吸附式制冷系統(tǒng)中槽式太陽能跟蹤系統(tǒng)的設計*

曹鳳梅，張紅光

(1.銀川能源學院 機械與汽車工程學院，寧夏 銀川 750105；2.寧夏伊品生物科技有限公司，寧夏 銀川 750105)

0 引 言

太陽能制冷是近幾年發(fā)展起來的一種新型太陽能利用技術。夏季，太陽能輻射量大，而同時也正處空調(diào)制冷需求高峰，使得太陽能應用在制冷技術領域在季節(jié)匹配性[1]上占據(jù)了極大優(yōu)勢，也使得利用太陽能以熱制冷技術越來越多地受到重視和發(fā)展。目前太陽能制冷技術研究的熱點是太陽能吸收式制冷、太陽能噴射式制冷和太陽能吸附式制冷。

對于吸附式制冷技術,國內(nèi)外學者作了較多的研究,主要是在對制冷效率、集熱裝置設計、集熱效率及制冷成本[2]。已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的吸附式制冷技術主要應用在冰箱、小型制冷機和小型獨立式建筑物空調(diào)[3]，但在制冷效率、產(chǎn)品成本上與傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比還不具備太大優(yōu)勢。太陽能吸附式制冷過程中，影響制冷系統(tǒng)成本和效率的3大環(huán)節(jié)是[4]：太陽能-熱能、熱能-吸附床、吸附床-傳熱。

針對太陽能-熱能環(huán)節(jié)，筆者提出一種基于南北傾斜布置東西跟蹤的單軸槽式太陽跟蹤系統(tǒng)。

1 跟蹤角度計算模型建立

本文提出的跟蹤系統(tǒng)通過建立跟蹤坐標系，求得集熱裝置跟蹤太陽位置的運動方程，編程計算太陽運動軌跡，從而使跟蹤系統(tǒng)能依靠實時數(shù)據(jù)跟隨太陽角度的變化情況，驅動電機帶動集熱裝置視太陽位置運動。

1.1 太陽入射光線

為了得到拋物槽式太陽能集熱裝置跟蹤太陽的跟蹤角度，本研究建立跟蹤坐標系及與跟蹤系統(tǒng)對應的運動控制方程。

太陽運動的幾何學模型[5]如圖1所示。

圖1 太陽運動幾何學模型α—高度角；γ—方位角；δ—赤緯角；ω—時角

(1)

(2)

(3)

由式(1，2)可以得到兩坐標系轉換后的太陽入射光線的表達式為：

(4)

比較式(1，4)后，就可以得到將高度角和方位角用赤緯角、時角和地理緯度計算的公式：

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(5)

(6)

1.2 聚光器法線

該系統(tǒng)采用拋物槽式集熱裝置，在地平坐標系中，建立和聚光器旋轉軸一致的跟蹤坐標系，并使兩坐標原點重合[6]。

跟蹤坐標系如圖2所示。

圖2 跟蹤坐標系β—聚光器旋轉軸相對水平面的傾角；N—聚光器法線方向；θ—其與太陽入射光線的夾角即入射角；τ—聚光器旋轉軸的旋轉角度

由圖2可以得到聚光器法線的向量為：

(7)

圖2中，太陽光線的入射角θ是入射光線和聚光器法線間的夾角，因此入射角為：

(8)

代入式(1)，就能求出入射角θ。

1.3 跟蹤系統(tǒng)跟蹤角計算方程

為提高太陽能集熱效率，理論上應使太陽入射光線和集熱裝置聚光面法線重合，即θ=0[7]。若采用二維全跟蹤方式，即高度角-方位角兩軸式跟蹤，使聚光器主軸的旋轉角τ反映太陽方位角運行規(guī)律，而聚光面相對水平面的傾角β反映太陽高度角運行規(guī)律；若采用一維蹤方式，只能自動跟蹤一個角度，傾角β固定或手動調(diào)整，此時跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角τ的表達式為[8]：

(9)

2 機械傳動系統(tǒng)設計

太陽能跟蹤系統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 機械傳動系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、跟蹤角傳動系統(tǒng)和高度角傳動系統(tǒng)3部分組成。其中集熱器單軸槽式南北傾斜布置，通過高度角傳動系統(tǒng)，手動調(diào)節(jié)高度傾角，以達到每天正午聚光器所在平面和太陽入射光線90°垂直效果；通過跟蹤角傳動系統(tǒng)，手/自動調(diào)整集熱器主軸東西方向旋轉，實時跟蹤太陽位置。

2.1 太陽能集熱器的設計

集熱器的主體部分是聚光用的拋物面，選擇拋物面焦距為0.5,聚光比大于4，拋物面的長度與兼做吸附床中的集熱管的長度相當，選擇長度L=700，則根據(jù)槽形拋物面最佳聚焦理論，確定拋物面的開口寬度為920。本研究選用0.4 mm鏡面不銹鋼作為反光材料。

聚光器支架為焊接結構，由筋板、連接條、接收器支撐和主軸4部分組成，其中筋板是聚光器支架結構中起支撐反光鏡、增加聚光裝置強度的重要部分。根據(jù)拋物槽形反光鏡形狀裁剪拋物形筋板，然后將反光鏡連接在整個筋板組成的拋物形面上。反光鏡和筋板的連接方式采用鉚接工藝。

2.2 跟蹤角傳動系統(tǒng)設計

跟蹤角設計的原理是：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。

本研究選用110 mmHB系列電機的配套普通行星減速器，減速比為1∶16。由此，確定跟蹤角傳動系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 跟蹤角傳動系統(tǒng)圖

