CN111981704A - 一种太阳能跟踪追日集热装置、***及方法 - Google Patents

一种太阳能跟踪追日集热装置、***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能跟踪追日集热装置、***及方法，集热装置包括集热组件、驱动装置、主动梁和被动梁，主动梁和被动梁平行且间隔设置，且两者之间均匀间隔设置有多个集热组件；集热组件包括槽体和吸热管，槽体内部中空且在平行于其轴线的方向开设有与其内部连通的矩形集热口，槽体的两端分别设置有一沿其轴线方向向外凸出延伸的转轴，各转轴分别经一轴承固定在主动梁和被动梁上，转轴内部中空且两端敞口设置，转轴的一端与槽体的内部连通；优点是：采用电动推杆驱动槽体转动，机械上提高控制精度，保证所需的高精度需求；不依靠太阳光照情况，而根据时间和所处经纬度确定太阳相对角度进行跟踪追日，对天气状况要求低，且跟踪精度高。

Description

一种太阳能跟踪追日集热装置、***及方法
技术领域
本发明涉及太阳能集热及安全控制技术领域，尤其涉及一种太阳能跟踪追日集热装置、***及方法。
背景技术
人类社会的持续发展离不开能源，世界上许多国家也越来越重视能源的发展。太阳作为一次能源，发出的能量十分巨大，在所有的可再生能源中所占的比重达90％,因此在对可再生能源的利用中,太阳能利用无疑成为众人关注的焦点。
然而由于当前太阳能光热的能流密度较低，直接应用范围较窄。为提高太阳能光热的应用范围，采集吸收太阳能光热时采用聚光的方式，从而提高能源密度，提高采集吸收热量的传导介质温度。采用聚光方式采用太阳能的光热，装置必须跟踪太阳的方向，以使太阳能光线随时间的推移，使终聚集在一点上。
当前的太阳能跟踪装置传动主要以转动电机输入减速装置，带动聚光式太阳能集热器转动以实现跟踪方式，其中的追日控制***主要分为两种，一种是天文学法跟踪，一种是时时检测光线法跟踪，其中天文学法跟踪的优点是不受天气状况及检测设备精度的影响，算法较复杂，但跟踪装置较简单，缺点是跟踪精度较低，聚光式太阳能装置设计和天文学法跟踪***必须配合才能完成其功能。时时检测光线法跟踪的优点是跟踪精度较高，算法简单，跟踪装置较复杂，缺点对检测设备精度要求较高，且受天气状况影响较大，需专门对天气状况进行判断。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能跟踪追日集热装置、***及方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种太阳能跟踪追日集热装置，包括集热组件、驱动装置、主动梁和被动梁，所述主动梁和所述被动梁平行且间隔设置，且两者之间均匀间隔设置有多个集热组件；所述集热组件包括槽体和吸热管，所述槽体内部中空且在平行于其轴线的方向开设有与其内部连通的矩形集热口，所述槽体的两端分别设置有一沿其轴线方向向外凸出延伸的转轴，各所述转轴分别经一轴承固定在主动梁和被动梁上，所述转轴内部中空且两端敞口设置，所述转轴的一端与所述槽体的内部连通；所述吸热管穿过两个转轴伸入所述槽体内部，且所述吸热管的两端分别伸出两个转轴，所述吸热管的两端分别经一连接管连接在与其前后相邻的吸热管的一端；各所述集热组件与所述主动梁相连的转轴均与驱动装置相连；所述槽体内壁为反光镜面。
优选的，所述驱动装置包括驱动电机、电动推杆、传动钢板和传动钢带，所述主动梁上设置有沿其长度方向延伸的滑轨，所述传动钢板上设置有对应伸入所述滑轨中的滑动件，各所述集热组件与主动梁相连的转轴上分别缠绕有一个传动钢带，各所述传动钢带均与所述传动钢板固定连接，所述传动钢板与所述电动推杆相连，所述电动推杆与所述驱动电机相连；所述驱动电机带动电动推杆伸缩以驱动传动钢板移动，进而使传动钢带带动转轴转动。
优选的，所述主动梁内部设置有容纳腔，所述驱动装置设置在所述容纳腔内。
优选的，所述角度获取模块包括多个角度传感器，各所述槽体分别连接一个角度传感器，各所述角度传感器能够实时获取与其相连的槽体相对于地面的倾斜角度。
本发明的目的还在于提供一种太阳能跟踪追日集热***，所述集热***包括上述任一所述的集热装置；所述集热***还包括
