CN104793639A - 极轴坐标系蝶式发电双轴跟踪结构的控制方法 - Google Patents
极轴坐标系蝶式发电双轴跟踪结构的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种极轴坐标系碟式发电双轴跟踪结构的控制方法,属于太阳能发电技术领域,特征是在于其结构的控制方法是:(1)设定初始值;(2)计算n、δ;(3)计算ωsr、ωss、tss、tsr;(4)计算tz,tz≥tsr,是,执行(5),否,返回(4);(5)天阴,是,返回(5),否,执行(6);(6)碰到限位开关,是,结构停止,否,执行(7);(7)计算γs,调整αs、γs,执行(8);(8)比较R2、R2'、R2”、R2”',R2=R2'=R2”=R2”',是,保持αs、γs,执行(13),否,执行(9);(9)R2≠R2'≠R2”≠R2”',是,依次调整αs、γs,执行(13),否,执行(10);(10)R2=R2'≠R2”=R2”',是,调整αs,执行(13),否,执行(11);(11)R2=R2”≠R2'=R2”',是,结合S调整γs,执行(13),否,执行(12);(12)寻找Rmin,依次调整αs、γs,执行(13);(13)Δt结束,是,执行(14),否,返回(13);(14)tz≥tss,是,结构停止;否,执行(5)。
Description
技术领域
本发明属于太阳能发电技术领域,具体涉及一种蝶式发电双轴跟踪结构的控制方法。
背景技术
目前,可再生能源的开发和利用日益得到各国政府的关注,在不久的将来将太阳能转换成电能具有很大的开发潜力。据2004年欧盟联合研究中心预测,到本世纪末,太阳能的应用在整个世界能源供应中的比率将超过70%。现有的碟式发电双轴跟踪结构(以下将简称为“结构”)大多是基于地平坐标系的双轴跟踪方式,大都没有考虑太阳日升方位角、日落方位角、当地经度与时区经度间的经度差、太阳时角和真太阳时角间的误差等因素对太阳位置判断的影响,导致结构跟踪效率变差,碟式发电结构输出效率降低;此外,基于地平坐标系的双轴跟踪方式由于要不断地跟踪太阳高度角、方位角,导致两个步进电机不断工作,降低了使用寿命,增加了维护量;同时由于结构运行和公式计算误差导致预测太阳位置与实际太阳位置存在偏差。因此研究提供一种基于极轴坐标系的碟式发电双轴跟踪结构的控制方法是非常有益和十分必要的。
发明内容
本发明目的是提供一种极轴坐标系碟式发电双轴跟踪结构的控制方法,可有效地提高碟式发电结构跟踪精度。
本发明是这样实现的,如图1所示,极轴坐标系碟式发电双轴跟踪结构包括有顶部安装的多面镜子1、第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2'、2”、2”'、镜子支架3、斯特林发电机4、发电机支架5、上部支架6、上部丝杆轴7、上部蜗轮蜗杆减速器8、上部步进电机9、上部支撑平台11、倾斜丝杆轴12、倾斜轴步进电机13、倾斜轴蜗轮蜗杆减速器14、倾斜平台16、下部轴承座17、摆动支杆18、下部支座22、底座23、移动轴承座26;其结构是可移动轴承座26通过定位螺钉27调整在底座23上的滑动轨道25内的位置,摆动支杆18上端通过上部支撑销轴20与固定在倾斜平台16上的固定支座19相铰接,摆动支杆18下端通过下部支撑销轴20”与可移动轴承座26相铰接,下部支座22固定在底座23上,下部支座22的上部通过中部支撑销轴20'与固定在倾斜平台16下面的下部轴承座17相铰接,安装在倾斜平台16上的倾斜轴步进电机13和倾斜轴蜗轮蜗杆减速器14带动的倾斜丝杆轴12转动,倾斜丝杆轴12通过上下轴承座10、10’安装在倾斜平台16上,在倾斜平台16上面安装有对上部支撑平台11起限位作用的限位开关15,上部支撑平台11的下部通过轴向通孔601与倾斜丝杆轴12固定连接,倾斜丝杆轴12的下端安装有编码器28,上部蜗轮蜗杆减速器8和上部步进电机9安装在上部支撑平台11上,上部支架6通过横向通孔602与通过上部蜗轮蜗杆减速器8和上部步进电机9带动的上部丝杆轴7固定连接,镜子支架3安装在上部支架6上,镜子支架3上安装有多面镜子1,在多面镜子1的组合体的四角处分别安装有第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2'、2”、2”',顶部安装有斯特林发电机4的发电机支架5的底部与镜子支架3固定连接,多面镜子1上的光线汇聚到斯特林发电机4上。