CN106849853A - 一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置及跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于超声马达驱动的双轴太阳能跟踪装置。该机械系统由一个立柱、一个两自由度的旋转机构、转架、上框架、太阳能电池板、PSD传感器组成。旋转机构分上下两部分。上下两部分通过紧固件连接。下部分由固定支撑板、水平固定基座、水平压电振子、摩擦材料、水平转子、水平转盘、螺栓、紧固件等构成。上部分由上支撑板，竖直压电振子、竖直转子、摩擦材料、竖直转盘、竖直连接板、螺栓、紧固件、水平轴、轴承等构成。本发明相比单轴跟踪该双轴跟踪装置能够大幅度提高太阳能利用率，相比基于传统电机的太阳能跟踪装置，该装置无需齿轮、涡轮蜗杆等减速机构，用超声马达转子直接带动太阳能跟踪装置，简化了跟踪装置的机械结构，并且安装较为方便。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能跟踪设备及方法领域，特别是涉及一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置及跟踪方法。
背景技术
随着经济的快速发展，人们对能源的需求不断上升，而石油、煤炭等不可再生能源日趋减少，使得发展利用可再生绿色能源成为未来发展的方向。太阳能作为一种清洁、安全、可再生的自然资源，近年来受到人们的广泛关注。但由于太阳能本身的特点，决定了太阳能利用具有稀薄性、随机性、间歇性、地区性的特点。目前太阳能利用技术主要用于光伏发电，目前光伏发电存在的问题就是太阳能利用率较低。提高太阳能利用率主要有两种途径，一是提高太阳能接收板转换率，二是提高太阳能接收板的接收率，后一种方法较前一种方法更易于实现，因此对太阳光伏发电跟踪系统的研究与设计成为解决问题的关键。研究表明，与固定式安装相比，典型的单轴跟踪器可提高27-32％的发电量；而典型的双轴跟踪器可进一步提高6％量，与固定式板相比，可增加35-40％的发电量，故本发明设计了一种双轴太阳能跟踪发电装置。
现今的太阳能自动跟踪发电装置大都采用步进电机等传统的电磁型电机来实现对机械传动元件的驱动，而超声马达是一种全新原理和概念的电机，它是利用压电陶瓷的逆压电效应使马达定子表面产生连续的椭圆运动，进而通过摩擦耦合将振动能量转化为转子的动能。与传统的电磁型电机相比有诸多优点：其转矩/质量比大，结构简单、紧凑；低速大转矩，无需齿轮减速机构，定位精度高，可实现直接驱动，而传统电机用于这种场合时只能通过减速机构来实现低速大转矩，因此随之带来了摩擦、噪声、传动精度和效率低等问题；动作响应快，可达毫秒级，控制性能优越；切断电源时可自锁；不产生磁场，也不受外界磁场干扰；运行噪声小，减少了对周围环境的污染。基于超声马达的这些特点，尤其是低速大转矩、定位精度高、响应快、可断电自锁等特点；再加上对太阳运行规律的研究，考虑到每天白天太阳高度角和方位角都是以极小的速度缓慢变化，分析得出超声马达特别适合光伏发电跟踪太阳的需要。因此本发明选用超声马达代替传统的电磁型电机来驱动双自由度的太阳能跟踪发电装置，并配套相应的优化跟踪方法以达到最佳发电效果。