时间处理模块；所述时间处理模块以北京时间为准，并自动将集热***的当前时间实时转化为对应的北京时间，并在内部设定时间与北京时间出现偏差时，自动校正其内部设定时间；
核心计算模块；所述核心计算模块根据北京时间和集热装置安放的经纬度，实时获取对应时刻的太阳相对角度；
输出控制模块；所述输出控制模块根据所述核心计算模块获取的太阳相对角度，驱动集热装置随太阳转动；
角度获取模块；所述角度获取模块用于获取槽体的当前倾斜角度；
判断报警模块；所述判断报警模块用于判断角度获取模块获取的槽体的当前倾斜角度与当前时刻对应的太阳相对角度是否相等，若不相等，则报警。
本发明的目的还在于提供一种太阳能跟踪追日集热方法，所述集热方法使用上述所述的集热***实现，所述集热方法包括，
S1、对集热***进行初始化，使集热***获取当前时刻电动推杆的伸缩位置以及对应的槽体倾斜角度；
S2、时间处理模块读取集热***的当前时间，并自动将集热***的时间转化为与其对应的北京时间；核心计算模块根据当前时间对应的北京时间以及集热***所在的经纬度，计算当前时刻的太阳相对角度，并向输出控制模块输出计算结果；
S3、所述输出控制模块根据计算获取的太阳相对角度，计算电动推杆所需的步进脉冲数；
S4、启动电机，驱动电动推杆伸展或收缩，以改变槽体的倾斜角度；对电动推杆的步进脉冲数进行计数，当计数值与电动推杆所需的步进脉冲数相等时，关闭电机；此时，槽体的倾斜角度与当前时刻的太阳相对角度相等；
S5、所述判断报警模块将槽体的倾斜角度与与其相连的角度传感器中角度值比较，若整数位对应，则表示槽体的倾斜角度与当前时刻的太阳相对角度相等；否则，表示槽体的倾斜角度与当前时刻的太阳相对角度不相等，判断报警模块将会报警。
优选的，集热***实时检测当前太阳辐照值，若当前太阳辐照值低于预设辐射值时，则认为有冰雹危险，角度获取模块实时获取槽体的当前倾斜角度，并计算槽体的当前倾斜角与第一预设角度的角度差，输出控制模块根据角度差计算电动推杆所需的步进脉冲数，并驱动电推杆伸展或收缩，使槽体转动的角度等于角度差，令槽体的集热口朝向正下方。
优选的，集热***实时检测当前的风力值，若当前风力值超过预设风力值时，则认为有风力损坏的危险，角度获取模块实时获取槽体的当前倾斜角度，并计算槽体的当前倾斜角与第二预设角度的角度差，输出控制模块根据角度差计算电动推杆所需的进脉冲数，并驱动电推杆伸展或收缩，使槽体转动的角度等于角度差，令槽体的集热口朝向正上方。
本发明的有益效果是：1、采用电动推杆驱动槽体转动，机械上提高控制精度，保证所需的高精度需求。2、不依靠太阳光照情况，而根据时间和所处经纬度确定太阳相对角度进行跟踪追日，对天气状况要求低，且跟踪精度高。
附图说明
图1是本发明实施例中集热装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中集热装置的俯视图；
图3是本发明实施例中集热装置跟踪追日的原理图；
图4是本发明实施例中槽体集热的原理图；
图5是本发明实施例中集热方法的流程图。
图中：1、主动梁；2、被动梁；3、槽体；4、吸热管；5、连接管；6、转轴；7、电动推杆；8、传动钢板；9、传动钢带；10、集热口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1至图4所示，本实施例中，提供了一种太阳能跟踪追日集热装置，集热装置包括集热组件、驱动装置、主动梁1和被动梁2，所述主动梁1和所述被动梁2平行且间隔设置，且两者之间均匀间隔设置有多个集热组件；所述集热组件包括槽体3和吸热管4，所述槽体3内部中空且在平行于其轴线的方向开设有与其内部连通的矩形集热口10，所述槽体3的两端分别设置有一沿其轴线方向向外凸出延伸的转轴6，各所述转轴6分别经一轴承固定在主动梁1和被动梁2上，所述转轴6内部中空且两端敞口设置，所述转轴6的一端与所述槽体3的内部连通；所述吸热管4穿过两个转轴6伸入所述槽体3内部，且所述吸热管4的两端分别伸出两个转轴6，所述吸热管4的两端分别经一连接管5连接在与其前后相邻的吸热管4的一端；各所述集热组件与所述主动梁1相连的转轴6均与驱动装置相连；所述槽体3内壁为反光镜面。