本发明特征在于对上述结构的控制方法是:
首先通过调节移动轴承座26在滑动轨道25内的位置确定摆动支杆18与地平面的夹角为θ=φ,φ是当地维度。判断某一天是一年中的第n天,n为正整数,根据式(1)计算出太阳赤纬角δ,则上部支架6与地面的倾角αs可由式(2)得到,式(2)中的正负号取春夏为正,秋冬为负,太阳方位角γs可由式(3)得到:
αs=θ±δ (2)
其中ω是太阳时角,中午12点为0°,上午为负,下午为正,每小时的时角为15°。
由于地球围绕太阳的运行轨道是椭圆形轨道,因此真太阳时角ωz与太阳时角ω间存在误差,真太阳时角ωz可由式(4)、(5)、(6)得到,然后将式(3)中的太阳时角ω用真太阳时角ωz代替:
E=9.87sin 2B-7.53cos B-1.5sin B (5)
其中由式(7)得到时钟时间t,t=12点时ω=0,L为当地的经度,Ls为当地标准时间所在地的经度,由于我国位于东半球,所以式(4)中的正负号应取正号,则真太阳时间tz可由式(8)得到:
每天的日出和日落的方位角可由式(9)得到,其中日出方位角ωsr=-ωs,日落方位角ωss=ωs,则每天的日出日落时刻可由式(10)和(11)得到:
ωs=arccos(-tanφtanδ) (9)
由于公式计算和结构运行都会存在误差,此外,结构在运行过程中可能会部分遮敝,因此,在镜面1四个顶角上安装有第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2'、2”、2”',在倾斜丝杆轴12上安装有编码器28,分别对第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2'、2”、2”'的电阻值R2、R2'、R2”、R2”'进行比较:
如果,R2=R2'=R2”=R2”',则说明无极轴误差且碟式结构没有被部分遮蔽;
如果R2≠R2'≠R2”≠R2”',则说明上部支架6与地面的倾角αs和结构的太阳方位角γs均有误差,首先通过上部蜗轮蜗杆减速器8和上部步进电机9调整上部支架6与地面的倾角αs使得R2=R2”、R2'=R2”',然后结合编码器28的角度信号S,通过倾斜轴步进电机13和倾斜轴蜗轮蜗杆减速器14调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'、R2”=R2”',即R2=R2'=R2”=R2”';
如果R2≠R2”,但R2=R2'和R2”=R2”',则说明上部支架6与地面的倾角αs有误,判断R2与R2”的大小,使上部支架6与地面的倾角αs向电阻值小的一侧运行,直到R2=R2'=R2”=R2”';
如果,R2≠R2',但R2=R2”和R2'=R2”',则说明结构的太阳方位角γs有误,判断R2与R2'的大小,使结构的太阳方位角γs向电阻值小的一侧运行,结合编码器28的角度信号S,使得R2=R2'=R2”=R2”';
如果,突然出现四个光敏电阻值中三个相等,一个不等的情况(例如R2=R2'=R2”≠R2”'),则说明出现了部分遮蔽情况,判断四个电阻值那个最小,使上部支架6与地面的倾角αs和结构的太阳方位角γs向电阻值最小的一侧运行,首先调整上部支架6与地面的倾角αs使得R2=R2”、R2'=R2”',然后结合编码器28的角度信号S,调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'、R2”=R2”',即R2=R2'=R2”=R2”'。
