CN2498549Y

CN2498549Y - 光电控制自动跟踪太阳能热水器

Info

Publication number: CN2498549Y
Application number: CN01261277U
Authority: CN
Inventors: 于元亮; 宋其涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2002-07-03
Anticipated expiration: 2011-08-20

Abstract

一种光电控制自动跟踪太阳能热水器,包括贮水桶,真空管,反光板,支架,两台电动机,两只可控硅二极管及控制箱等,通过平行背对地设置在热水器上的两对光敏电阻分别与另两个定值电阻组成桥式电路,将两桥式电路的偏转电流分别取出各经放大器放大后送到控制两台电动机运转的可控硅二极管触发电路,在时间继电器、接触器的协助下,实现太阳能热水器分别在南北、东西两个方向上的步进式跟踪,本装置主要应用于太阳能开发利用领域,解决了现有太阳能热水器没有实现跟踪或跟踪装置跟踪不可靠以及设备精密、造价昂贵、不易推广等问题。

Description

光电控制自动跟踪太阳能热水器

一、应用领域

本实用新型涉及一种太阳能热水器，特别是涉及一种带有光电控制自动跟踪系统的太阳能热水器。

二、背景技术

目前的太阳能热水器基本上没有跟踪功能，只是静止在支承面上，靠太阳自己运行到某个月某一天的某一时间点时，也就是太阳光线在东西、南北两个方向与反光板垂直时才达到最高效率工作点，这样，太阳能热水器在一年或一天中丧失了大量的能量收集时机，至使热水器效率太低，冬天不能应用。

目前的太阳能跟踪技术大致有两类。一类是在太阳能真空管后置一光敏元件，通过真空管的阴影变化，引起光敏元件所在电路的电流变化，从而提供跟踪信号。由于这种装置靠阴影，而且是单光敏元件，所以提供的信号无方向性，即太阳左偏右偏无从判断，此外，这类技术仅能解决反光板在东西方向上的跟踪，而对于太阳在一天之内或在一年四季之内南北方向上的变化无法实现跟踪，这样也就不能最大限度地提高反光板的集能效果，同时跟踪效果也不太可靠；另一类是靠激光测准仪提供信号实现跟踪，尽管这类技术较为可靠，但该方案设备精密、昂贵，且投资较高，不易向民用领域推广。

三、技术方案

针对目前太阳能热水器无跟踪功能以及现有跟踪技术存在的不足，本实用新型就是提供一种原理简单，跟踪可靠、造价低廉的光电控制自动跟踪太阳能热水器，目的就是将跟踪技术推广应用到民用领域，使太阳能热水器的反光板与太阳光线在南北、东西两个方向上成90度的最高效率点工作，以解决现在民用太阳能冬天不能洗澡、集光效果低的不足。

这种光电控制自动跟踪太阳能热水器，包括一个保温贮水筒，一个排气口，一根溢水管，一根进水管，一根真空管，一部支架，一面反光板，一个配电箱，两节摆动杆，两节联接杆，两台电动机，一根螺杆，一根横杆等。其特征是：真空管与贮水筒中间相联，真空管下的反光板做成抛物线曲面，并且曲面焦点线位于真空管的中心，反光板能以真空管为中心在0-180度的范围内转动，反光板通过齿轮啮合与一台电动机相联，电动机旋转带动反光板旋转，反光板两侧平行背对地放置两个光敏电阻，这两个光敏电阻与两个定值电阻组成一个桥式电路，取出该桥式电路的偏置电流作为控制信号，控制信号经直流放大器放大后接入同带动反光板转动的电动机相串联的一个可控硅二极管的触发极脚，在电动机与可控硅二极管的串接电路上，再串联一个时间继电器，并串过该时间继电器的一个常闭触点，当太阳光线与反光板在东西方向上不成90度夹角时，设置在反光板两侧的两光敏电阻阻值将产生差异，随之桥式电路中心出现偏置电流，偏置电流经直流放大器放大后通过可控硅二极管触发极脚，使可控硅二极管导通，也使电动机旋转，当到达反光板与太阳光线在东西方向上成90度时，时间继电器也恰好达到了动作时间点，从而时间继电器动作，其常闭触点打开，可控硅二极管主电路被切断，电动机停止转动，当太阳光线再次出现与反光板在东西方向上不成90度夹角时，仍将重复上述动作，当到达夕阳落山时，本跟踪太阳能热水器有两个途径使反光板返回到“面东背西”的一天起始位置，一是通过设置在西边极点的限位开关配合一个接触器，一是通过延时时间继电器配合一个接触器，这样天天周而复始，实现热水器在东西方向上的可靠跟踪；支架与下支撑面采用铰链连接，支架后支撑通过连杆、摆动杆、横杆、丝杠与另一台电动机相联，电动机的旋转带动支架后支撑升降，在支架的一侧，平行背对的放置两个光敏电阻，这两个光敏电阻也与两个定值电阻组成一个桥式电路，取出该桥式电路的偏置电流作为控制信号，根据该信号电流流向，分正向、反向分别经过直流放大器放大，正向流动放大信号接入与带动支架后支撑升降的电动机相串联的一个可控硅二极管触发电路，在该电动机与可控硅二极管串接电路上，再串联一个时间继电器，并串过该时间继电器的一个常闭触点，当太阳光线与支架或反光板在南北方向上不成90度夹角时，设置在反光板两侧的两光敏电阻阻值将产生差异，随之桥式电路中心出现偏置电流，偏置电流经直流放大器放大后通过可控硅二极管触发电路，使可控硅二极管导通，也使电动机旋转，支架开始上升，当到达与太阳光线成90度夹角时，时间继电器也恰好达到了动作时间点，时间继电器动作，其常闭触点打开，可控硅二极管主电路被切断，电动机停止转动，当太阳光再次出现与支架在南北方向上不成90度时，仍将重复上述动作；反向流动放大信号接入与一接触器相串联的可控硅二极管触发极脚，使可控硅二极管导通，接触器吸合，通过其切断两个常闭触点，闭合两个常开触点，使电动机反向转动，从而带动支架下降，当到达与太阳光线在南北方向上成90度时，与该接触器常开触点串联的时间继电器动作，结果切断了电动机电源和接触器电源，这样达到了跟踪效果，当桥式电路再次出现偏置电流反向流动时，系统仍将重复上述动作，从而实现热水器在南北方向上的跟踪。将控制电路大部分元件集中放置在配电箱内，整套装置接220V交流电源或12V直流蓄电池。