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置及跟踪方法，通过两自由度旋转机构下部分的水平安装的超声马达的转动来控制实现的，将超声马达与太阳能发电装置有效结合，并且配套独创的优化跟踪方法，从而达到最佳发电效果，为达此目的，本发明提供一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置，包括太阳能电池板、上框架、转架、水平轴、上支撑板、水平超声电机、固定支撑板、立柱、竖直超声电机和PSD位置传感器，所述PSD位置传感器安装在太阳能电池板的长边中间处，所述太阳能电池板固定安装在上框架上，所述上框架底部焊有角铁，所述转架与上框架的角铁焊接在一起，所述转架与水平轴固连，所述上支撑板设有三个支撑板，所述水平轴安装在上支撑板两个支撑板之间，所述上支撑板另外两个支撑板之间有竖直超声电机，所述竖直超声电机的竖直转盘通过紧固件与竖直连接板相连，所述竖直连接板通过紧固件与水平轴的端部相连，所述竖直超声电机包括竖直电机壳、水平螺栓、竖直转盘、竖直连接板、竖直压电振子和竖直转子，所述上支撑板左侧支撑板处开有槽，所述竖直电机壳安放在槽内，所述水平螺栓穿过竖直电机壳、竖直转子和竖直压电振子，所述上支撑板下方有水平超声电机，所述水平超声电机的水平固定基座通过4个支撑柱与立柱上方固定支撑板相连，所述水平超声电机包括水平电机壳、竖直螺栓、水平固定基座、水平转盘、水平转子和水平压电振子，所述水平固定基座(14)上开有槽，所述水平电机壳(7)安放在槽内，所述水平电机壳内有水平转盘、水平转子和水平压电振子，所述竖直螺栓穿过水平转盘、水平转子、水平压电振子和水平固定基座。
作为本发明进一步改进，所述竖直压电振子和水平压电振子均由金属弹性体和压电陶瓷粘贴构成，所述金属弹性体选用磷青铜，压电陶瓷选用PZT8，并且对压电陶瓷进行分区极化处理，并在压电振子的齿面上粘涂有聚四氟乙烯基摩擦材料，这样设计使转子输出力矩更大，转速更加稳定。
作为本发明进一步改进，所述竖直转子和水平转子为柔性转子，材料选用硬铝，这样设计保证压电振子与转子径向接触良好。
本发明一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置的跟踪方法，具体跟踪过程如下：
1)若在一段时间内PSD位置传感器所得到的位置信息不变，则判定为阴雨天气，此时水平超声马达和竖直超声马达都不转动，跟踪装置不进行自动跟踪；
2)若在一段时间内PSD位置传感器所得到的位置信息变化，则判定为晴天，此时水平超声马达的压电振子发生高频振动，通过水平压电振子和水平转子间的摩擦力使水平转子转动，水平转子带动与之固连的水平转盘转动，水平转盘带动与之固连的上支撑板转动，从而使太阳能电池板实现对太阳方位角的跟踪；而竖直超声马达的压电振子也发生高频振动，从而使竖直转子带动与之固连的竖直转盘转动，竖直转盘带动与之固连的装有水平转轴的竖直连接板转动，水平转轴带动与之连接的转架，从而带动太阳能电池板实现对太阳高度角的跟踪。
作为本发明进一步细化，所述双轴太阳能跟踪发电装置中太阳位置判断如下，将位置传感器输出的电流信号经信号处理，将电流信号转换为电压信号并进行放大，然后经过A/D转换，送入单片机中，对信号进行运算处理得到太阳光斑的位置坐标，设光线照射在上的位置坐标为(X,Y)，则PSD位置传感器检测到的太阳位置为：
作为本发明进一步细化，所述水平超声电机和数字超声电机的表面行波的形成过程如下，其中超声马达利用压电陶瓷作为换能元件，压电陶瓷的两相都是以相反的分区极化方式，使相邻的压电陶瓷分区分别产生伸张和收缩变形，从而使金属弹性体产生振动，VA、VB为两存在相位差的余弦电压，A相、B相分别在激励电压VA、VB的作用下使定子外圆边上分别产生驻波振动：
WA(x，t)＝Acoskx cos ωt (3)；
式中A、B分别为VA、VB激励时定子振动的振幅；k＝2π/λ＝n/R为振动的波数；λ为波长；n为振动模态阶数；R为定子环等效半径；为A、B两相驱动间的相位差；α为A、B两相振子间的空间间隔，α＝λ/4，故B相定子外圆产生的驻波振动为：
两相驻波叠加后形成的定子振动方程为：
对于两相驻波叠加后形成的定子振动方程，定子表面质点纵向振动位移为：