为了防止误动作对结构的损害,在倾斜平台16上安装有限位开关15、当上部蜗轮蜗杆减速器8碰到限位开关15,结构停止。
上述控制方法的实施步骤如图4所示,是:
步骤一、根据结构精度要求确定结构最小运行角度Δ,确定每次运行间隔时间Δt,当地经度L和维度φ,当地标准时间所在地的经度Ls,确定摆动支杆18与地平面的夹角为θ,采样编码器28的角度信号S;
步骤二、计算某一天在一年中的第n天,由公式(1)计算出当天的太阳赤纬角δ;
步骤三、根据太阳赤纬角δ和当地维度φ,由公式(2)得到上部支架6与地面的倾角αs,由公式(9)得到当天的日出方位角ωsr和日落方位角ωss,由公式(10)和(11)得到当天的日出时刻tsr和日落时刻tss;
步骤四、根据时钟时间由公式(8)计算真太阳时间tz,判断真太阳时间tz是否大于等于日出时刻tsr,是,执行步骤五;否,返回步骤四;
步骤五、根据第一、第二、第三、第四光敏传感器判断是否阴天,是,返回步骤五;否,执行步骤六;
步骤六、判断是否碰到了限位开关15,是,结构停止,否,执行步骤七;
步骤七、根据真太阳时间由公式(3)计算出太阳方位角γs,根据Δ调整上部支架6与地面的倾角αs和结构的太阳方位角γs,执行步骤八;
步骤八、比较R2、R2'、R2”、R2”',判断R2=R2'=R2”=R2”',是,保持上部支架6与地面的倾角αs和结构的太阳方位角γs,执行步骤十三;否,执行步骤九;
步骤九、判断R2≠R2'≠R2”≠R2”',是,根据Δ,依次调整上部支架6与地面的倾角αs使得R2=R2”、R2'=R2”',然后结合编码器28的角度信号S,调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'、R2”=R2”',执行步骤十三;否,执行步骤十;
步骤十、判断是否R2=R2'≠R2”=R2”',是,根据Δ调整上部支架6与地面的倾角αs使得R2=R2'=R2”=R2”',执行步骤十三;否,执行步骤十一;
步骤十一、判断是否R2=R2”≠R2'=R2”',是,结合编码器28的角度信号S,根据Δ调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'=R2”=R2”',执行步骤十三;否,执行步骤十二;
步骤十二、寻找最小阻值Rmin,根据Δ调整上部支架6与地面的倾角αs使得R2=R2”、R2'=R2”',然后结合编码器28的角度信号S,调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'=R2”=R2”',执行步骤十三;
步骤十三、判断运行间隔时间Δt是否结束,是,执行步骤十四;否,等待行间隔时间Δt结束,返回步骤十三;
步骤十四、判断真太阳时间tz是否大于等于日落时刻,是,结构停止,否,返回执行步骤五;
本发明与现有技术相比,具有以下优点和积极效果:①与现有技术比较,由于控制方法中的结构采用了极轴坐标结构,可以减少结构在极轴方向的运行次数,延长了结构寿命;②由于在结构上安装了第一、第二、第三、第四光敏传感器和编码器,提高了结构的跟踪精度;③控制方法中采用了部分遮蔽的跟踪控制方法,提高了结构在部分遮敝情况下的输出功率;④结构简单、控制方便、成本低廉、性价比高。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图2为本发明上部支架6结构示意图
图3为本发明上部支撑平台11结构示意图
图4为本发明控制方法流程图;
图5为本发明智能控制法与传统计算太阳位置跟踪法输出对比图;
