CN2158993Y - 一种数控太阳能锅炉 - Google Patents

Abstract

一种数控太阳能锅炉，它有支架、反射镜、吸热炉 管、反射镜运动导轨、跟踪驱动装置，其特征在于：反 射镜运动导轨为直线导轨，有中央控制计算机，标准 工业控制介面加各种适配模块这种机电一体化的测 控模块。阳光照射角度发生变化时，平行移动反射镜 和吸热炉管的相对位置，使反射光始终照射到吸热炉 管的表面达到跟踪的目的。无平衡问题。使用机电 一体化的测控模式，完成反射镜直线跟踪运动的反馈 控制和吸热工况的控制。

Description

一种数控太阳能锅炉，它是一种太阳能转换装置，可用于各种工业及民用太阳能采集装置。

太阳能的普及利用是当今社会所急需解决的一个重要课题之一。太阳能是一种干净、无污染和对环境几乎无影响的一种很好的一次能源，而有较和大面积普及利用太阳能对我们生存的环境和资源保护都是很有效的。但是，在太阳能利用中，最难解决的有下面两个问题。问题之一是太阳光的能流密度（在单位时间里通过单位面积的太阳光所带能量）不高，一般只有每平方米1千瓦左右。在直接利用换能器吸收时，为得到较大的输出功率，就必须使用大面积的换能元件。如果是使用如水等吸热介质换能，由于换能元件表面本身与外界也在进行热交换（对流和幅射），产生较多的热量损失，因此换能效率不高，而且得到的是较低品位的热能。如果使用如太阳能电池直接把光能转换成电能，则为得到大的输出功率，需要大面积的太阳能电池，因此单位电能输出的成本较高。问题之二是太阳在天空中的位置是随一天中时刻不同而变化的。为提高太阳光的能流密度，可以使用各种汇集装置（如反射镜等）把太阳光集中，提高能流密度。但由于太阳在天空中位置的变化，必须使用一套跟踪装置使汇集装置的输出始终保持在换能器的表面，现在的跟踪方式多使用旋转跟踪法，通过使反射镜旋转使其始终指向太阳。这种跟踪方法虽保证了可使太阳处在不同位置时，反射的阳光始终聚焦到吸热管上，但由于采用转动机构，在反射镜较大（因而反射镜的曲率半径也较大）时，因需绕曲率中心旋转，使其结构、体积都很大，转动时的平衡问题也难解决。

本实用新型的目的是发明一种数控太阳能锅炉，它使用反射镜直线运动的跟踪形式，由数控装置进行跟踪运动的反馈控制，可以提高控制精度并适应直线跟踪的非线性移动速度要求。

本实用新型如附图1所示，它有支架1、反射镜2、吸热炉管3、反射镜运动导轨4、跟踪驱动装置5，支架1支持反射镜2使其轴线为南北方向并使轴线与水平面的夹角等于使用地纬度值，其特征在于：反射镜运动导轨4为直线导轨，跟踪驱动装置5的动力装置是稀土永磁电机，有控制驱动电机的可控变频电源6，在近旁有标准工业控制介面7，标准工业控制介面7通过标准串行通讯接口与可和其它设备共用的中央控制计算机8相连，在吸热炉管3端口接有循环泵9，在出水口处还装有温度传感器10，在支架1上装有光强传感器11，在吸热炉管3上装有跟踪传感器12，在工业控制介面7中分别插有与温度传感器10，光强传感器11和跟踪传感器12相连的测量适配模块13、14和15，还插有分别与可控变频电源6以及循环泵9相连并对其进行控制的控制适配模块16和17。