其中h为定子上表面到中性层的距离。定子表面质点纵向振动的速度为：
定子表面质点运动的纵向椭圆运动到最高点时，纵向位移为零，即；
解得；
则；
其中负号表示定子表面的质点运动方向与行波前进方向相反。忽略定转子间的滑动，故在定转子接触区域，定子表面质点运动速度与转子运动速度相等，故转子速度为：
PSD位置传感器紧贴太阳能电池板长边中线处，则对方位角、高度角调整时，用VOX、VOY分别表示方位角电机和高度角电机的转子转速:
因电机能快速带动太阳能跟踪装置到达预定位置，且太阳自转和公转速度较慢，故在此处忽略太阳自转和公转对太阳位置的影响。则超声马达转子的转速与太阳位置的关系分别为：
其中a为太阳能电池板短边长度；d为竖直超声马达螺栓轴线与太阳能上表面中心的距离；l为PSD位置传感器的边长；RX、RY分别为水平电机和竖直电机的定子环等效半径。将VOX、VOY带入,其中水平方向和竖直方向分别得：
压电陶瓷对称极化时，AX＝BX＝CX、AY＝BY＝CY,若同时保证AX、BX和AY、BY两相的激励电压在时间上相差都为π/2,即则；
由式(19)、(20)可得；
其中t为电机开始工作和到达预定位置所用的时间，由上式可看出对于结构已选定的超声马达，保证压电陶瓷对称极化，同时激励压电陶瓷的两相电压在时间上相差π/2，基于本发明的结构，可以看出作用在超声马达中的频率和检测出的太阳位置息息相关，故可以根据PSD位置传感器检测出的位置信息来调节激励超声的频率ω，从而调节超声马达的速度，使超声马达带动跟踪装置到达PSD位置传感器检测出的太阳位置。
本发明提供一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置及跟踪方法，该太阳能跟踪装置对太阳方位角的跟踪是通过两自由度旋转机构下部分的水平安装的超声马达的转动来控制实现的，对太阳高度角的跟踪是通过旋转机构上部分的竖直安装的超声马达的转动来控制实现的，对太阳位置的判断是通过PSD位置传感器来实现的。本发明采用一个二自由度的旋转机构来保证太阳能电池板与太阳光始终垂直，可提高太阳能的利用率；采用超声马达直接带动跟踪机构，无需齿轮等减速机构，结构简单，安装方便。
附图说明
图1为本发明整体结构图；
图2为本发明侧视图；
图3为本发明局部结构图；
图4为本发明PSD位置传感器的结构；
图5为本发明超声马达定子表面行波的形成过程；
图中构件为：
1、太阳能电池板；2、上框架；3、转架；4、紧固件；5、水平轴；6、上支撑板；7、水平电机壳；8、竖直螺栓；9、固定支撑板；10、立柱；11、竖直电机壳；12、水平螺栓；13、竖直连接板；14、水平固定基座；15、水平转盘；16、水平转子；17、金属弹性体；18、压电陶瓷；19、PSD位置传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置及跟踪方法，通过两自由度旋转机构下部分的水平安装的超声马达的转动来控制实现的，将超声马达与太阳能发电装置有效结合，并且配套独创的优化跟踪方法，从而达到最佳发电效果。
作为本发明的一种实例，本发明提出了如图1-3所示的一种基于超声马达驱动的太阳能跟踪装置，包括包括一个立柱10、一个两自由度的旋转机构、转架3、上框架2、太阳能电池板1、PSD位置传感器。所述旋转机构分上下两部分，上下两部分分别水平和竖直安装一结构相同的超声马达。所述下部分由固定支撑板9、水平固定基座14、水平压电振子，即金属弹性体17和压电陶瓷18构成、摩擦材料、水平转子16、水平转盘15、螺栓8构成。所述上部分由上支撑板6、竖直压电振子、摩擦材料、竖直转子、竖直转盘、竖直连接板13、水平轴5、轴承构成。所述立柱10固定安装在楼顶或者空旷的无遮挡物的室外，所述固定支撑板9与立柱10固连，固定支撑板9与水平固定基座14上设有四个固定的套筒，通过短立柱和紧固件4将二者固定连接。