畢業(yè)設(shè)計太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 種太陽能熱水器的吸熱板南北放置，其傾角可按不同季節(jié)通過手動調(diào)節(jié)。為了取得太陽的偏移信號，在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時角的跟蹤傳感器。當太陽偏 移時，兩根空氣管受太陽的照射不同，管內(nèi)產(chǎn)生壓差，當壓力達到一定的數(shù)值時，壓差執(zhí)行器就發(fā)出跟蹤信號，用壓力為。 .IMPa 的自來水作為跟蹤動力 若無自來水，可裝一只容積為 ZL 的壓力水箱 。帶動鏡面跟蹤太陽 .當鏡面對準太陽時，管內(nèi)壓力平衡，壓差執(zhí)行器又發(fā)出停止跟蹤信號 .這種跟蹤器的跟蹤靈敏度高，每大當太陽剛升起 35 分鐘后，鏡面即跟蹤對準太陽。 與此相類似的太陽跟蹤裝置還有重力差式跟蹤器和液壓式跟蹤器。 重力差式跟蹤器是 1799 年美國公布的一項專利。跟蹤器是裝在太陽能利用裝置樞軸兩側(cè)的一對裝有低沸點液體的密閉容器 。其中的液體 如氟里昂 R 一 12 可以互相流通。在容器的適當位置裝有太陽能擋板，只有在裝置對準太陽時，太陽輻射能才可等量地照射到兩個容器上。否則一個容器接收的輻射能便較另一個容器多，從而導(dǎo)致液體蒸發(fā)上的差異，使容器內(nèi)的壓力不同，于是液體便流向壓力低的容器。液體多的容器重量增加，使裝置傾斜而跟蹤太陽，直至對準時為止。整個裝置的重心低于樞軸，以防容器完全翻轉(zhuǎn)。這種太陽跟蹤器在夜間能自動返回原來的位置。因為日落后空氣變冷，并且容器內(nèi)液體冷卻速度預(yù)先己經(jīng)調(diào)整，東面容器比西面容器冷卻得快，其內(nèi)壓力下降也快，于是東邊變重 ，使整個裝置向東傾斜，以待日出。要使兩個容器冷卻速度不同，方法很多，例如可把東邊容器的一部分表面涂上熱輻射率高的涂料，或者把西邊容器的一部分表面加設(shè)絕熱層等等。 簡易液壓式跟蹤器的工作原理與以上兩種基本相似 .太陽的相對位置信號由跟蹤器平板兩側(cè)遮光板下方南北向安裝的溫度傳感器 黑管 所接受。黑管內(nèi)充有低沸點的液體物質(zhì)，在常溫下，部分液體汽化形成飽和蒸汽，同時產(chǎn)生一定的飽和蒸汽壓，通過膠管驅(qū)動雙桿雙作用液壓缸運動，達到自動跟蹤目的。當太陽正對跟蹤器平板時，兩黑管的受熱面積 投影面 相等，黑管保持同樣的受熱狀態(tài)，液壓缸活塞的兩側(cè)受力處于平衡狀態(tài)，跟蹤器平板靜止不動。 當太陽光線向西偏移一個角度時，遮光板使黑管的受熱面積發(fā)生變化，右黑管將被遮光板遮住一部分，受熱面積改變，而左黑管的受熱面積不變，僅是位置發(fā)生了變化。由于兩黑管的受熱情況不同，產(chǎn)生壓力差，左側(cè)黑管所接液壓缸一側(cè)的壓力增大，推動活塞上移，帶動跟蹤器平板繞中間支點逆時針轉(zhuǎn)動，使跟蹤器平板隨太陽在空間位置的變化自東向西跟蹤集熱，直到日落西山。第二天早上日出東方，曬熱右側(cè)黑管，液壓缸帶動跟蹤器迅速做順時針轉(zhuǎn)動，重新對準太陽集熱。 這種跟蹤器在實際中應(yīng)用很廣，其主 要的優(yōu)點是 :結(jié)構(gòu)比較簡單，制作費用低，純機械式，不需電子控制部分及外接電源。缺點是沒有足夠的工作空間，而且一般只用于單軸跟蹤，不能完成自動對太陽往返于南北回歸線之間運動的跟蹤，只能每隔一段時間，重新對準陽光，因此精度比較低。 （ 4）控放式太陽跟蹤裝置。控放式太陽跟蹤裝置對太陽方位角進行單向跟蹤，操作時，在太陽能接受面板西側(cè)安放一偏重，作為太陽能接受面板向西轉(zhuǎn)動的動力，并利用控放式自動跟隨裝置對此動力的釋放加以控制，使鏡面隨著太陽的西偏而轉(zhuǎn)動。這種把原動力與控制部件分離的方法，可以簡化控制裝置的結(jié)構(gòu)，減少能量 消耗 面板的轉(zhuǎn)動動能來源于偏重的勢能 ，為不用外接電源創(chuàng)造了條件。 控放式太陽跟蹤裝置由配重塊、彈簧、杠桿、制動裝置、電磁鐵等部分組成。工作原理是 :由于在集熱裝置的西側(cè)裝有配重塊，在重力的作用下，集熱裝置便會繞主軸自東向西轉(zhuǎn)動。重力的控放由彈簧通過制動裝置和杠桿來實現(xiàn)。彈簧則由電磁鐵控制。電磁鐵的動力又由硅太陽能電池板供給。