[发明专利]极轴坐标系槽式集热双轴跟踪结构的控制方法

摘要

一种极轴坐标系的槽式集热双轴跟踪结构的控制方法，属于太阳能热应用领域，其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)。

主权项

一种极轴坐标系槽式集热双轴跟踪结构的控制方法，极轴坐标系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(3)、左右上部弯管(4、4')、聚光板支架(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)、上部丝杆轴(12)、上部蜗轮蜗杆减速器(13)、上部步进电机(14)、上部支撑平台(15)、倾斜丝杆轴(16)、倾斜轴步进电机(18)、倾斜轴蜗轮蜗杆减速器(19)、倾斜平台(23)、摆动支杆(25)、下部支座(28)、安装在下部底座(8')上的滑动轨道(29)及移动轴承座(30)，其结构是移动轴承座(30)通过定位螺钉(31)调整在滑动轨道(29)内的位置，摆动支杆(25)上端通过上部支撑销轴(21)与固定在倾斜平台(23)下面的固定支座(20)相铰接，摆动支杆(25)下端通过下部支撑销轴(21”)与移动轴承座(30)相铰接，下部支座(28)固定在下部底座(8')上，下部支座(28)的上部通过中部支撑销轴(21')与固定在倾斜平台(23)下面的下部轴承座(24)相铰接，安装在倾斜平台(23)上的倾斜轴步进电机(18)和倾斜轴蜗轮蜗杆减速器(19)带动倾斜丝杆轴(16)转动，在倾斜平台(23)上面安装有对上部支撑平台(15)起限位作用的限位开关(22)，倾斜丝杆轴(16)通过上下轴承座(17、17’)安装在倾斜平台(23)上，倾斜丝杆轴(16)的下端安装有编码器(32)，上部支撑平台(15)下部通过穿通孔(35)与倾斜丝杆轴(16)固定连接，上部蜗轮蜗杆减速器(13)和上部步进电机(14)安装在上部支撑平台(15)上，聚光板支架(5)与上部蜗轮蜗杆减速器(13)和上部步进电机(14)带动的上部丝杆轴(12)固定连接，槽式聚光板(1)安装在聚光板支架(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(3)上，上部支架(3)安装在聚光板支架(5)上，真空集热管(6)左右端分别通过上下水管道(9)、(10)与热存储器(7)连通，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')通过通孔(27、27')固定于地面上；其特征在于上述结构的控制方法是：首先通过调节移动轴承座(30)在滑动轨道(29)内的位置确定摆动支杆(25)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，则聚光板支架(5)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)sinγs=cosδsinωcosαs---(3)]]>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)计算得到，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)B=360(n-81)364---(6)]]>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，t=(ω15)+12---(7)]]>tz=(ωz15)+12---(8)]]>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)tsr=(ωsr15)+12---(10)]]>tss=(ωss15)+12---(11)]]>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(16)上安装有编码器(32)，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槽式聚光板没有被部分遮蔽；如果R2≠R2'≠R2”≠R2”'，则说明聚光板支架(5)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(13)和上部步进电机(14)调整聚光板支架(5)与地面的倾角αs使得R2＝R2”、R2'＝R2”'，然后结合编码器(32)的角度信号S，通过倾斜轴步进电机(18)和倾斜轴蜗轮蜗杆减速器(19)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”'，则说明聚光板支架(5)与地面的倾角αs有误，判断R2与R2”的大小，使聚光板支架(5)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(32)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，则说明出现了部分遮蔽情况，判断四个电阻值哪个最小，使聚光板支架(5)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，首先调整聚光板支架(5)与地面的倾角αs使得R2＝R2”、R2'＝R2”'，然后结合编码器(32)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(25)与地平面的夹角为θ，水泵流速V，采样编码器(32)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)得到聚光板支架(5)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(22)，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调整聚光板支架(5)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，保持聚光板支架(5)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，依次调整聚光板支架(5)与地面的倾角αs使得R2＝R2”、R2'＝R2”'，然后结合编码器(32)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调整聚光板支架(5)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(32)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调整聚光板支架(5)与地面的倾角αs使得R2＝R2”、R2'＝R2”'，然后结合编码器(32)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。