CN100565035C - 按时间控制全自动跟踪太阳的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

按时间控制全自动跟踪太阳的方法及装置,根据地球围绕太阳运转的基本规律,计算出当地当日的真太阳时与赤纬角,并由此计算出自日出到日落每间隔一定时间段太阳的仰角与方位及其所需跟踪运行时间;同时,还计算出当日和次日跟踪运行的关系,从而使当日日落后,自动返回至次日日出的方位。跟踪装置主要由仰角跟踪和方位跟踪两个驱动器构成;此二驱动器均由以微型减速电机或步进电机为动力的,由一减速齿轮副与蜗轮副组成的减速器构成;太阳能接收器通过支架固定在驱动器上;所述驱动器之电机由计算机控制作间断跟踪运行。本发明实现了真正意义上全自动,跟踪效果理想、制作容易、成本低廉、维护方便、应用范围广泛。可广泛用于太阳能产业。

Description

按时间控制全自动跟踪太阳的方法及装置
所属领域
本发明涉及一种按时间控制跟踪太阳的方法及装置,可广泛用于太阳能产业。
背景技术
一种高精度、低成本、全自动理想的太阳跟踪装置,对太阳能利用的重要意义,是从事太阳能产业的人们所共知的,例如,用于光伏发电,与固定式比较,其垂直阳光的受光面积,至少夏季可提高200%,春秋季可提高150%,冬季可提高100%,因此可大幅度降低光伏发电的成本,若与抛物面聚光器并用可获得几百度的高温等。可是,目前尽管已有各式各样(包括按时间)跟踪太阳装置的发明,但尚未见到实用的产品。
发明内容
为了克服现有的技术不足,本发明的目的是提供一种按时间控制全自动跟踪太阳的方法及利用该方法所实现的全自动跟踪太阳的装置。该方法及装置可精确跟踪太阳,效果理想,应用范围广泛。
本发明的按时间控制全自动跟踪太阳的方法是:根据地球围绕太阳运转的基本规律及有关参数在当日零时,首先计算出安装地当日之真太阳时、赤纬角、日出日落时间及与次日跟踪运行的关系,以及自日出到日落每间隔一定时间段太阳的仰角与方位,并由此再根据跟踪运转的速度分别算出各时间间隔仰角与方位所需跟踪运行时间,然后根据算得的各时间间隔所需运行时间,控制仰角跟踪与方位跟踪运行直至日落,随后方位跟踪返转运行至次日日出的方位。
前述方法中,不同的运行时间间隔与跟踪运行速度,可获得不同的跟踪精度;跟踪运行时间间隔取4分钟与其对应的跟踪运行速度为0.00521转/分,跟踪最大偏差±1°。
根据以上提出的跟踪方法,本发明提出一种按时间控制全自动跟踪太阳的装置,它采用机电一体化间断运行跟踪的技术方案,具体是:
其机械驱动部分,主要由仰角跟踪和方位跟踪两个驱动器构成;所述两个驱动器均由以微型减速电机或步进电机为动力的,由一减速齿轮付与蜗轮减速付组成的减速器构成;太阳能接收器通过支架固定在驱动器上;所述驱动器之电机由计算机控制作间断跟踪运行。仰角与方位跟踪驱动的运行速度可以相同,也可以不同。其具体结构,分为单体型和组合型两种:
单体型,包括底座、方位跟踪驱动器、仰角跟踪驱动器及太阳能接收器;方位跟踪驱动器安装在一底座上,仰角跟踪驱动器固定在方位跟踪驱动器的输出轴上,太阳能接收器通过支架固定在仰角驱动器的输出轴上。
组合型,是由若干个单体通过由一个多边形框架构成的方位跟踪驱动转盘连接组合而成,但各单体只使用一个共同的方位跟踪驱动器,该方位跟踪驱动器由微型减速电机或步进电机通过蜗轮减速付联接减速齿轮付构成,其减速齿轮付固定安装在方位跟踪驱动转盘的中心处;多个单体仰角跟踪驱动器通过支撑杆连接固定在方位跟踪驱动转盘上;多个太阳能接收器通过固定支架分别安装在各单体的仰角跟踪驱动器的输出轴上;在方位跟踪驱动转盘的下方均布设有多个导轮。
所述太阳能接收器,可以采用由槽形抛物面聚光器和位于其焦点(线)处的一根带热管的真空玻璃管组成的聚热器。
所述太阳能接收器也可以是光伏电池板。
其计算机控制部分,硬件以单片机为核心组成,它首先构成一个万年历;软件根据该万年历给出的年月日时分秒进行对太阳的跟踪运行控制。
本发明的有益效果:
1)跟踪精度高且稳定不受干扰;
2)制作成本低,一个中型装置造价不过千元左右;
3)结构紧凑、制作容易、维护方便;