本实施例中，所述驱动装置包括驱动电机、电动推杆7、传动钢板8和传动钢带9，所述主动梁1上设置有沿其长度方向延伸的滑轨，所述传动钢板8上设置有对应伸入所述滑轨中的滑动件，各所述集热组件与主动梁1相连的转轴6上分别缠绕有一个传动钢带9，各所述传动钢带9均与所述传动钢板8固定连接，所述传动钢板8与所述电动推杆7相连，所述电动推杆7与所述驱动电机相连；所述驱动电机带动电动推杆7伸缩以驱动传动钢板8移动，进而使传动钢带9带动转轴6转动。
本实施例中，所述主动梁1内部设置有容纳腔，所述驱动装置设置在所述容纳腔内。
本实施例中，由于采用传动钢带连接，传动钢带有一定的紧固力，所以传动没有活动量(即传动余量)，传动精度高，同时电动推杆步距小，控制精度高，组合成的集热装置控制精度非常高，满足要求控制精度高的工况。
实施例二
本实施例中，提供了一种太阳能跟踪追日集热***，所述集热***包括
集热装置；所述集热装置随太阳转动，使其一直朝向太阳，以获取太阳能；
时间处理模块；所述时间处理模块以北京时间为准，并自动将集热***的当前时间实时转化为对应的北京时间，并在内部设定时间与北京时间出现偏差时，自动校正其内部设定时间；
核心计算模块；所述核心计算模块根据北京时间和集热***安放的经纬度，实时获取对应时刻的太阳相对角度；
输出控制模块；所述输出控制模块根据所述核心计算模块获取的太阳相对角度，驱动集热装置随太阳转动；
角度获取模块；所述角度获取模块用于获取槽体3的当前倾斜角度；
判断报警模块；所述判断报警模块用于判断角度获取模块获取的槽体3的当前倾斜角度与当前时刻对应的太阳相对角度是否相等，若不相等，则报警。
本实施例中，所述角度获取模块包括多个角度传感器，各所述槽体3分别连接一个角度传感器，各所述角度传感器能够实时获取与其相连的槽体3相对于地面的倾斜角度。
本实施例中，为了保证集热***的精准度，集热装置在安装的时候需要进行校准。安装时需对旋转角度进行设定，当电动推杆7在一定长度时(电动推杆7行程总长度一般40cm，伸出约1cm进行设定)，输出控制模块设定为-90度，此时对集热装置进行-90度固定，通过标准计量器具进行检测确认，同时角度获取模块对-90度位置进行角度采集(-90度位置即槽体3垂直于地面，集热口10朝向侧面)及电动推杆7的伸出长度采集，以便于后面的计算，集热装置固定好后，手动将槽体3转至水平0度(水平0度即槽体3朝向正上方)，再通过标准计量器具进行检测确认，同时角度获取模块对0度位置进行角度获取和电推杆的伸出长度采集，以便于后面的计算。安装好以后，启动集热***，对其进行调试，集热***经多次(24小时内)翻传后，-90度对应的电推杆伸缩位置和0度对应的电推杆伸缩位置都与之前采集的数据相等，则表示安装稳定可靠，可以正常运行；否则需重新安装。
本实施例中，集热***根据角度获取模块获取的角度值以及对应的电推杆伸缩长度值，进行平均角度计算，使每个伸长长度数据值都对应一个角度值，再按照核心计算处理模块计算的相对角度值，控制电动推杆7的伸长长度，以调整集热装置的角度与计算角度相同，实现跟踪，同时，判断报警模块每到-90度和0度值时都需将其对应的电动推杆7伸缩长度值、与安装集热装置使通过标准计量器具采集的-90度和0度值时对应的电动推杆7伸缩长度值对比，出现偏差，即报警。
本实施例中，电动推杆7采用40厘米的伸长量，全过程分为1080个脉冲步长，精度为每个步长0.37毫米；由直行程转为角行程时设计为总计旋转225度，则每度的步长为0.5625毫米，即角度控制精度为0.66度，核心计算处理模块计算的太阳相对角度精度为0.04度，合计精度为0.7度，满足1度以内的误差，可以保证跟踪精度。
本实施例中，集热***在使用的时候，可以并排设置多个集热装置，每个集热装置都包括多个并列设置的集热组件。每一个集热装置上都有相应的介质供应装置和介质存储装置，介质供应装置和介质存储装置分别连接在集热装置中的首尾吸热管4上，使介质供应装置中的介质进入吸热管4中，并在经过每个槽体3吸收太阳能加热后，收集在介质存储装置中。
