[发明专利]基于极轴的槽式集热双轴跟踪结构的控制方法

权利要求书

1.一种基于极轴的槽式集热双轴跟踪结构的控制方法，该基于极轴的槽式集热双轴跟踪结构包括有槽式聚光板(1)、第一、第二、第三、第四光敏传感器(2、2'、2”、2”')、上部支架(5)、真空集热管(6)、热存储器(7)、上下部底座(8、8')、上下水管道(9、10)、水泵(11)、倾斜丝杆轴(12)、上部蜗轮蜗杆减速器(13)、上部步进电机(14)、倾斜平台(15)、编码器(16)、摆动支杆(18)、固定座(19)、下部蜗轮蜗杆减速器(23)、下部步进电机(24)、移动支座(27)、底部丝杆轴(28)；其结构是下部支座(30)固定在下部底座(8')上，下部支座(30)的上部通过右支撑销轴(20”)与固定在倾斜平台(15)下面的下部轴承座(22)相铰接，摆动支杆(18)上端通过上部支撑销轴(20)与固定在倾斜平台(15)下面的固定座(19)相铰接，摆动支杆(18)下端通过左支撑销轴(20')与移动支座(27)相铰接，由下部步进电机(24)和下部蜗轮蜗杆减速器(23)带动的底部丝杆轴(28)转动并带动移动支座(27)移动，底部丝杆轴(28)的右端与固定在下部底座(8')上的固定轴承座(25)相铰接，在下部步进电机(24)、下部蜗轮蜗杆减速器(23)及固定轴承座(25)内侧分别安装有第一、第二、第三限位开关(26、26'、26”)，由上部步进电机(14)和上部蜗轮蜗杆减速器(13)带动的倾斜丝杆轴(12)通过上下轴承座(17、17')支撑在倾斜平台(15)上面，倾斜丝杆轴(12)上端与上部支架(5)连接，倾斜丝杆轴(12)下端安装有编码器(16)，槽式聚光板(1)安装在上部支架(5)上，槽式聚光板(1)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”')，真空集热管(6)安装在上部支架(5)上，槽式聚光板(1)上的光线汇聚到真空集热管(6)上，上下部底座(8、8')分别通过通孔(29、29'、29”)固定于地面,倾斜平台(15)的长度与摆动支杆(18)的长度相等，左支撑销轴(20')与右支撑销轴(20”)的水平高度相同；

其特征在于对上述结构的控制方法是：

调节倾斜平台(15)与地面夹角等于摆动支杆(18)与地面夹角为θ＝φ，φ是当地维度，设摆动支杆(18)长度为A，以固定轴承座(25)为起点，移动支座(27)与固定轴承座(25)间的平均距离为B，则A与B之间满足下式(1)：

$cos\mathrm{\θ}=\frac{B}{A}---\left(1\right)$

然后，判断某一天是一年中的第n天，n为正整数，根据式(2)计算出太阳赤纬角δ，则摆动支杆(18)与地面的倾角α_s可由式(3)得到，式(3)中的正负号取春夏为正，秋冬为负，则移动支座(27)的移动距离ΔB可由式(4)、(5)得到，ΔB为正，则朝固定轴承座(25)方向移动，ΔB为负，则朝固定轴承座(25)反方向移动，太阳方位角γ_s可由式(6)得到：

α_s＝θ±δ(3)

B'＝Aarcsin(α_s)(4)

ΔB＝B-B'(5)

${\mathrm{sin\γ}}_s=\frac{cos\mathrm{\δ}sin\mathrm{\ω}}{{\mathrm{cos\α}}_s}---\left(6\right)$

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ω_z与太阳时角ω间存在误差，真太阳时角ω_z可由式(7)、(8)、(9)得到，然后将式(6)中的太阳时角ω用真太阳时角ω_z代替，

E＝9.87sin2C-7.53cosC-1.5sinC(8)

$C=\frac{360(n-81)}{364}---\left(9\right)$

其中由式(10)得到时钟时间t，t＝12点时ω＝0，L为当地的经度，L_s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(7)中的正负号应取正号，则真太阳时间t_z可由式(11)得到：

$t=\left(\frac{\mathrm{\ω}}{15}\right)+12---\left(10\right)$

$t_z=\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_z}{15}\right)+12---\left(11\right)$

每天的日出和日落的方位角可由式(12)得到，其中日出方位角ω_sr＝-ω_s，日落方位角ω_ss＝ω_s，则每天的日出日落时刻可由式(13)和(14)得到：

ω_s＝arccos(-tanφtanδ)(12)

$t_{sr}=\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{sr}}{15}\right)+12---\left(13\right)$

$t_{ss}=\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{ss}}{15}\right)+12---\left(14\right)$