電池裝在集熱裝置的上方，前面設(shè)有遮光板，當集熱裝置對準太陽時恰好遮住陽光，使太陽能電池處于陰影區(qū)。一但太陽西移，遮光板的陰影隨之移動，太陽能電池便受到陽光照射，輸出一定數(shù)值的電流，從而發(fā) 出偏移信號。信號經(jīng)放大，使高靈敏的繼電器動作，并通過執(zhí)行繼電器控制電磁鐵吸合，于是制動裝置松開，集熱裝置向西旋轉(zhuǎn)，直至對準陽光。此時遮光板又重新?lián)踝￡柟猓柲茈姵剡M入陰影區(qū)，電磁鐵釋放，完成跟蹤。為了保證跟蹤系統(tǒng)在多云大氣下也能可靠地工作，光電控制線路中還增加了一組多諧振蕩器。因多云天氣太陽被云層遮擋的時 aJ 較長，跟蹤器常因失去目標而停止動作。當太陽重新出現(xiàn)時，集熱裝置必須作大角度的旋轉(zhuǎn)才能跟上太陽。由于系統(tǒng)的慣性很大，如不采取措施往往會跟蹤過頭，產(chǎn)生較大的誤差 .有了多諧振蕩器后，不管轉(zhuǎn)多大的角度，電磁 鐵始終按照吸合一釋放一吸合一釋放的間歇方式動作，集熱裝置逐步向西旋轉(zhuǎn)，直至追上太陽。當集熱裝置轉(zhuǎn)至西邊的極限位置時，觸動極限開關(guān)，切斷控制系統(tǒng)的電源 .第二天，只要將集熱裝置人工轉(zhuǎn)至向東的位置，便可開始新的跟蹤。控放式跟蹤器適合于聚光型的集熱裝置，如聚光型熱水器、太陽灶等。其優(yōu)點是實時跟蹤，成本低廉，不用外接電源，使收集到的能源充分轉(zhuǎn)化利用。其缺點是機構(gòu)只能做成單軸跟蹤器，不能自動復(fù)位 除非另外加復(fù)位機構(gòu) 因而不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求 。雖然采用多諧振動器，仍然存在著跟蹤過度的情況。 （ 5）光電式太陽跟蹤 裝置。光電式太陽跟蹤裝置使用光敏傳感器來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當偏差超過一個閉值時，執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整集熱裝置的位置，直到使太陽光線與集熱裝置光軸重新平行，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。與前兩種跟蹤裝置相比，光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實現(xiàn)，受到普遍關(guān)注，其工作原理如圖 所示。目前，典型的光電式太陽跟蹤裝置有比較控制式和“多元法”兩種。 圖 比較式太陽跟蹤系統(tǒng)得傳感器外形圖 比較控制式太陽跟蹤裝置。設(shè)置一個圓筒形外殼，在圓筒外部，東、南、西、北四個方向 上分別布置 4 只光電阻 。其中一對光電阻 PI， P3 東西對稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度即方位角 。另一對光電阻 PZ， P4 南北對稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角 。在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個方向上也分別布置 4 只光電阻 。其中一對光電阻 PS， P7 東西對稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度 。另一對光電阻 P6， PS 南北對稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽的視高度，傳感器外形如圖 所示。 該跟蹤裝置對太陽的高度角和方位角進行雙軸跟 蹤，現(xiàn)在單獨研究對方位角進行跟蹤的工作原理，假設(shè)太陽的高度角是不變的，即假設(shè)圓筒是始終在高度方向?qū)侍柕摹．斕柟饩€以與傳感器板垂直的方向照射到傳感器上，兩組光電阻 PI， P3 ， P5， P7 接收到的光照度相同，比較電路的輸出值為零。當太陽光偏離垂直方向一個較小的角度時 Pl， P3 這一對光電阻可能受環(huán)境散射光的影響，不會反應(yīng)出太陽光線的變化 。而 PS， P7 這一對光電阻受到了圓筒對環(huán)境散射光的屏蔽保護，它們接收的照度會出現(xiàn)差值，這就是偏離信號。