吸热管4中的介质会按设计的温度在循环泵的作用下进行循环，介质温度没有达到设计温度前，循环泵不启动，即介质静止在吸热管4中通过槽体3反射太阳能吸热；当达到设计温度时，循环泵启动，即介质循环。而在全天时间段，槽体3在电动推杆7的控制下转动，使其反光镜面始终面相太阳(即追日)，以此接受最佳的太阳辐射光，为介质加热。
实施例三
如图5所示，本实施例中，提供了一种太阳能跟踪追日集热方法，所述集热方法使用集热***实现，所述集热方法包括，
S1、对集热***进行初始化，使集热***获取当前时刻电动推杆7的伸缩位置以及对应的槽体3倾斜角度；
S2、时间处理模块读取集热***的当前时间，并自动将集热***的时间转化为与其对应的北京时间；核心计算模块根据当前时间对应的北京时间以及集热***所在的经纬度，计算当前时刻的太阳相对角度，并向输出控制模块输出计算结果；
S3、所述输出控制模块根据计算获取的太阳相对角度，计算电动推杆7所需的步进脉冲数；
S4、启动电机，驱动电动推杆7伸展或收缩，以改变槽体3的倾斜角度；对电动推杆7的步进脉冲数进行计数，当计数值与电动推杆7所需的步进脉冲数相等时，关闭电机；此时，槽体3的倾斜角度与当前时刻的太阳相对角度相等；
S5、所述判断报警模块将槽体3的倾斜角度与与其相连的角度传感器中角度值比较，若整数位对应，则表示槽体3的倾斜角度与当前时刻的太阳相对角度相等；否则，表示槽体3的倾斜角度与当前时刻的太阳相对角度不相等，判断报警模块将会报警。
本实施例中，集热***实时检测当前太阳辐照值，若当前太阳辐照值低于预设辐射值(一般设定为150W)时，则认为有冰雹危险，角度获取模块实时获取槽体3的当前倾斜角度，并计算槽体3的当前倾斜角与第一预设角度的角度差，输出控制模块根据角度差计算电动推杆7所需的步进脉冲数，并驱动电推杆伸展或收缩，使槽体3转动的角度等于角度差，令槽体3的集热口10朝向正下方。
槽体3内壁由超白钢化玻璃组成，对冰雹具有一定的抗打性，但也需要进行安全保护，当检测出有冰雹危险时，需要将槽体3的集热口10朝向正下方，使冰雹不会落入槽体3内部，损坏槽体3内壁。因此需要将槽体3翻转到朝向正下方，提高抗打机能力。
本实施例中，集热***实时检测当前的风力值，若当前风力值超过预设风力值(一般设定为25m/s)时，则认为有风力损坏的危险，角度获取模块实时获取槽体3的当前倾斜角度，并计算槽体3的当前倾斜角与第二预设角度的角度差，输出控制模块根据角度差计算电动推杆7所需的进脉冲数，并驱动电推杆伸展或收缩，使槽体3转动的角度等于角度差，令槽体3的集热口10朝向正上方。
由于槽体3集热面较大，垂直时迎风面较大，容易吹坏，需对风速大到一定程度进行放平保护，也就是将槽体3转动到集热口10朝向正上方。
本实施例中，集热方法首先取得由网络对标后标准时间，根据当地的经纬度和年校正系数转化为当地地方时间，分为年、月、日、时、分、秒，此六个数据分别代入公式即取得太阳相对角度：
太阳高度角α＝Asin(sinδssinL+cosδscosLcosω)
太阳方位角γ＝Acos(cosδssinLcosω-sinδscosL)/cosα
太阳相对角度＝ATAN(SIN((南北轴夹角-γ))/TAN(α))
其中，A-取反；Asin即为反正弦；δs-赤纬角；L-当地地理纬度；ω-时角；南北轴夹角是集热装置与南北方向夹角，由集热装置安装后测得。
通过以上公式计算得到太阳相对角，由太阳相对角作为计算基准，对***进行精准控制，以保证集热装置在此角度上。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种太阳能跟踪追日集热装置、***及方法，采用电动推杆驱动槽体转动，机械上提高控制精度，保证所需的高精度需求。不依靠太阳光照情况，而根据时间和所处经纬度确定太阳相对角度进行跟踪追日，对天气状况要求低，且跟踪精度高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种太阳能跟踪追日集热装置，其特征在于：包括集热组件、驱动装置、主动梁和被动梁，所述主动梁和所述被动梁平行且间隔设置，且两者之间均匀间隔设置有多个集热组件；所述集热组件包括槽体和吸热管，所述槽体内部中空且在平行于其轴线的方向开设有与其内部连通的矩形集热口，所述槽体的两端分别设置有一沿其轴线方向向外凸出延伸的转轴，各所述转轴分别经一轴承固定在主动梁和被动梁上，所述转轴内部中空且两端敞口设置，所述转轴的一端与所述槽体的内部连通；所述吸热管穿过两个转轴伸入所述槽体内部，且所述吸热管的两端分别伸出两个转轴，所述吸热管的两端分别经一连接管连接在与其前后相邻的吸热管的一端；各所述集热组件与所述主动梁相连的转轴均与驱动装置相连；所述槽体内壁为反光镜面。