附图1为本实用新型结构示意图。

附图2为太阳光入身角度与反光镜指面间有一定角度时的光线的射示意图。L为反射镜相对于换能器件的跟踪偏移量。

附图3为有多个反射镜和多个吸热炉管3的一种结构示意图。

附图4为多个反射镜在大角度太阳光投射下的聚焦光路示意图。

本实用新型的工作原理如下：

本实用新型中的反射镜2是有一定聚焦作用的反射镜，可以是如抛物柱面的曲面型反射镜，也可以是由多条平面组成的多棱柱面形，其每一个棱边都在假设的抛物柱面上，以降反射镜的制造成本。由于本实用新型的反射镜是由有聚焦作用的凹形曲面或是由多边棱柱形近似的凹形曲面，当太阳光以某一个角度入射到反射镜2时，反射镜2将它聚焦到焦面上的一条线。如附图2所示，不同的太阳位置（表面为不同的太阳光入射角），聚焦的像只是不同位置的焦平面上的不同线，因此进行跟踪时，只要平行移动反射镜2相对于吸热炉管3的位置，就能保持收集的太阳光始终作用在吸热炉管3上。

本实用新型中，使用可共有的中央控制计算机8对整个装置进行控制，其控制分两个部分，一部分是跟踪控制，另一部分是吸热工况控制。它们都使用定时扫描的形式。在跟踪控制时，中央控制计算机8通过标准串行通讯接口发出选通与跟踪传感器12相连的测量适配模块15的地址选通信号。该信号由标准工业控制介面7接收后，根据地选信号的值选通测量适配模块15。选通后，测量适配模块15把由跟踪传感器12测量的在吸热炉管3处的光强值经A／D变换后反送到中央控制计算机8中。当中央控制计算机8把得到的跟踪光强信号与阈值进行比较，当小于阈值时，说明聚焦焦点已偏离吸热炉管3。中央控制计算机8发出选通与可控变频电源6相连并对其进行控制的控制适配模块16的地址选通信号。当标准工业控制介面7接收到该地选信号后，选通相应的控制适配模块16。选通后，中央控制计算机8发出一个跟踪速度变化值，由适配模块16接收并锁存后，经A／D变换后控制可控变频电源6输出相应频率交流电驱动跟踪装置中的稀土永磁电机。通过控制稀土永磁电机的通电时间和通电频率，可以控制转动角度。在改变跟踪驱动装置的跟踪速度后，中央控制计算机8再次通过标准工业控制介面选通测量适配模块15并不断接收经它A／D变换后送回的值。把这些值逐次与阈值比较，在超过阈值后，中央控制计算机8通过标准串行通讯接口再次发出选通话配模块16的地选信号。经标准工业控制介面选通后，中央控制计算机8发出基础跟踪速度所对应频率值数字量或停止（零频率）值，由控制适配模块16接收并锁存后控制可控变频电源6做相应变化。通过上述过程的不断循环，就完成了跟踪的反馈控制。中央控制计算机8在对跟踪进行控制的同时，还使用分时方法对吸热工况进行控制。中央控制计算机8定时发出选通与温度传感器10相连的测量适配模块13的地址选通信号。标准工业控制介面7根据接收到的地选信号值选通相应的测量适配模块13。选通后，测量适配模块13把由温度传感器10测得的吸热管加热的循环水温度值经A／D变换后送回到中央控制计算机8中。与测量循环水温度一样，测量太阳光强度时，中央控制计算机8定时发出选通与光强传感器11相连的测量适配模块14的地址选通信号。由标准工业控制介面7接收后选通相应的测量适配模块14。选通后，测量适配模块14把由光强传感器11测得的当时日照值经A／D变换后送回到中央控制计算机8。中央控制计算机8把测得的循环水出水温度和光照强度以及输入需求值代入控制模型中去，以决定其循环水的循环速度。在要改变循环速度时，中央控制计算机8发出选通与循环泵9相连并对其进行控制的控制适配模块17的地址选通信号。该地址信号由标准工业控制介面7接收后选通相应的控制适配模块17。选通后，中央控制计算机8发出新的循环系数，经控制适配模块17锁存并D／A变换后，控制驱动循环泵9改变工况。