四、附图说明

图1为本实用新型太阳能热水器总体结构示意图；

图2为本实用新型太阳能热水器在太阳光线左偏时的几何学动态分析图；

图3为本实用新型太阳能热水器在太阳光线与反光板成90度时的几何学动态分析图；

图4为本实用新型太阳能热水器在太阳光线右偏时的几何学动态分析图；

图5为本实用新型太阳能热水器桥式电路电子学原理分析图；

图6为本实用新型太阳能热水器电力拖动与控制原理分析图；

图7为本实用新型太阳能热水器实际电路控制图；

图8为东西方向跟踪信号经放大器放大接线图；

图9为南北方向跟踪信号经放大器放大接线图。

如附图1，图1中保温贮水桶1与一根太阳能真空管5中间相联，抛物线曲面反光板10可以绕太阳能真空管5在0-180度的范围内转动，动力为东西方向跟踪电动机18通过齿轮传动实现，东西方向跟踪电动机18完全受东西方向光敏电阻9和11提供的控制信号控制转动，光敏电阻9和11平行背对安装在反光板10的两侧，南北方向跟踪电动机15与丝杠16直联，通过丝杠16的伸缩及横杆17控制升降联杆13和14摆动，实现整个装置的与地面夹角的大小调整，实际上控制装置对太阳光线在南北方向上跟踪，同时，南北方向跟踪电动机15完全受南北方向光敏电阻7和8提供的控制信号控制转动，而光敏电阻7和8平行背对放置在支架6的一侧，电力控制箱12为控制箱兼蓄能器，即由控制电路元件及蓄电池组成，进水管4、溢水管3及排气口2与普通太阳能功能全部相同。整套装置中，抛物线曲面反光板10的转动支点与装置支架6是固定在一起的，并且所有与下支承面的接触点全部采纳了铰链联接的方式，这对于防风、防震、防位置移动等提供了保障。

下面我们结合附图详细讲述本实用新型太阳能热水器的跟踪原理：①几何学原理

我们知道，太阳光是平行照射到地球的，正是因为这种平行光线照射在一规则物体上的各个部位存在密度、强度差异，从而给跟踪系统提供了一个信号，利用这个信号经过放大后，实现了系统的跟踪控制。

参看附图2，矩形ABCD受到平行光线的照射，其中AD边受到了三束光线照射，而与AD边平行的BC边，由于受到AB边的遮挡，没有接受到光线照射。这样，如果在AD边和BC边上分别装上型号规格相同的光敏电阻R₁、R₂的话，它们对光产生的感应效果是截然不同的。参看附图3，矩形ABCD受到平行光线的照射，不过平行光线与AB边垂直，这样同样置于AD边和BC边上的两光敏电阻R₁、R₂对光的反应是相同的。参看附图4，矩形ABCD同样受到平行光线的照射，与附图2不同的是，BC边受到了三束光线而AD边没有受到光线照射。这样，在光敏电阻R₁、R₂上对光的反应恰与附图2相反。②电子学原理