4)全自动,一年365天勿须人工干预;
5)应用范围广泛。
如上所述,本发明,跟踪驱动器采用微型减速电机或步进电机与蜗轮减速,可以比较容易地获得极低的跟踪运行速度,从而在满足跟踪精度的前提下,使机械结构更加紧凑,能耗更低(每日耗电不超过0.1度甚至于更低);聚光器采用槽形抛物面,与圆形抛物面比较,具有制作容易,并可直接使用带热管的真空玻璃管作聚热器,使结构简化,制作成本降低等优点;本发明之组合型结构,解决了大型太阳能发电及加热系统诸如防风及结构设计复杂等难题,使大型发电及加热系统跟踪太阳成为可能,并且与多个独立的单体相比较,可大大减少占地面积。
在软件控制方面,本发明,在根据地球围绕太阳运转的基本规律,计算出每天的真太阳时和赤纬角,并由此计算出在足够少的时间段里跟踪太阳的仰角与方位所需运行时间,以获得高跟踪精度的同时;还计算出当日和次日跟踪运行的关系,从而在当日日落后,可自动返回至次日日出的方位,实现了真正意义上的全自动,只要不发生意外故障,任何时候都勿须人工干预。
本发明已设计成单体型与组合型,单体型又分为大、中、小三种型号。小型可安装1M2以内的光伏电池板,用于诸如路灯、庭院灯及家庭用电等发电系统;中型配有1~2M2受光面积的槽形抛物面聚光器,可用来加热水或加热导热油,若加热导热油,可提供二三百度的高温,再配备适当炉具,可烧水做饭;大型配备2~4M2受光面积的槽形抛物面聚光器,除具有中型的用途外,还可为家庭空调提供能源。组合型,根据不同型号组合,可提供几千瓦~几十千瓦能源,用来制作大型太阳能发电或供热系统,这样的供热系统,可替代小型热水锅炉,为中小单位,诸如企事业办公室、饭店、旅馆、浴池等提供热水及空调所需能源。另外,由于本发明跟踪精度高且稳定不受干扰可使用聚光型光伏电池,从而可更进一步降低发电系统的成本。
附图说明
图1为本发明单体型结构实施例结构示意图;
图2为本发明组合型结构实施例结构示意图;
图3为本发明实施例之计算机硬件构成示意图;
图4a、4b、4c、4d为本发明实施例之软件控制流程框图。
图1、2中,1方位跟踪驱动器,2仰角跟踪驱动器,3转阀,4真空玻璃管,5槽形抛物面聚光器,6转阀,7介质输入管,8介质输出管,9底座,10电机,201蜗轮减速付,202仰角跟踪驱动器,203驱动转盘,204单体安装座,205导轮,206光伏电池板,207减速齿轮付,208支撑杆,209驱动转盘组件,210电机。
具体实施例
如上所述,本发明采用机电一体化间断运行跟踪的技术方案。
图1所示为用于太阳能聚热的单体型结构实施例,其结构包括底座9、方位跟踪驱动器1、仰角跟踪驱动器2、槽形抛物面聚光器5、带热管的真空玻璃管4以及为解决硬管迴转问题而设置的转阀3、转阀6等部分。方位跟踪驱动器1设置在底座9上,在其输出轴上安装转阀6后与仰角跟踪驱动器2连接,仰角跟踪驱动器2的输出轴通过支架与槽形抛物面聚光器5连接,并在其两端各安装一转阀3。带热管的真空玻璃管4通过支架安装在槽形抛物面聚光器5的焦点(线)上。
方位跟踪驱动器1、仰角跟踪驱动器2均设有电机10,电机10连接计算机并由计算机控制。方位跟踪驱动器1在计算机的控制下作间断运行,由其输出轴带动仰角跟踪驱动器2及安装在其输出轴上的槽形抛物面聚光器5、带热管的真空玻璃管4整体作水平转动,实现对太阳的方位跟踪;同时,仰角跟踪驱动器2也在计算机的控制下间断运行,其输出轴带动槽形抛物面聚光器5与真空玻璃管4作上下转动,实现对太阳的仰角跟踪。
被加热介质从介质输入管7经转阀6、转阀3进入带热管的真空玻璃管4中加热,被加热的介质再依次经转阀3、转阀6、输出管8流向热源使用场所。
图2所示为用于太阳能发电的组合型结构实施例,它主要由一个各组成单体共用的由蜗轮减速付201和减速齿轮付207构成的方位跟踪驱动器,和一个由正六边形框架构成的方位跟踪驱动转盘203,及安装在该转盘上的六个只带一个仰角跟踪驱动器的单体,与安装在各单体仰角跟踪驱动器202的输出轴上的光伏电池板206组成。各单体共用的方位跟踪驱动器之电机通过蜗轮减速付201与减速齿轮付207连接,减速齿轮付207固定安装在正六边形驱动转盘203中心处。当该方位跟踪驱动器在计算机的控制下间断运行时,由减速齿轮付207带动驱动转盘203及各单体整体转动,同时实现各单体对太阳的方位跟踪;而各单体对太阳的仰角跟踪是由在计算机控制下的各仰角跟踪驱动器202分别实现的。各仰角跟踪驱动器202通过支撑杆208连接在各单体安装座204上。共用的方位跟踪驱动器、各仰角跟踪驱动器均设有由计算机控制的电机210。