水平压电振子通过三个螺钉与水平固定基座14固连，水平转子16通过三个螺钉与水平转盘15固连，螺栓8将压电振子与转子16连接起来，通过调节螺栓8的拧紧力来调节转子16与压电振子间的预压力，从而调节超声马达的输出特性。水平转盘15与上支撑板6的连接方式与固定支撑板9和水平基座14的连接方式相同。上支撑板6的支撑架一和支撑架二间的中心设置在整个立柱10的轴心处，保证整个装置的中心都集中在立柱10中心，支撑架一和支撑架二处作为安装轴承的轴承座。支撑架三和竖直压电振子通过三个螺钉固连，竖直超声马达内部连接方式与水平超声马达的相同。水平轴5安装的轴心与竖直超声马达的轴心在同一水平线，以保证跟踪精度。所述压电振子由经过分区极化处理的压电陶瓷18和开有齿的磷青铜圆环17构成，磷青铜齿环与内部基座间设置一段较薄的环，用于隔振。所述转子采用柔性结构，以改善压电振子与转子间的径向接触状况。
本发明所述的一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪装置的跟踪过程，具体跟踪过程如下：
1)若在一段时间内PSD位置传感器所得到的位置信息不变，则判定为阴雨天气，此时水平超声马达和竖直超声马达都不转动，跟踪装置不进行跟踪。
2)若在一段时间内PSD位置传感器所得到的位置信息变化，则判定为晴天，此时水平超声马达的压电振子发生高频振动，通过水平压电振子和水平转子16的摩擦接触，水平转子16转动，水平转子16带动与之固连的水平转盘15转动，水平转盘15带动与之固连的上支撑板6转动，从而使太阳能电池板实现对太阳方位角的跟踪；而竖直超声马达的压电振子也发生高频振动，从而使竖直转子带动与之固连的竖直转盘转动，竖直转盘带动与之固连的装有水平转轴的竖直连接板13转动，水平转轴5带动与之连接的转架3，从而带动太阳能电池板实现对太阳高度角的跟踪。跟踪装置不断根据PSD位置传感器所采集的信息，使得水平超声马达和竖直超声马达不断带动上支撑板6和水平轴5转动到预定位置，从而实现跟踪装置对太阳方位角和高度角的跟踪，使太阳能电池板始终与太阳光线保持垂直。
基于本发明所设计双轴跟踪结构，将PSD位置传感器检测的位置信号与超声马达转子的转速及驱动频率结合起来。
PSD位置传感器的检测原理：PSD是一种连续位置的光学探测器，PSD获取的位置与落在探测器上的光斑形状无关。面型PSD可以测出二维平面上的位置坐标，PSD位置传感器结构如图4所示。将位置传感器输出的电流信号经信号处理，将电流信号转换为电压信号并进行放大，然后经过A/D转换，送入单片机中，对信号进行运算处理得到太阳光斑的位置坐标，设光线照射在上的位置坐标为(X,Y)，则PSD位置传感器检测到的太阳位置为：
超声马达的运行机理：超声马达利用压电陶瓷作为换能元件，压电陶瓷的两相都是以相反的分区极化方式，使相邻的压电陶瓷分区分别产生伸张和收缩变形，从而使金属弹性体产生振动。图5为本发明所设计行波型超声马达定子表面行波的形成过程，VA、VB为两存在相位差的余弦电压，A相、B相分别在激励电压VA、VB的作用下使定子外圆边上分别产生驻波振动：
WA(x，t)＝Acoskx cos ωt (3)；
式中A、B分别为VA、VB激励时定子振动的振幅；k＝2π/λ＝n/R为振动的波数；λ为波长；n为振动模态阶数；R为定子环等效半径；为A、B两相驱动间的相位差；α为A、B两相振子间的空间间隔，α＝λ/4，故B相定子外圆产生的驻波振动为：
两相驻波叠加后形成的定子振动方程为：
对于两相驻波叠加后形成的定子振动方程，定子表面质点纵向振动位移为：
其中h为定子上表面到中性层的距离。定子表面质点纵向振动的速度为：
定子表面质点运动的纵向椭圆运动到最高点时，纵向位移为零，即；
