單軸槽式太陽(yáng)能集熱裝置跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yáng)能集熱裝置跟蹤系統(tǒng)。該跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用在夏季太陽(yáng)能制冷空調(diào)系統(tǒng)中，目的是控制太陽(yáng)能集熱裝置的運(yùn)動(dòng)，將太陽(yáng)光實(shí)時(shí)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(dòng)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(yùn)動(dòng)分析

單軸跟蹤只能在一個(gè)方向上自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)位置，跟蹤角τ的運(yùn)動(dòng)方程式為

式中：γ為太陽(yáng)光線在觀察地點(diǎn)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(yáng)光線在水平面上的投影偏離正南方的角度。γ的計(jì)算公式為

α為觀察者地點(diǎn)O與太陽(yáng)中心P的射線與其在觀察地上投影線的夾角，它表示太陽(yáng)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(shí)角ω有關(guān)。以寧夏銀川市為例，地理緯度φ為38.45°，時(shí)角ω以當(dāng)?shù)乇本r(shí)間計(jì)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(yáng)跟蹤角隨時(shí)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(shí)，跟蹤角均為0，此刻太陽(yáng)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(diǎn)，可為6-9月期間設(shè)置跟蹤起始和結(jié)束時(shí)間提供依據(jù)。

圖1 跟蹤角隨時(shí)間變化曲線

1.2 間歇運(yùn)動(dòng)控制分析

太陽(yáng)跟蹤可以采用連續(xù)和間歇跟蹤［2］兩種方法跟蹤太陽(yáng)位置，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。連續(xù)跟蹤是根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，每時(shí)每刻跟蹤太陽(yáng)位置的控制方法，這種控制方法太陽(yáng)能集熱裝置跟蹤角變化小，轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)速度低，跟蹤角執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速比大，因?yàn)閷?shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)角度變化，因此跟蹤準(zhǔn)確。但同時(shí)，控制器、驅(qū)動(dòng)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(gè)方面的基礎(chǔ)上，采用間歇跟蹤的控制方法，即每隔一定時(shí)間，集熱裝置調(diào)整跟蹤角度一次，裝置運(yùn)動(dòng)一次，間歇時(shí)間集熱裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)。這樣的跟蹤方法，可以簡(jiǎn)化跟蹤系統(tǒng)控制，減少驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)次數(shù)，增加了電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器壽命，降低了系統(tǒng)本身能耗。

本文將間隔時(shí)間取為10min，圖2是某日t時(shí)刻和t+10min時(shí)刻跟蹤角變化曲線，可以看出，相同等待時(shí)間下，跟蹤角的變化量不大，設(shè)計(jì)相同等待時(shí)間方案可行。跟蹤系統(tǒng)在t時(shí)刻跟蹤到太陽(yáng)方位角，然后靜止等待10min，但太陽(yáng)跟蹤角是隨時(shí)間變化的，所以到t+10min時(shí)刻跟蹤角已經(jīng)出現(xiàn)了偏差Δτ，Δτ=τt+10-τt。可見(jiàn)，間歇運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是跟蹤間歇時(shí)間越短，偏差將會(huì)越小，但這將會(huì)以犧牲間歇控制本身的優(yōu)越性為代價(jià)。

圖2 間歇跟蹤前后對(duì)比圖

正午t時(shí)刻跟蹤角τ=0，則10min后，若以北京時(shí)間計(jì)算ω，在9月1日這天，12：10分時(shí)，ω=15（12-12+10/60）=2.5°，φ=38.45°，日子數(shù)n為244，根據(jù)公式計(jì)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(yáng)能集熱裝置控制方法

依據(jù)本研究依托的合同項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)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(yáng)輻射密度大，因此，在跟蹤精度要求不高（集熱器法線與太陽(yáng)入射光線間的適時(shí)夾角不超過(guò)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(yùn)動(dòng)控制方法，跟蹤角每10min變化角度不大，故集熱裝置對(duì)速度要求也不高，所以控制系統(tǒng)選擇為視日運(yùn)動(dòng)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(shí)，每間隔10min計(jì)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(hào)給執(zhí)行器，控制集熱裝置按照跟蹤角τ跟蹤太陽(yáng)位置。

圖3 視日運(yùn)動(dòng)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(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，其位移量與輸入脈沖數(shù)相對(duì)應(yīng)，故不產(chǎn)生累積誤差，可以組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而又具有一定精度的控制系統(tǒng)，可通過(guò)控制跟蹤角計(jì)算誤差和傳動(dòng)誤差來(lái)提高跟蹤精度。這種跟蹤不需要對(duì)太陽(yáng)實(shí)時(shí)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，只需按照預(yù)先設(shè)定好的程序來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，所以跟蹤系統(tǒng)人為干預(yù)小，成本低，運(yùn)行可靠。跟蹤系統(tǒng)整體構(gòu)架如下：