假如我们将上述光敏电阻接入附图5所示的电路中的话，那么我们可以通过桥式电路提供出灵敏度很高的信号源。

图5中，R₁、R₂为附图2、3、4中的光敏电阻R₁、R₂，R₃、R₄为型号规格相同的定值电阻，R₅为可变电阻，R₁、R₂、R₃、R₄组成电桥，R₅调节电桥电流大小。在附图2中，R₂受光照电阻变小，R₁未受光照阻值未变，实验可知，此时图5电路中b点电势高于a点，即在A上由b流向a的电流；图3中，由于R₁、R₂受光照相同，所以图5电路中a、b两点电势相同，A上无电流通过；图4中R₁受光照电阻变小，而R₂未受光照，因而图5电路中A上有a流向b的电流。

通过上述分析我们不难看出，只要太阳光线不与AB边垂直，图5电路总能提供出一个大小、方向几乎一一相对应的信号，这样，只要我们将信号通过功率放大，便可直接控制一个能够让矩形ABCD转动的电动机实现紧密的跟踪。

在附图1中，东西方向跟踪光敏电阻9和11主要负责与一套R₃、R₄组成桥式电路后提供系统在东西方向上的信号，南北方向跟踪光敏电阻7和8主要负责与另一套R₃、R₄组成桥式电路后提供系统在南北方向上的跟踪，只要太阳光线稍有偏差，两套信号电路随即分别提供跟踪信号，提供出的信号经过放大器放大后，输送到可控硅二极管的触发极脚，可控硅二级管在一时间继电器或一时间继电器和一接触器的协助下实现控制电动机转动的目的。

下面我们以其中一套为例作详细的动态分析，详见附图6，可控硅二极管G经过一时间继电器常闭触点KM、电动机D和时间继电器线圈KM一起串联起来，将上述提供的信号按“+、”“-”极接入c、d两点，当信号电流足够大时，可控硅二极管导通，电流流过电动机和时间继电器电磁线圈，这样电动机运转，而时间继电器开始记时，当到达时间继电器预先设定的时间后，时间继电器随即动作，常闭触点KM切断后又回复原位，由于可控硅二极管的特性，尽管KM回位，但电路中无电流，等到流经c、d点的信号电流足够大时，才又重复上述过程。调节时间继电器KM的设定时间，可以改变电动机的跟踪精度。

再看附图7，附图7为本太阳能光电控制自动跟踪装置的主电路图，图中，K₁为全套电路总手动开关，其闭合后，整套电路才能工作，KT为一时间点接触器，它能在设定的时间点上动作，比仿说我们在这里将其设定在早上8点，那么早上8点，该接触器便动作，图7中KT有两个常开触点，一个与接触器KM₁常开触点并联后再与接触器KM₁、时间继电器KM₂线圈串联，并串过时间继电器KM₂的一个常闭触点；一个与手动按扭K₂并联再与信号源电阻R串联。KT动作结果：一是接通了接触器KM₁和时间继电器KM₂，一是输出了一个脉冲信号A₁。下面我们分别说明：接触器KM₁和时间继电器KM₂接通后，比如我们把KM₂设定为10个小时，这样到下午6点时，KM₂动作，通过其常闭触点先切断了KM₁、KM₂的电源，而给接触器KM₆所在路段发了一个信号脉冲，从而使KM₆吸合，KM₆吸合后，通过其接通两个常开触点和切断两个常闭触点，带动反光板运行的电动机D₂反向供电，使其反转，结果直到带动着反光板触及到限位开关K₄才切断了供电动机D₂反转和接触器KM₆上的电流，而此时，反光板恰好回到了面东背西的一天起始状态，这样，全套系统停电过夜，第二天早上8点又周而复始；时间点接触器KT输出的脉冲信号A₁被接入到可控硅二极管L的触发极脚a、b，从而使可控硅二极管L导通，L导通后，由R₂、R₃、R₄、R₅、R₆等组成的供整套系统在南北方向的信号电桥提供出信号A₂，A₂经过两个二极管选择判定方向后，分正向、反向分别放大，正向信号放大后接入到可控硅二极管M的c、d两点，使可控硅二极管M导通，从而控制电动机D₁带动支架后支承不断升高实现太阳光线南偏时的跟踪；反向信号放大后，接入可控硅二极管O的g、h两点，通过接触器KM₇和时间继电器KM₃控制电动机D₁带动支架后支承不断下降，实现太阳光线北偏时的跟踪；由R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁组成的在东西方向的信号电桥提供出信号A₃，A₃经过放大器放大后输送到可控硅二极管N的ef两点，通过N的接通使东西方向跟踪电动机D₂不断地间歇旋转，带动反光板在东西方向上间歇式跟踪。