跟蹤角傳動機構如圖5所示。

圖5 跟蹤角傳動機構

電機帶動聚光器在-90°～+90°可調(diào)，為防止聚光器超出跟蹤范圍發(fā)生意外，本研究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(diào)試和后期系統(tǒng)故障維修的考慮，跟蹤角傳動系統(tǒng)中設計了手動運行模式，手自動模式通過轉換手柄進行切換[9-10]。

2.3 高度角傳動系統(tǒng)設計

因跟蹤方式是單軸跟蹤，對高度角跟蹤精度要求不高，高度角跟蹤設計為手動調(diào)整。本研究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，以達到每天正午聚光器所在平面和太陽入射光線90°垂直效果[11]。

3 控制系統(tǒng)設計

本文是基于EFM8單片機的單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)，利用DS12C887時鐘芯片實現(xiàn)無電池不間斷計時功能，自動讀取實時日期時間，通過系統(tǒng)內(nèi)置算法自動計算、擬合高度角、方位角和正午時間等參數(shù)，并根據(jù)間隔時間自動計算角度差，控制步進電機調(diào)整系統(tǒng)跟蹤方位，日落后系統(tǒng)可自動歸位至初始位置等待次日太陽升起繼續(xù)調(diào)整角度。單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)可實現(xiàn)全自動7×24 h無人值守的跟蹤功能。

3.1 系統(tǒng)硬件組成

單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)由EFM8單片機、DS12C887時鐘芯片、數(shù)據(jù)存儲模塊、限位檢測模塊、驅動器接口、液晶屏接口和電源模塊組成，硬件結構如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件結構圖

系統(tǒng)選用EFM8BB31F64I作為主控制器，利用DS12C887時鐘芯片實現(xiàn)時間、日期的計數(shù)，選用觸摸液晶屏實現(xiàn)人機交互過程，通過P521光電耦合器讀取限位裝置的觸發(fā)信息。

3.2 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

3.3 系統(tǒng)顯示界面

系統(tǒng)人機交互界面分3層：初始化界面、控制界面和時間調(diào)整界面。其中初始化界面用來展示系統(tǒng)初始化過程；控制界面可以通過觸摸屏實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動、停止和復位，也可以手動調(diào)整旋轉角度；時間調(diào)整界面通過系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字鍵盤實現(xiàn)。

系統(tǒng)各層界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)各層顯示界面

4 實驗驗證

4.1 機械傳動系統(tǒng)驗證

手自動轉換手柄推至手動位，搖動手動手輪，集熱器能夠在東西方向靈活轉動；搖動絲杠手輪，集熱器和水平面傾角靈活可調(diào)。在手動速度大于40 r/min時，集熱器仍能平穩(wěn)運行，停止搖動手輪時，集熱器能迅速制動，自鎖性能好。

4.2 控制系統(tǒng)的可行性驗證

現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試

跟蹤系統(tǒng)開始運行后，控制箱控制步進電機通過減速裝置帶動槽式太陽能集熱器自東向西運轉，運轉至給定位置時，間隔時間10 s(實際10 min)，10 min后(60組脈沖完)電機反向運轉到起始位置；將正轉脈沖數(shù)增加，當碰觸到正轉限位開關時集熱器停止運動并反向運動至起始位置；增加反轉脈沖數(shù)，當碰觸到反轉限位開關時集熱器停止運動；用手自動轉換手柄切換到手動位置，可對集熱器進行手動調(diào)整。

實驗結果表明，控制系統(tǒng)能達到預期控制目標。

4.3 跟蹤系統(tǒng)精度測試及分析

為驗證跟蹤系統(tǒng)精度，筆者選擇2 000 mm×60 mm×0.5 mm的鋁板安裝在集熱器的焦線上，代替高真空集熱管來采集太陽位置信息。槽形拋物鏡面將太陽光線反射匯集在焦線上，鋁板接收器放置在焦線上。跟蹤角測試原理圖如圖10所示。

圖10 跟蹤角測試原理圖 d—光帶中心線到鋁板中心線的距離；D—鋁板中心到聚光器旋轉主軸的距離；λ角(tanλ=d/D)—反映聚光器理論位置和實際位置之間的偏差

該實驗在8月天氣晴朗條件下，對照射在鋁板上的光帶中心位置進行了多次測試，測試結果如表1所示。

表1 跟蹤系統(tǒng)精度測試數(shù)據(jù)

筆者分析表中數(shù)據(jù)，集熱器跟蹤誤差λ在±0.75°以內(nèi)，即設計的跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度在1.5°以內(nèi)。分析誤差存在的原因一方面是理論計算過程中舍棄了部分字長，將誤差帶入跟蹤角計算結果中，使跟蹤角計算誤差反映到跟蹤精度上；另一方面是控制系統(tǒng)本身的誤差，其中有機械結構誤差、齒輪、蝸桿傳動間隙造成的誤差等。

5 結束語

本研究設計的吸附式制冷系統(tǒng)中槽式太陽能跟蹤系統(tǒng)，其接收器兼做吸附式制冷系統(tǒng)的吸附床，用于制冷需求高峰而太陽輻射充足匹配性高的季節(jié)。

樣機現(xiàn)場測試表明：這種單軸拋物槽式太陽能集熱器具有操作方便、質輕、高效的特點；機械設計結構符合加工工藝性能要求，結構簡單；采用單片機控制的跟蹤系統(tǒng)可解決手動、半自動跟蹤系統(tǒng)的調(diào)整困難，精度差等問題，其自動化程度高、精度高、集熱性能好、人為干預小，適用于各類太陽能光伏發(fā)電和其他太陽能收集系統(tǒng)。