2 單軸槽式太陽(yáng)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(yáng)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(diǎn)是只能接收太陽(yáng)直射過(guò)來(lái)光線，而對(duì)其他擴(kuò)散的光線則無(wú)法吸收，為了使集熱裝置發(fā)揮最大作用，提高太陽(yáng)光收集率，必須采用跟蹤系統(tǒng)，由跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)集熱器，利用拋物面聚光鏡把直射陽(yáng)光反射到接收器上，使集熱器主光軸始終指向太陽(yáng)，接收器收集太陽(yáng)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(dòng)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)的特點(diǎn)，因此在太陽(yáng)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(kāi)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(yáng)像的大小。因此，投射到反光鏡上的太陽(yáng)能量密度顯然和開(kāi)口寬度和焦距f有關(guān)，將其比值稱為相對(duì)光孔m，則：

研究表明，當(dāng)相對(duì)光孔m=4 3時(shí)，槽形拋物面達(dá)到最佳理論焦距［3］。據(jù)此，本設(shè)計(jì)的拋物面槽形聚光器反光鏡模型如圖7，其焦距f=181mm，開(kāi)口寬度為1 256mm，長(zhǎng)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(lái)安裝集熱管，筋板及接收器支撐焊接在主軸上，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)該軸旋轉(zhuǎn)，繼而使整個(gè)聚光器東西方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(shí)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(shí)，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(lái)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(kāi)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(yáng)方位角變化，而高度角則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式。整個(gè)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(gè)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(jì)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(yùn)動(dòng)形式，調(diào)整聚光器安裝平面相對(duì)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(yáng)入射光線90度垂直效果，故傾角β=90°-高度角。根據(jù)計(jì)算公式，每隔兩天計(jì)算出銀川6-9月正午高度角。計(jì)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(jì)時(shí)已預(yù)設(shè)10°傾角，傾角β的調(diào)整范圍設(shè)計(jì)為 10°～50°，每間隔10d手動(dòng)調(diào)整一次。高度角執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖9）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，由手輪旋轉(zhuǎn)絲杠，帶動(dòng)絲杠螺母運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(guò)程不會(huì)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(dòng)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(dòng)主軸上增加了限位擋塊和行程開(kāi)關(guān)。同時(shí)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(jì)了手動(dòng)運(yùn)行模式，手自動(dòng)模式通過(guò)轉(zhuǎn)換手柄進(jìn)行切換。跟蹤角執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案可采用齒輪傳動(dòng)，也可采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)（圖10a）用途廣泛，其具有的優(yōu)勢(shì)是使用壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)效率高、布局緊湊等，但缺陷是直齒圓柱齒輪傳動(dòng)不能自鎖，由于集熱器本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，會(huì)在無(wú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)在集熱器主軸上加配重塊6的方式可以解決這一問(wèn)題，但是這樣就會(huì)使整個(gè)集熱裝置的重量增加很多，將會(huì)額外增加電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。蝸輪蝸桿（圖10b）傳動(dòng)的特點(diǎn)是傳動(dòng)比大、傳動(dòng)穩(wěn)定、噪聲小，只可單向傳動(dòng)。利用其單向傳動(dòng)的特點(diǎn)，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形成自鎖，即可避免由于集熱器慣性過(guò)大引起的自轉(zhuǎn)，所以選擇蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式。其傳動(dòng)路線為：自動(dòng)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(dòng)方式是轉(zhuǎn)換手柄帶動(dòng)撥叉使滑移齒輪和齒輪脫離，通過(guò)手動(dòng)輪—蝸輪蝸桿（）—聚光器主軸進(jìn)行傳動(dòng)。

圖10 齒輪箱傳動(dòng)方案對(duì)比圖

綜上所述，跟蹤角執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)位置的原理是：當(dāng)太陽(yáng)光線入射至聚光器表面，根據(jù)赤緯角、時(shí)角和地理緯度計(jì)算跟蹤角，由控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪箱進(jìn)行傳動(dòng)，帶動(dòng)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(yáng)視位置跟蹤。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)適合寧夏銀川地區(qū)夏季使用的單軸槽式太陽(yáng)能集熱裝置跟蹤系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)跟蹤角變化規(guī)律及間歇式運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制方法，選取了視日運(yùn)動(dòng)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(jì)并試制了單軸拋物槽式太陽(yáng)能集熱裝置，包括聚光器、接收器和跟蹤機(jī)構(gòu)。對(duì)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(jì)。通過(guò)對(duì)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所研究的太陽(yáng)能集熱裝置跟蹤系統(tǒng)，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單軸跟蹤方式，能夠自東向西自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)位置，拋物槽與地面的傾角能夠通過(guò)手動(dòng)調(diào)整；具有手動(dòng)和自動(dòng)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(shí)夾角不超過(guò)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(yùn)行可靠、使用和維護(hù)方便。在跟蹤精度要求不高或陽(yáng)光充裕的西北地區(qū)具有廣闊的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景，同時(shí)也為寧夏地區(qū)研究和應(yīng)用太陽(yáng)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(yáng)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(jì)算機(jī)控制雙軸太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)及其偏差檢測(cè)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

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