2.根据权利要求1所述的太阳能跟踪追日集热装置，其特征在于：所述驱动装置包括驱动电机、电动推杆、传动钢板和传动钢带，所述主动梁上设置有沿其长度方向延伸的滑轨，所述传动钢板上设置有对应伸入所述滑轨中的滑动件，各所述集热组件与主动梁相连的转轴上分别缠绕有一个传动钢带，各所述传动钢带均与所述传动钢板固定连接，所述传动钢板与所述电动推杆相连，所述电动推杆与所述驱动电机相连；所述驱动电机带动电动推杆伸缩以驱动传动钢板移动，进而使传动钢带带动转轴转动。
3.根据权利要求2所述的太阳能跟踪追日集热装置，其特征在于：所述主动梁内部设置有容纳腔，所述驱动装置设置在所述容纳腔内。
4.根据权利要求3所述的太阳能跟踪追日集热装置，其特征在于：所述角度获取模块包括多个角度传感器，各所述槽体分别连接一个角度传感器，各所述角度传感器能够实时获取与其相连的槽体相对于地面的倾斜角度。
5.一种太阳能跟踪追日集热***，所述集热***包括上述权利要求1至4任一所述的集热装置；其特征在于：所述集热***还包括
时间处理模块；所述时间处理模块以北京时间为准，并自动将集热***的当前时间实时转化为对应的北京时间，并在内部设定时间与北京时间出现偏差时，自动校正其内部设定时间；
核心计算模块；所述核心计算模块根据北京时间和集热装置安放的经纬度，实时获取对应时刻的太阳相对角度；
输出控制模块；所述输出控制模块根据所述核心计算模块获取的太阳相对角度，驱动集热装置随太阳转动；
角度获取模块；所述角度获取模块用于获取槽体的当前倾斜角度；
判断报警模块；所述判断报警模块用于判断角度获取模块获取的槽体的当前倾斜角度与当前时刻对应的太阳相对角度是否相等，若不相等，则报警。
6.一种太阳能跟踪追日集热方法，所述集热方法使用上述权利要求5所述的集热***实现，其特征在于：所述集热方法包括，
S1、对集热***进行初始化，使集热***获取当前时刻电动推杆的伸缩位置以及对应的槽体倾斜角度；
S2、时间处理模块读取集热***的当前时间，并自动将集热***的时间转化为与其对应的北京时间；核心计算模块根据当前时间对应的北京时间以及集热***所在的经纬度，计算当前时刻的太阳相对角度，并向输出控制模块输出计算结果；
S3、所述输出控制模块根据计算获取的太阳相对角度，计算电动推杆所需的步进脉冲数；
S4、启动电机，驱动电动推杆伸展或收缩，以改变槽体的倾斜角度；对电动推杆的步进脉冲数进行计数，当计数值与电动推杆所需的步进脉冲数相等时，关闭电机；此时，槽体的倾斜角度与当前时刻的太阳相对角度相等；
S5、所述判断报警模块将槽体的倾斜角度与与其相连的角度传感器中角度值比较，若整数位对应，则表示槽体的倾斜角度与当前时刻的太阳相对角度相等；否则，表示槽体的倾斜角度与当前时刻的太阳相对角度不相等，判断报警模块将会报警。
7.根据权利要求6所述的太阳能跟踪集热方法，其特征在于：集热***实时检测当前太阳辐照值，若当前太阳辐照值低于预设辐射值时，则认为有冰雹危险，角度获取模块实时获取槽体的当前倾斜角度，并计算槽体的当前倾斜角与第一预设角度的角度差，输出控制模块根据角度差计算电动推杆所需的步进脉冲数，并驱动电推杆伸展或收缩，使槽体转动的角度等于角度差，令槽体的集热口朝向正下方。
8.根据权利要求6所述的太阳能跟踪集热方法，其特征在于：集热***实时检测当前的风力值，若当前风力值超过预设风力值时，则认为有风力损坏的危险，角度获取模块实时获取槽体的当前倾斜角度，并计算槽体的当前倾斜角与第二预设角度的角度差，输出控制模块根据角度差计算电动推杆所需的进脉冲数，并驱动电推杆伸展或收缩，使槽体转动的角度等于角度差，令槽体的集热口朝向正上方。
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