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，在槽式聚光板(1)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(16)，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、R_2'、R_2”、R_2”'进行比较：

如果，R₂＝R_2'＝R_2”＝R_2”'，则说明无极轴误差且槽式聚光板(1)没有被部分遮蔽；

如果R₂≠R_2'≠R_2”≠R_2”'，则说明摆动支杆(18)与地面的倾角α_s和结构的太阳方位角γ_s均有误差，首先通过下部步进电机(24)和下部蜗轮蜗杆减速器(23)调整摆动支杆(18)与地面的倾角α_s使得R₂＝R_2”、R_2'＝R_2”'，然后结合编码器(16)的角度信号S，通过上部步进电机(14)和上部蜗轮蜗杆减速器(13)调整结构的太阳方位角γ_s，使得R₂＝R_2'、R_2”＝R_2”'，即R₂＝R_2'＝R_2”＝R_2”'；

如果R₂≠R_2”，但R₂＝R_2'和R_2”＝R_2”'，则说明摆动支杆(18)与地面的倾角α_s有误，判断R₂与R_2”的大小，使摆动支杆(18)与地面的倾角α_s向电阻值小的一侧运行，直到R₂＝R_2'＝R_2”＝R_2”'；

如果，R₂≠R_2'，但R₂＝R_2”和R_2'＝R_2”'，则说明结构的太阳方位角γ_s有误，判断R₂与R_2'的大小，使结构的太阳方位角γ_s向电阻值小的一侧运行，结合编码器(16)的角度信号S，使得R₂＝R_2'＝R_2”＝R_2”'；

如果，出现四个光敏电阻值中三个相等，一个不等的情况，则说明出现了部分遮蔽情况，判断四个电阻值哪个最小，使摆动支杆(18)与地面的倾角α_s和结构的太阳方位角γ_s向电阻值最小的一侧运行，首先调整摆动支杆(18)与地面的倾角α_s使得R₂＝R_2”、R_2'＝R_2”'，然后结合编码器(16)的角度信号S，调整结构的太阳方位角γ_s，使得R₂＝R_2'、R_2”＝R_2”'，即R₂＝R_2'＝R_2”＝R_2”'；

上述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L_s，水泵流速V，摆动支杆(18)长度A，与地平面的夹角θ，移动支座(27)与固定轴承座(25)间的平均距离B，采样编码器(16)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(2)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(3)得到摆动支杆(18)与地面的倾角α_s，由公式(5)得到移动支座(27)的移动距离ΔB，由公式(12)得到当天的日出方位角ω_sr和日落方位角ω_ss，进而由公式(13)和(14)得到当天的日出时刻t_sr和日落时刻t_ss；

步骤四、根据时钟时间由公式(11)计算真太阳时间t_z，判断真太阳时间t_z是否大于等于日出时刻t_sr，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、判断是否碰到了第一、第二、第三限位开关(26、26'、26”)，是，结构停止，否，执行步骤七；

步骤七、根据真太阳时间由公式(6)计算出太阳方位角γ_s，根据Δ调整摆动支杆(18)与地面的倾角α_s和结构的太阳方位角γ_s，执行步骤八；

步骤八、比较R₂、R_2'、R_2”、R_2”'，判断R₂＝R_2'＝R_2”＝R_2”'，是，保持摆动支杆(18)与地面的倾角α_s和结构的太阳方位角γ_s，执行步骤十三；否，执行步骤九；

步骤九、判断R₂≠R_2'≠R_2”≠R_2”'，是，根据Δ，依次调整摆动支杆(18)与地面的倾角α_s使得R₂＝R_2”、R_2'＝R_2”'，然后结合编码器(16)的角度信号S，调整结构的太阳方位角γ_s，使得R₂＝R_2'、R_2”＝R_2”'，执行步骤十三；否，执行步骤十；

步骤十、判断是否R₂＝R_2'≠R_2”＝R_2”'，是，根据Δ调整摆动支杆(18)与地面的倾角α_s使得R₂＝R_2'＝R_2”＝R_2”'，执行步骤十三；否，执行步骤十一；

步骤十一、判断是否R₂＝R_2”≠R_2'＝R_2”'，是，结合编码器(16)的角度信号S，根据Δ调整结构的太阳方位角γ_s，使得R₂＝R_2'＝R_2”＝R_2”'，执行步骤十三；否，执行步骤十二；

步骤十二、寻找最小阻值R_min，根据Δ调整摆动支杆(18)与地面的倾角α_s使得R₂＝R_2”、R_2'＝R_2”'，然后结合编码器(16)的角度信号S，调整结构的太阳方位角γ_s，使得R₂＝R_2'＝R_2”＝R_2”'，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t_z是否大于等于日落时刻，是，结构停止，否，返回执行步骤五。