本实施例所述方位跟踪驱动转盘203为正六边形框架与六根辐射形组件209构成,并在正六边形框架的交角处设有单体安装座204,该座的下方各安装一导轮205。该驱动转盘203的形状并不局限于正六边形框架,其他诸如正八边形之类甚至圆平板式亦可。
在上述两实施例中,单体型所用仰角跟踪驱动器与方位跟踪驱动器以及组合型所用的仰角跟踪驱动器,结构完全相同,均由微型减速电机或步进电机通过减速齿轮付联接蜗轮减速付组成;而组合型中各单体所共用的方位跟踪驱动器有所不同,它是由微型减速电机或步进电机通过蜗轮减速付连接减速齿轮付组成,而该减速齿轮付直接与方位驱动转盘连接。
上述两实施例所用的太阳能接收器(单体型中的槽形抛物面聚光器与组合型中的光伏电池板),为平衡转距,每个单体只少装两个,配置在仰角驱动轴前下方和后上方(图1图2均只示出了一个)。
由于上述两实施例的驱动功率很低(10W左右),因此所采用的蜗轮的模数均在1以下,微型减速电机的转数在2转/分以下,使驱动器的结构十分紧凑。
上述两实施例所述跟踪驱动器为常见典型机械传动结构,所采用的微型减速电机或步进电机均为市场上常见产品;所述槽形抛物面聚光器可采用铝合金低压浇铸;所述带热管的真空玻璃管制作工艺已十分成熟;所述光伏电池板为现有技术。
上述两实施例其计算机控制部分,完全相同,硬件以单片机AT89C52(53)为核心组成,它首先构成一个万年历,图3为本发明实施例之计算机硬件构成示意图。软件由三部分构成:即参数输入调整部分,计算部分,跟踪运行控制部分。
参数输入调整部分:以移动LCD光标,对万年历日期、时间及有关参数(如安装地的纬度,所在时区及经度等)作加减调整。计算部分:根据地球围绕太阳运转的基本规律及有关参数在当日零时,首先计算出安装地当日之真太阳时、赤纬角、日出日落时间及与次日跟踪运行的关系,然后自日出到日落计算出每间隔4分钟(或更短)太阳的仰角及方位,并由此再根据跟踪运转的速度算出各时间间隔所需运行时间(秒)。跟踪运行控制部分:根据计算部分算得的各时间间隔所需运行时间,控制仰角与方位跟踪运行直至日落,随后方位返转运行至次日日出的方位。其流程框图,如图4a、4b、4c、4d示。其详细计算方法属于现有一般的物理和天文知识,根据该流程框图及上述说明专业技术人员完全可自行编制能实现上述技术效果的计算控制程序。
本发明,由于采用间断运行跟踪,因此其跟踪精度与运行时间间隔以及与其对应的跟踪运行速度有关。在上述两实施例中,跟踪运行时间间隔均为4分钟与其对应的跟踪运行速度为0.00521转(1.875°)/分,可达到的跟踪精度:最大偏差在南方不超过±1°,在北方不超过±0.5°;根据跟踪精度的要求,还可再进一步降低跟踪运行速度,缩短运行时间间隔,从而获得更高的跟踪精度。

Claims (3)

1、一种按时间控制全自动跟踪太阳的装置,其特征是:装置包括一共同的方位跟踪驱动器,该方位跟踪驱动器由微型减速电机或步进电机通过蜗轮减速付联接减速齿轮付构成,其减速齿轮付固定安装在一方位跟踪驱动转盘中心处;多个由微型减速电机或步进电机通过减速齿轮付联接蜗轮减速付构成的单体仰角跟踪驱动器通过支撑杆连接固定在方位跟踪驱动转盘上;多个太阳能接收器通过固定支架分别安装在各单体的仰角跟踪驱动器的输出轴上;在方位跟踪驱动转盘的下方均布设有多个导轮。
2、根据权利要求1所述的按时间控制全自动跟踪太阳的装置,其特征是:所述的太阳能接收器采用由槽形抛物面聚光器和位于其焦点或线处的一根带热管的真空玻璃管组成的聚热器。
3、根据权利要求1所述的按时间控制全自动跟踪太阳的装置,其特征是:所述的太阳能接收器使用光伏电池板。
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