图中:1—镜面,2、2'、2”、2”'—第一、第二、第三、第四光敏传感器,3—镜片支架、4—斯特林发电机,5—发电机支架,6—上部支架,7—上部丝杆轴,8—上部蜗轮蜗杆减速器,9—上部步进电机,10、10’—上下轴承座,11—上部支撑平台,12—倾斜丝杆轴,13—倾斜轴步进电机,14—倾斜轴蜗轮蜗杆减速器,15—限位开关、16—倾斜平台,17—下部轴承座,18—摆动支杆,19—固定支座,20、20’、20”—上部、中部、下部支撑销轴,21—螺母,22—下部支座,23—底座,24、24’—固定地面通孔,25—滑动轨道,26—可移动轴承座,27—定位螺钉,28—编码器,30—固定通孔,31—支撑块,601—轴向通孔,602—横向通孔
具体实施方式
如图1所示为本实施例的结构示意图,选取上部步进电机9和倾斜轴步进电机13的额定功率为200W,额定电压为50V,额定电流为4A,结构上安装的斯特林发电机最大输出功率为1000W,齿数比为50:1;选定光敏电阻为CdS光敏电阻。
以上海2013年9月22日下午15点为例,控制方法步骤为(1)设定的最小运行角度Δ=0.1°和每次运行间隔时间Δt=5分钟,当地经度和纬度分别为121.48°和31.2°,当地标准时间所在地的经度(即北京的经度)为116.4°,确定摆动支杆18与地平面的夹角为θ=φ=31.2°,采样编码器28的角度信号S为0°,执行步骤(2);(2)确定9月22日为一年中的第266天,由公式(1)计算的太阳赤纬角为δ=-0.8966°,执行步骤(3);(3)根据太阳赤纬角δ=-0.8966°和当地维度φ=31.2°,由公式(2)得到上部支架6与地面的倾角αs=32.0966°,由公式(9)得到9月22日的日出和日落时角分别为ωsr=-89.5°和ωss=89.5°,由公式(10)和(11)得到日出时刻和日落时刻分别为tsr=6.03和tss=17.97小时,执行步骤(4);(4)由公式(8)计算的真太阳时间为tz=14.72小时,大于日出时刻,执行步骤(5);(5)没有阴天,执行步骤(6);(6)没有碰到限位开关15,执行步骤(7);(7)由公式(3)计算出太阳方位角γs=58.2°,调整上部支架6与地面的倾角αs=32.0966°和结构的太阳方位角γs=58.2°,执行步骤(8);(8)比较第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2’、2”、2”’的电阻值R2、R2'、R2”、R2”',判断R2=R2'=R2”=R2”',不成立,执行步骤(9);(9)判断第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2’、2”、2”’的电阻值R2≠R2'≠R2”≠R2”',不成立,执行步骤(10);(10)判断第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2’、2”、2”’的电阻值R2=R2'≠R2”=R2”',成立,调整上部支架6与地面的倾角αs=32.12°,使得R9=R10=R11=R12,执行步骤(13);(13)运行间隔时间Δt已结束,执行步骤(14);(14)判断真太阳时间tz小于日落时刻,返回执行步骤(5)。
其运行结果与传统计算太阳位置跟踪法比较如图5所示。
可见本发明在一天中的任意时刻达到基于极轴坐标的碟式发电双轴跟踪结构的跟踪精度,且减少结构在极轴方向的运行次数,延长了结构寿命,有效克服太阳被部分遮敝的影响,提高结构上安装的碟式发电结构的输出功率。
Claims (1)
