǎn)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(jī)構(gòu)

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(zhuǎn)反映太陽方位角變化，而高度角則通過手動調(diào)節(jié)的方式。整個跟蹤機(jī)構(gòu)包括：底座、高度角執(zhí)行機(jī)構(gòu)和跟蹤角執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2.1 底座

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

2.2.2 高度角執(zhí)行機(jī)構(gòu)

采用絲杠螺母副的運動形式，調(diào)整聚光器安裝平面相對水平面的傾角β，以達(dá)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(jié)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(shè)計時已預(yù)設(shè)10°傾角，傾角β的調(diào)整范圍設(shè)計為 10°～50°，每間隔10d手動調(diào)整一次。高度角執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖9）設(shè)計簡單，由手輪旋轉(zhuǎn)絲杠，帶動絲杠螺母運動，達(dá)到調(diào)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(jī)構(gòu)使高度角靈活可調(diào)，并且調(diào)節(jié)過程不會影響聚光器的旋轉(zhuǎn)角度。

圖9 高度角調(diào)整機(jī)構(gòu)

2.2.3 跟蹤角執(zhí)行機(jī)構(gòu)

聚光器繞主軸旋轉(zhuǎn)，由控制系統(tǒng)自動控制跟蹤角，達(dá)到精準(zhǔn)跟蹤的目的。跟蹤角在-90°～+90°可調(diào)，為防止聚光器超出跟蹤范圍發(fā)生意外，轉(zhuǎn)動主軸上增加了限位擋塊和行程開關(guān)。同時基于系統(tǒng)安裝初期調(diào)試和后期系統(tǒng)故障維修的考慮，跟蹤角執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計了手動運行模式，手自動模式通過轉(zhuǎn)換手柄進(jìn)行切換。跟蹤角執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動慣量大，會在無電機(jī)驅(qū)動的情況下，集熱器自身由于慣性發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)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(jī)的驅(qū)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(jī)構(gòu)形成自鎖，即可避免由于集熱器慣性過大引起的自轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(jìn)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(jī)構(gòu)實現(xiàn)自動跟蹤太陽位置的原理是：當(dāng)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(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪箱進(jìn)行傳動，帶動聚光器主軸旋轉(zhuǎn)，繼而使聚光器東西方向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行太陽視位置跟蹤。

3 結(jié)論

本設(shè)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(jìn)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(jìn)電機(jī)控制策略。設(shè)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(jī)構(gòu)。對聚光器支架結(jié)構(gòu)、高度角、跟蹤角執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計。通過對跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證，所研究的太陽能集熱裝置跟蹤系統(tǒng)，采用結(jié)構(gòu)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(diào)整；具有手動和自動轉(zhuǎn)換功能；跟蹤精度達(dá)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(yù)先設(shè)定好的程序控制步進(jìn)電機(jī)的工作，跟蹤系統(tǒng)人為干預(yù)小、運行可靠、使用和維護(hù)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(yīng)用前景，同時也為寧夏地區(qū)研究和應(yīng)用太陽能制冷空調(diào)技術(shù)起到一定的促進(jìn)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(xué)，2012.

［2］廖錦城.計算機(jī)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(xué)，2008.

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