該信號經(jīng)放大后送入控制單元，控制單元開始工作，控制自動跟蹤 器調(diào)整太陽光接收裝置的角度，直到太陽光接收裝置對準太陽。當太陽光偏離了一個較大的角度時 陰雨天或者烏云過后 ，筒內(nèi)的傳感器可能接收不到太陽光，筒外的傳感器就能反應(yīng)出照度差值，該信號經(jīng)放大后送入控制單元，控制跟蹤器開始工作。高度角的跟蹤基本原理及工作方式雷同。 為了使傳感器準確的跟蹤太陽運動，首先要通過試驗找出較為合適的光敏電阻。當光敏電阻的阻值較小的時候，光電阻在太陽照射下可能會很快達到飽和狀態(tài)，此時采集的信號就失真，不能正確反應(yīng)太陽光線的變化情況，會影響到跟蹤效果，跟蹤精度因此降低。但提高光敏電阻的阻值， 使得相應(yīng)的供電電源的電壓要變大才能驅(qū)動跟蹤器，提高了能耗及其成本。其次要設(shè)計長度合適的圓筒。理論上講，圓筒的長度越長，跟蹤器的精度就越高。隨著圓筒的增長，內(nèi)部兩個光電阻同時接受太陽光照的太陽光偏離角度的范圍會變小 。假設(shè)圓筒內(nèi)部兩個光電阻同時直接受到太陽光照射的情況下，長圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為 A，如圖 所示，即太陽光線的偏離角度在 A 的范圍內(nèi)，長圓筒內(nèi)部的兩個光敏電阻不會出現(xiàn)照度差 。短圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為 B，如圖 所示，即太陽光線的偏離角度在 B 的范圍內(nèi)，短圓筒內(nèi)部的兩個光敏電 阻不會出現(xiàn)照度差。當使用長圓筒時，假設(shè)太陽光線偏離一個超出了范圍 A 又在 B 的范圍內(nèi)的角度，如圖 ，所示因為偏離角度超過了范圍 A，圓筒內(nèi)部兩個光電阻產(chǎn)生了照度差值，該信號經(jīng)過處理放大，控制跟蹤器跟蹤上太陽；如果此時使用較短圓筒，偏離角度在 B 的范圍內(nèi)則不會使內(nèi)部兩個光電阻產(chǎn)生照度差，系統(tǒng)不會進行跟蹤，因此此時系統(tǒng)的精度高于使用短圓筒的情況。太陽光線偏離角度在一個較大范圍內(nèi)時，長圓筒內(nèi)部的兩個光敏電阻不會出現(xiàn)照度差，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽光線的角度變化。 圖 不同長度圓筒的太陽光偏離角度方位示意圖 圖 “多元法”太陽跟蹤裝置得傳感器結(jié)構(gòu) “多元法”太陽跟蹤裝置。“多元法”太陽跟蹤裝置的傳感器結(jié)構(gòu)如圖 所示。正中央的光敏電阻與接收面垂直， Aa， Bb， Cc， Dd，助， Ff 將圓分成 12 等份，它們分別代表單方向定位裝置。單方向定位裝置由 5 個光敏電阻按一定的排列方式鑲嵌在半圓柱體上，如圖 所示。“多元法”太陽定位裝置由 6 個單方向定位裝置構(gòu)成，并且它們共用正中央的光敏電阻。例如，當光照在左邊第 1個光敏電阻上時電機帶動定位裝置向逆時針方向轉(zhuǎn)動一定角度，光從左邊第 1個光敏電阻離開并照在左邊第 2 個光敏電阻上，電機帶動定位裝置又向逆時針方向轉(zhuǎn)動相同的角度，這時光照在正中央的光敏電阻上，光垂直照在定位裝置上，電機停轉(zhuǎn) .這種跟蹤裝置通過在半球狀傳感器上設(shè)置多個光敏電阻，提高了對太陽定位的速度，避免了為尋找太陽方位傳感器的重復(fù)擺動，但是設(shè)計比較復(fù)雜，而且由于每兩個光敏電阻的間隔造成其不能連續(xù)監(jiān)測和跟蹤太陽位置的變化，跟蹤精度有限。 （ 6）用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置。 太陽跟蹤裝置除了用作太陽能利用裝置以外，還常用于天文臺和氣象臺對太陽活動的跟蹤觀察。隨著天體光學的發(fā)展，十九世紀中葉之后，相繼出現(xiàn)了 折軸望遠鏡、定日鏡、定天鏡等。這些裝置靠互相垂直的兩條軸旋轉(zhuǎn)跟蹤天體，最常用的兩軸裝置有地平式和赤道式兩種。自人造天體發(fā)射后又出現(xiàn)了三軸、四軸式跟蹤器。這些跟蹤器主要分為兩類 :一類是望遠式，它接受太陽的垂直入射 。