1.一种极轴坐标系碟式发电双轴跟踪结构的控制方法,极轴坐标系碟式发电双轴跟踪结构包括有顶部安装的多面镜子(1)、第一、第二、第三、第四光敏传感器(2、2'、2”、2”')、镜子支架(3)、斯特林发电机(4)、发电机支架(5)、上部支架(6)、上部丝杆轴(7)、上部蜗轮蜗杆减速器(8)、上部步进电机(9)、上部支撑平台(11)、倾斜丝杆轴(12)、倾斜轴步进电机(13)、倾斜轴蜗轮蜗杆减速器(14)、倾斜平台(16)、下部轴承座(17)、摆动支杆(18)、下部支座(22)、底座(23)、移动轴承座(26);其结构是移动轴承座(26)通过定位螺钉(27)调整在底座(23)上的滑动轨道(25)内的位置,摆动支杆(18)上端通过上部支撑销轴(20)与固定在倾斜平台(16)下面的固定支座(19)相铰接,摆动支杆(18)下端通过下部支撑销轴(20”)与可移动轴承座(26)相铰接,下部支座(22)固定在底座(23)上,下部支座(22)的上部通过中部支撑销轴(20')与固定在倾斜平台(16)下面的下部轴承座(17)相铰接,安装在倾斜平台(16)上的倾斜轴步进电机(13)和倾斜轴蜗轮蜗杆减速器(14)带动倾斜丝杆轴(12)转动,倾斜丝杆轴(12)通过上下轴承座(10、10’)安装在倾斜平台(16)上,在倾斜平台(16)上面安装有对上部支撑平台(11)起限位作用的限位开关(15),上部支撑平台(11)的下部通过轴向通孔(601)与倾斜丝杆轴(12)固定连接,倾斜丝杆轴(12)的下端安装有编码器(28),上部蜗轮蜗杆减速器(8)和上部步进电机(9)安装在上部支撑平台(11)上,上部支架(6)通过横向通孔(602)与通过上部蜗轮蜗杆减速器(8)和上部步进电机(9)带动的上部丝杆轴(7)固定连接,镜子支架(3)安装在上部支架(6)上,镜子支架(3)上安装有多面镜子(1),在多面镜子(1)的组合体的四角处分别安装有第一、第二、第三、第四光敏传感器(2、2'、2”、2”'),顶部安装有斯特林发电机(4)的发电机支架(5)的底部与镜子支架3固定连接,多面镜子(1)上的光线汇聚到斯特林发电机(4)上;
本发明特征在于对上述结构的控制方法是:
首先通过调节移动轴承座(26)在滑动轨道(25)内的位置确定摆动支杆(18)与地平面的夹角为θ=φ,φ是当地维度,判断某一天是一年中的第n天,n为正整数,根据式(1)计算出太阳赤纬角δ,则上部支架(6)与地面的倾角αs可由式(2)得到,式(2)中的正负号取春夏为正,秋冬为负,太阳方位角γs可由式(3)得到:
αs=θ±δ (2)
其中ω是太阳时角,中午12点为0°,上午为负,下午为正,每小时的时角为15°,
由于地球围绕太阳的运行轨道是椭圆形轨道,因此真太阳时角ωz与太阳时角ω间存在误差,真太阳时角ωz可由式(4)~(6)得到,然后将式(3)中的太阳时角ω用真太阳时角ωz代替:
E=9.87sin 2B-7.53cos B-1.5sin B (5)
其中由式(7)得到时钟时间t,t=12点时ω=0,L为当地的经度,Ls为当地标准时间所在地的经度,由于我国位于东半球,所以式(4)中的正负号应取正号,则真太阳时间tz可由式(8)得到:
每天的日出和日落的方位角可由式(9)得到,其中日出方位角ωsr=-ωs,日落方位角ωss=ωs,则每天的日出日落时刻可由式(10)和(11)得到:
ωs=arccos(-tanφtanδ) (9)
由于公式计算和结构运行都会存在误差,此外,结构在运行过程中可能会部分遮敝,因此,在镜面1四个顶角上安装有第一、第二、第三、第四光敏传感器(2、2'、2”、2”'),在倾斜丝杆轴(12)上安装有编码器(28),分别对第一、第二、第三、第四光敏传感器(2、2'、2”、2”')的电阻值R2、R2'、R2”、R2”'进行比较:
如果,R2=R2'=R2”=R2”',则说明无极轴误差且碟式结构没有被部分遮蔽;
如果R2≠R2'≠R2”≠R2”',则说明上部支架(6)与地面的倾角αs和结构的太阳方位角γs均有误差,首先通过上部蜗轮蜗杆减速器(8)和上部步进电机(9)调整上部支架(6)与地面的倾角αs使得R2=R2”、R2'=R2”',然后结合编码器(28)的角度信号S,通过倾斜轴步进电机(13)和倾斜轴蜗轮蜗杆减速器(14)调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'、R2”=R2”',即R2=R2'=R2”=R2”';