另需说明的是K₂为初次安装时系统起动的手动开关，由于安装时间不一定是在早上8点前完成，这样，按动K₂，系统可不必经过时间点接触器KT起动而随时进入工作状态；K₃为反光板运行至西边极点的限位开关，接入它的目的是当冬季由于时间误差不到时间继电器KM₂设定的10小时，比如在下午5点，反光板西行已跟踪到极点，这样由于此时它触动了限位开关K₃，K₃通过闭合其一个常开触点同样象KM₂那样，使KM₅吸合，让反光板回到“面东背西”的起始位置。此外，当安装时，按动K₂或在KM₁、KM₂工作失灵时，系统自动返回到起始位置的工作程序也是这样通过K₃实现的；K₅为支架升高到极限位置时的限位开关，当支架上升到极限位置时，K₅动作，结果切断电动机电源，支架停止上升；K₆为支架下降到极限位置时的限位开关，当支架下降到极限位置时，K₆动作，结果切断了接触器KM₇的电源，使KM₇失电，从而切断了电动机D₂上的电源，支架停止下降。R₁₂为KM₆线圈限流电阻，R₁为信号A₁的限流电阻，R₁₃为KM₇的线圈限流电阻，接入它们的目的是限制电流大小，降低功率损失。

再看附图8，图8为本实用新型热水器反光板10两侧光敏电阻9和11也就是R₇、R₉所在的桥式电路提供出的控制信号A₃的放大器接线图。由于东西方向跟踪是自东向西步进，所以信号A₃只取其单向，故而用一只二极管和一只放大器放大。

再看附图9，图9为本实用新型热水器支架一侧的两光敏电阻7和8也就是R₃、R₅所在的桥式电路提供的控制信号A₂的放大接线图，由于南北方向是双向，即太阳光线有可能上偏，也有可能下偏，所以它采用了两只小型二极管，由二极管选择出正、反向信号电流，然后各自送入一只放大器放大，从而提供出供电机正转或反转的控制信号。

五、效果

当天气在一天中阴晴变化时，本实用新型太阳能热水器跟踪效果有以下几种情形：①先晴后阴直到黑天

天气先晴后阴，装置将跟踪到转阴的那个时间点，此时装置停止不动，直到下午6点才返回到起始位置。②先阴后晴直到黑天

天气先阴后晴，装置将在转晴的那个时间点开始连续不断地运行，直到跟踪到位，至下午6点返回待命。③一天中阴晴不定

天气在一天中阴晴不定，本装置仍遵循这样一个原则，只要由阴转晴，即可赶上跟踪，只要由晴转阴，随即原地待命。总之是早上8点送电上班，下午6点回位停电下班休息，像机器人一样周而复始地可靠运行。

通过实验，光敏电阻对阳光反应时间可在0.02秒内完成，其跟踪速度非常灵敏，在接近1平方米的有效面积上一支普通太阳能真空管盛满水的话，在不到20分钟的时间内即可将真空管内的水烧开，效果十分理想，加上电动机全部为小型直流造价低廉，确实达到了原理简单、造价低廉、跟踪可靠的目的。

Claims

1、一种光电控制自动跟踪太阳能热水器，包括保温贮水筒(1)，排气口(2)，溢水管(3)，进水管(4)，真空管(5)，支架(6)，反光板(10)，配电箱(12)，摆动杆(13)，联接杆(14)，电动机(15)，螺杆(16)，横杆(17)，电动机(18)，其特征是：真空管(5)与贮水筒(1)中间相联，电动机(18)通过齿轮啮合与反光板(10)相联，支架(6)与下支承面采用铰链联接，并且支架(6)的后支承通过摆动杆(13)联杆(14)及横杆(17)丝杠(16)与电动机(15)相联；光敏电阻(9)和(11)平行背对地放置在反光板(10)的两侧，同时，光敏电阻(9)和(11)作为(R7)、(R9)与两个定值电阻(R8)、(R10)组成桥式电路，信号A3取自于该桥式电路中间，信号A3取出接放大器放大后接入与电动机(18)串联的可控硅二极管触发极脚，电动机(18)与一个时间继电器线圈串联，并经过该继电器的一个常闭触点；光敏电阻(7)和(8)平行背对放置在支架(6)的一侧，同时光敏电阻(7)和(8)作为(R3)、(R5)与两个定值电阻(R₄)、(R₆)组成桥式电路，信号A₂取自于该桥式电路的中心，信号A₂取出按正向、反向分别接入两个放大器放大后，正向放大信号接入与电动机(15)串联的可控硅二极管触发极脚，电动机(15)与另一时间继电器线圈串联，并经过该继电器的一个常闭触点；反向放大信号接入与接触器相串联的可控硅二极管触发极脚，该接触器的常开、常闭触点分别与电动机联接。

2、如权利要求1所述的光电控制自动跟踪太阳能热水器，其中，反光板(10)曲面为规则的抛物线曲面，即断面为抛物线，并且其焦点线与真空管(5)的中心相重合。