解得；
则；
其中负号表示定子表面的质点运动方向与行波前进方向相反。忽略定转子间的滑动，故在定转子接触区域，定子表面质点运动速度与转子运动速度相等，故转子速度为：
PSD位置传感器紧贴太阳能电池板长边中线处，则对方位角、高度角调整时，用VOX、VOY分别表示方位角电机和高度角电机的转子转速:
因电机能快速带动太阳能跟踪装置到达预定位置，且太阳自转和公转速度较慢，故在此处忽略太阳自转和公转对太阳位置的影响。则超声马达转子的转速与太阳位置的关系分别为：
其中a为太阳能电池板短边长度；d为竖直超声马达螺栓轴线与太阳能上表面中心的距离；l为PSD位置传感器的边长；RX、RY分别为水平电机和竖直电机的定子环等效半径。将VOX、VOY带入,其中水平方向和竖直方向分别得：
压电陶瓷对称极化时，AX＝BX＝CX、AY＝BY＝CY,若同时保证AX、BX和AY、BY两相的激励电压在时间上相差都为π/2,即则；
由式(19)、(20)可得；
其中t为电机开始工作和到达预定位置所用的时间，由上式可看出对于结构已选定的超声马达，保证压电陶瓷对称极化，同时激励压电陶瓷的两相电压在时间上相差π/2，基于本发明的结构，可以看出作用在超声马达中的频率和检测出的太阳位置息息相关，故可以根据PSD位置传感器检测出的位置信息来调节激励超声的频率ω，从而调节超声马达的速度，使超声马达带动跟踪装置到达PSD位置传感器检测出的太阳位置。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置，包括太阳能电池板（1）、上框架（2）、转架（3）、水平轴（5）、上支撑板（6）、水平超声电机、固定支撑板（9）、立柱（10）、竖直超声电机和PSD位置传感器（19），其特征在于：所述PSD位置传感器（19）安装在太阳能电池板（1）的长边中间处，所述太阳能电池板（1）固定安装在上框架（2）上，所述上框架（2）底部焊有角铁，所述转架（3）与上框架（2）的角铁焊接在一起，所述转架与水平轴（5）固连，所述上支撑板（6）设有三个支撑板，所述水平轴（5）安装在上支撑板（6）两个支撑板之间，所述上支撑板（6）另外两个支撑板之间有竖直超声电机，所述竖直超声电机的竖直转盘通过紧固件与竖直连接板（13）相连，竖直连接板（13）通过紧固件（4）与水平轴（5）的端部相连，所述竖直超声电机包括竖直电机壳（11）、水平螺栓（12）、竖直转盘、竖直连接板（13）、竖直压电振子和竖直转子，所述上支撑板（6）左侧支撑板处开有槽，所述竖直电机壳（11）安放在槽内，所述竖直转子和竖直压电振子在竖直电机壳（11）内，所述水平螺栓（12）穿过竖直电机壳（11）、竖直转子和竖直压电振子，所述上支撑板（6）下方有水平超声电机，所述水平超声电机的水平固定基座（14）通过4个支撑柱与立柱（10）上方固定支撑板（9）相连，所述水平超声电机包括水平电机壳（7）、竖直螺栓（8）、水平固定基座（14）、水平转盘（15）、水平转子（16）和水平压电振子，所述水平固定基座（14）上开有槽，所述水平电机壳（7）安放在槽内，所述水平电机壳（7）内有水平转盘（15）、水平转子（16）和水平压电振子，所述竖直螺栓（8）穿过水平转盘（15）、水平转子（16）、水平压电振子和水平固定基座（14）。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置，其特征在于：所述竖直压电振子和水平压电振子均由金属弹性体（17）和压电陶瓷（18）粘贴构成。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置，其特征在于：所述金属弹性体（17）选用磷青铜，压电陶瓷（18）选用PZT8，并且对压电陶瓷（18）进行分区极化处理，并在压电振子的齿面上粘涂有聚四氟乙烯基摩擦材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置，其特征在于：所述竖直转子和水平转子为柔性转子，材料选用硬铝。