如果R2≠R2”,但R2=R2'和R2”=R2”',则说明上部支架(6)与地面的倾角αs有误,判断R2与R2”的大小,使上部支架(6)与地面的倾角αs向电阻值小的一侧运行,直到R2=R2'=R2”=R2”';
如果,R2≠R2',但R2=R2”和R2'=R2”',则说明结构的太阳方位角γs有误,判断R2与R2'的大小,使结构的太阳方位角γs向电阻值小的一侧运行,结合编码器(28)的角度信号S,使得R2=R2'=R2”=R2”';
如果,突然出现四个光敏电阻值中三个相等,一个不等的情况(例如R2=R2'=R2”≠R2”'),则说明出现了部分遮蔽情况,判断四个电阻值那个最小,使上部支架(6)与地面的倾角αs和结构的太阳方位角γs向电阻值最小的一侧运行,首先调整上部支架(6)与地面的倾角αs使得R2=R2”、R2'=R2”',然后结合编码器(28)的角度信号S,调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'、R2”=R2”',即R2=R2'=R2”=R2”';
上述极轴坐标系碟式发电双轴跟踪结构的控制方法的实施步骤是:
步骤一、根据结构精度要求确定结构最小运行角度Δ,确定每次运行间隔时间Δt,当地经度L和维度φ,当地标准时间所在地的经度Ls,确定摆动支杆(18)与地平面的夹角为θ,采样编码器(28)的角度信号S;
步骤二、计算某一天在一年中的第n天,由公式(1)计算出当天的太阳赤纬角δ;
步骤三、根据太阳赤纬角δ和当地维度φ,由公式(2)得到上部支架(6)与地面的倾角αs,由公式(9)得到当天的日出方位角ωsr和日落方位角ωss,由公式(10)和(11)得到当天的日出时刻tsr和日落时刻tss;
步骤四、根据时钟时间由公式(8)计算真太阳时间tz,判断真太阳时间tz是否大于等于日出时刻tsr,是,执行步骤五;否,返回步骤四;
步骤五、根据第一、第二、第三、第四光敏传感器判断是否阴天,是,返回步骤五;否,执行步骤六;
步骤六、判断是否碰到了限位开关(15),是,结构停止,否,执行步骤七;
步骤七、根据真太阳时间由公式(3)计算出太阳方位角γs,根据Δ调整上部支架(6)与地面的倾角αs和结构的太阳方位角γs,执行步骤八;
步骤八、比较R2、R2'、R2”、R2”',判断R2=R2'=R2”=R2”',是,保持上部支架(6)与地面的倾角αs和结构的太阳方位角γs,执行步骤十三;否,执行步骤九;
步骤九、判断R2≠R2'≠R2”≠R2”',是,根据Δ,依次调整上部支架(6)与地面的倾角αs使得R2=R2”、R2'=R2”',然后结合编码器(28)的角度信号S,调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'、R2”=R2”',执行步骤十三;否,执行步骤十;
步骤十、判断是否R2=R2'≠R2”=R2”',是,根据Δ调整上部支架(6)与地面的倾角αs使得R2=R2'=R2”=R2”',执行步骤十三;否,执行步骤十一;
步骤十一、判断是否R2=R2”≠R2'=R2”',是,结合编码器(28)的角度信号S,根据Δ调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'=R2”=R2”',执行步骤十三;否,执行步骤十二;
步骤十二、寻找最小阻值Rmin,根据Δ调整上部支架(6)与地面的倾角αs使得R2=R2”、R2'=R2”',然后结合编码器(28)的角度信号S,调整结构的太阳方位角γs,使得R2=R2'=R2”=R2”',执行步骤十三;
步骤十三、判断运行间隔时间Δt是否结束,是,执行步骤十四;否,等待行间隔时间Δt结束,返回步骤十三;
步骤十四、判断真太阳时间tz是否大于等于日落时刻,是,结构停止,否,返回执行步骤五。
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