另一類是定日式，它將太陽光反射到所設(shè)計的固定方向，太陽作周日視運動，赤道裝置繞極軸按周日角速度勻速運動，抵消地球自轉(zhuǎn)，使儀器法向保持指向天球某一固定的赤經(jīng)方向，緯軸則保證儀器法向的赤緯和太陽赤緯相同，實現(xiàn)跟蹤。這種跟蹤裝置主要應(yīng)用于科研，因此最應(yīng)保證的是機構(gòu)的精度，其造價相對也比較昂貴。 未來的太陽 跟蹤裝置應(yīng)采用全自動跟蹤陣。全自動太陽跟蹤裝置根據(jù)地平坐標、雙軸跟蹤原理，機構(gòu)設(shè)計朝著高精度，大范圍跟蹤方向發(fā)展，在有限的接受面積上最充分的應(yīng)用太陽能，降低裝置的成本 。控制采用光、機、電一體化技術(shù)，通過對太陽光強弱的檢測，實現(xiàn)對太陽的全自動跟蹤，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、電信、氣象等領(lǐng)域中。裝置由光敏探頭檢測太陽光強，通過跟蹤控制器，采用模擬壓差比較原理進行比較，發(fā)出命令，驅(qū)動機械部分轉(zhuǎn)動。限位裝置有東、兩、上、下四個極限限位功能，跟蹤精度高，范圍寬，有自動返回功能。計算機測控系統(tǒng)實現(xiàn)了對充電電壓，充電電流，跟蹤光 強、風速、電瓶溫度等模擬量進行采集、處理、顯示和打印，根據(jù)各模擬量的瞬時值，實現(xiàn)防風，報警控制，蓄電池的充電、放電和分級控制等功能，對設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理。 （ 7）地平坐標系跟蹤方法的應(yīng)用 國家太陽能檢測中心開發(fā)了一套太陽集熱器性能測試系統(tǒng)，其中就包括了太陽跟蹤器。該中心在集熱器性能測試試驗中，要求集熱器采光面始終垂直太陽光線，入射角偏差不超過 5176。，因此需要對太陽進行實時跟蹤。該跟蹤器采用地平坐標系跟蹤方式，主要由水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、垂直回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、兩臺步進電機以及集熱器臺架組成。集熱器固定在臺架平面上 。水平轉(zhuǎn)臺相當于 集熱器的方位軸，由一臺步進電機驅(qū)動，繞垂直于當?shù)厮矫娴妮S旋轉(zhuǎn)，用以跟蹤太陽的方位角，其控制流程為 :步進電機一諧波減速器 降速增矩、角度細分 一水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺。減速器的傳動比為 1:120，電機轉(zhuǎn)動 120176。時水平轉(zhuǎn)臺相應(yīng)轉(zhuǎn)動 1176。，以步進電機 的步距角計算，當水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動 1176。時，步進電機發(fā)出 120176。 / 個脈沖，山此可以計算集熱器方位角為 a 時步進電機發(fā)出的脈沖數(shù)為 120a/ 個 。另一臺步進電機驅(qū)動同步帶輪帶動絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，使絲杠進行直線運動，相當于改變俯仰軸轉(zhuǎn)角用以改變集熱器的傾斜度，從而跟蹤 太陽的高度角，其控制流程為 :步進電機一同步帶輪 傳遞動力卜絲杠螺母 旋轉(zhuǎn)運動 一絲杠 直線運動 。同步帶輪與絲杠的傳動比為 2:1，當步進電機轉(zhuǎn)動 1 圈即 360176。時絲杠螺母轉(zhuǎn)動半圈，絲杠相應(yīng)走過 3rn 們 n，由此通過集熱器臺架的傾角變化計算出絲杠直線運動的距離，再經(jīng)過傳動比換算出步進電機應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，根據(jù) 176。的步距角就可以算出相應(yīng)的脈沖數(shù)。跟蹤器的結(jié)構(gòu)示意見圖 。該裝置是檢測中心作試驗用的，試驗主程序流程如圖 所示。每當試驗時，跟蹤器在跟蹤太陽前先得讓方位軸和俯仰軸自動回零 。然后根據(jù)太陽當前位置 從零點處自動快速指向太陽 。接著每間隔一定時間，自動調(diào)整一次集熱器的位置，使其采光面垂直于太陽光線，實現(xiàn)實時太陽跟蹤。自動跟蹤子程序流程見圖 。其中， 2 軸為俯仰軸， X 軸為方位軸。由