5.一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置的跟踪方法，具体跟踪过程如下，其特征在于：
1)若在一段时间内PSD位置传感器所得到的位置信息不变，则判定为阴雨天气，此时水平超声马达和竖直超声马达都不转动，跟踪装置不进行自动跟踪；
2）若在一段时间内PSD位置传感器所得到的位置信息变化，则判定为晴天，此时水平超声马达的压电振子发生高频振动，通过水平压电振子和水平转子（16）间的摩擦力使水平转子（16）转动，水平转子（16）带动与之固连的水平转盘（15）转动，水平转盘（15）带动与之固连的上支撑板（6）转动，从而使太阳能电池板实现对太阳方位角的跟踪；而竖直超声马达的压电振子也发生高频振动，从而使竖直转子带动与之固连的竖直转盘转动，竖直转盘带动与之固连的装有水平转轴的竖直连接板（13）转动，水平转轴（5）带动与之连接的转架（3），从而带动太阳能电池板实现对太阳高度角的跟踪。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置的跟踪方法，其特征在于：所述双轴太阳能跟踪发电装置中太阳位置判断如下，将位置传感器输出的电流信号经信号处理，将电流信号转换为电压信号并进行放大，然后经过A/D转换，送入单片机中，对信号进行运算处理得到太阳光斑的位置坐标，设光线照射在上的位置坐标为（X,Y），则PSD位置传感器检测到的太阳位置为：
；
。
7.根据权利要求5所述的一种基于超声马达的双轴太阳能跟踪发电装置的跟踪方法，其特征在于：所述水平超声电机和数字超声电机的表面行波的形成过程如下，其中超声马达利用压电陶瓷作为换能元件，压电陶瓷的两相都是以相反的分区极化方式，使相邻的压电陶瓷分区分别产生伸张和收缩变形，从而使金属弹性体产生振动，为两存在相位差的余弦电压，A相、B相分别在激励电压的作用下使定子外圆边上分别产生驻波振动：
；
；
式中分别为激励时定子振动的振幅；为振动的波数；为波长；n为振动模态阶数；R为定子环等效半径；为两相驱动间的相位差；为两相振子间的空间间隔，，故相定子外圆产生的驻波振动为：
；
两相驻波叠加后形成的定子振动方程为：
；
对于两相驻波叠加后形成的定子振动方程，定子表面质点纵向振动位移为：
；
其中为定子上表面到中性层的距离；
定子表面质点纵向振动的速度为：
；
定子表面质点运动的纵向椭圆运动到最高点时，纵向位移为零，即；
；
解得；
；
；
则；
；
其中负号表示定子表面的质点运动方向与行波前进方向相反；
忽略定转子间的滑动，故在定转子接触区域，定子表面质点运动速度与转子运动速度相等，故转子速度为：
；
PSD位置传感器紧贴太阳能电池板长边中线处，则对方位角、高度角调整时，用分别表示方位角电机和高度角电机的转子转速:
；
；
因电机能快速带动太阳能跟踪装置到达预定位置，且太阳自转和公转速度较慢，故在此处忽略太阳自转和公转对太阳位置的影响，则超声马达转子的转速与太阳位置的关系分别为：
；
；
其中a为太阳能电池板短边长度；为竖直超声马达螺栓轴线与太阳能上表面中心的距离；为PSD位置传感器的边长；分别为水平电机和竖直电机的定子环等效半径；
将带入,其中水平方向和竖直方向分别得：
；
；
压电陶瓷对称极化时，,若同时保证两相的激励电压在时间上相差都为,即,则；
；
；
由式 (19)、(20)可得；
；
；
其中为电机开始工作和到达预定位置所用的时间。
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