家用太阳能聚光器自动跟踪系统的设计.pdf

N_O．2 西北轻工业学院学报 Apr．2002 Vo1．20 呈垒 三 垦三 兰兰三 !里呈望三兰竺三 !坚! 望兰!垦 ·59 · — — — — — ● - _ — — — — ● _ — — — _ _ - — — — — ● — — — _ _ H ^ — — — _ _ — — — - _ - _ — - — — ● — ● — - — — — — _ — — — — — — — — — — — — — 一 一 一 文章编号 ：1000—5811(2002)02—0059—04 家用太阳能聚光器 自动跟踪系统的设计 宁铎 ，刘莉萍 ，李莉 (1．陕西科技大学 自动控制工程系，陕西 咸阳 712081；2．陕西科技大学科技处，陕西 成阳 712081) 摘 要 ：针对家用太 阳能聚光器的使用特点 ，设计 了一种 由讯号单元 、控制单元、执行单 元、蓄电池组组成的太阳能聚光器 自动跟踪 系统 ，该 系统采用一维驱动、二维跟踪的伺服 机构，具有较高的运行可靠性。 关键词：太阳能应用；自动跟踪；反射式聚光 中图分类号：TK513．4 文献标识码：A 0 前言 目前。随着 自动控制技术的发展，配套用于太阳能聚光器的弹簧储能跟踪装置 已基本淘汰，占主 导地位的是采用计算机控制和天文时间器控制的跟踪装置。q 。对于多个聚光器组成的阵列 ，其跟踪 系统利用计算机控制可收到控制精度高、平均成本低的效果。但对于家庭来说 ，不管是将太阳能转换 成热能，还是应用光伏发电直接将其转换成电能，一般均采用一个受光截面约 3m。的聚光器单元，该 类聚光器的跟踪系统应用计算机或天文时间控制器时不仅会造成资源浪费，其高价位还会阻碍聚光 器的广泛应用 。针对家用太阳能聚光器 自动跟踪系统需达到运行可靠、易操作、价格低的要求，我们设 计 了一种传感器 自动跟踪系统，它除可满足上述性能要求外，还可使成本降为原来的 1／3。 1 自动跟踪控制器工作原理 本设计 中的家用太 阳能聚光器 自动跟踪部分主要 由讯号单元 、控制单元、执行单元、蓄 电池组 4 个单元组成，其原理方框图如图 1所示。该控制器一维跟踪工作过程如下 ：当太阳光沿聚光器主轴照 射时，讯号单元没有讯号输出，控制单元不工作，因此无法启动执行单元；当太阳光与聚光器主轴成一 定角度时，讯号单元输出讯号，控制单元工作，并启动执行单元，驱动聚光器旋转 。 为了进一步降低成本，我们提 出了 “一维驱动、二维跟踪”的新方案 ，即只在东西方 向实现断续 自 动跟踪，而南北方向的跟踪由东西运行的拖动来实现 。由于太阳对地球某地的仰角在一年四季中的变 化是不规则的，如果在实现南北跟踪时只是简单地利用机械装置使原动机构的转动转换成步进式的 平动来改变聚光器倾角的话，必然会导致跟踪误差加大，为此采用了凸轮传动机构 ，实现了精确的二 维跟踪，其原理如下所述 。 随着地球的自转和公转，太阳直射点在南北方向移动，引起正午太阳高度的变化(iE午太阳高度 ·收稿 日期 ：2001一ll—O2 作者简介 ：宁铎 (1963一)．男 ．陕西省礼泉县人 ，副教授 ，研究方 向：光电技术 ·6O · 西北轻工业学院学报 第 2O卷 图1 自动跟踪控制器工作原理方框 图 角简称正午太阳高度 ，即一 日内太阳在当地的最大仰角)，其大小随纬度和季节变化而有规律地变化 。 某地正午太阳高度可以用下面的公式来计算 ： ． H 一90。一 I一 I 式中H 为正午太阳高度 ；为当地地理纬度，永远取正值 ；为直射点的纬度，当地夏半年(北半 球 4～9月 ，南半球 10～3月)取正值 ，冬半年 (北半球 1o～3月 ，南半球 4～9月)取负值 。由公式得出， 当 为定值时，正午太阳高度 Ⅳ 与太阳直射点纬度 有着确