本实用新型利用当太阳光位置变化引起阳光照射的角度发生变化时，反射镜聚焦的焦线在焦面中移动的特性，采用平行移动反射镜和吸热炉管的相对位置，使反射的太阳光始终照射到吸热炉管的表面达到跟踪的目的。使用平行移动代替了过去旋转运动的跟踪形式，可以大大减小跟踪装置的结构体积，也无平衡问题。本实用新型使用中央控制计算机，标准工业控制介面加各种适配模块这种机电一体化的测控模式，完成反射镜直线跟踪运动的反馈控制和吸热工况的控制，可以提高控制精度并适应直线跟踪的非线性移动速度。同时可以使本实用新型的吸热处在最佳工况值，提高吸热效率。

本实用新型可以采用多个反射镜2和吸热炉管3共用同一个反射镜运动导轨4和跟踪驱动装置5，如附图3所示。其反射镜2的形状尺寸都是一样的，并彼此平行，因此它们的跟踪运动是一致的，可以同用一套反射镜运动导轨4和跟踪驱动装置5。采用多个反射镜2和吸热炉管3共用一套反射镜运动导轨4和跟踪驱动装置5的方法。可以使用多个尺寸较小的反射镜组合来得到较大的太阳能收集面积。这不仅可以降低反射镜的制造困难，而且也可以减小本装置的厚度尺寸和减小在相同有效太阳光收集面积时的反射镜总面积。更重要的是，采用相对尺度比较小的多个反射镜时，可以减小在太阳移动相同位置时的跟踪移动距离。这不仅减小了反射镜移动导轨4尺寸和结构，降低了跟踪驱动装置5的驱动功率，也使跟踪易于控制。

本实用新型在采用多个反射镜2和吸热炉管3这种形式时，其数目是3个、4个、十几个以至几十个共用一套反射镜移动导轨和跟踪驱动装置。其数目多一些好，但应根据要求采集太阳光面积确定，在面积较小时，由于相对吸热炉管3的尺寸不易做得太小，因而数目过多时，会使吸热炉管3总体面积过大，降低了实际的聚光效率，提高能流密度的作用减小，也增加了成本。

本实用新型在采用多个反射镜2和吸热炉管3这种形式时，其跟踪运动的总距可以只等于其反射镜2宽度（也是两吸热炉管3的间距），当太阳位置比较倾斜时，反射镜2将反射的太阳光聚交到相邻的吸热炉管3上，如附图4所示。

在本实用新型由多个反射镜2和吸热炉管3组成的这种形式中，可以只用一个循环泵9的方式，这时温度传感器10装于各吸热炉管3的汇总口处。也可以装有多个循环泵9，它们分别驱动各自的吸热炉管3中的循环水进行循环，这时在每一个吸热炉管3（或由一组由同一个循环泵9驱动的吸热炉管3）都装有一个温度传感器10。对于每一个循环泵9和每一个温度传感器10，在标准工业控制介面7中都分别插有相应的控制或测量适配模块。中央控制计算机8在控制时进行分别控制。

还可以以本实用新型为基础，采用多个本实用新型并联，它们共用一个中央控制计算机和相应的控制软件。

本实用新型中的温度传感器10可以使用普通的半导体温度传感器，热敏电阻或是热电偶，其精要求高，测量值范围在0～200℃。本实用新型中的循环泵9可以采用如专利号为CN92209206的供水泵或是如专利号为CN92209705的锅炉给水泵也可以采用如专利申请号为CN90101726.4的可控变工况工业泵组。

本实用新型中的反射镜导轨4可以是滑动导轨，如普通机床上的导轨，可以是三角形、梯形或是燕尾形。也可以是滚动导轨，在反射镜2背面与导轨面对应处装有滚动轮，以减小阻力。本实用新型中的跟踪驱动装置5可以是由可控制电机，减速器和执行装置组成，执行装置可以是螺母螺杆付，也可以是齿轮齿条付。可控电机转动时，通过减速器减速后，执行装置把其变为直线跟踪运动。其具体结构可以采用如专利号为CN91218541和CN91209770的专利。当本实用新型为大型装置时，跟踪驱动装置5也可以采用液压驱动，由一套液压源及控制装置和液压缸组成，这样可以有较大的驱动力矩。

在本实用新型中，标准工业控制介面7可以选用美国ME公司（MECHATRONICEQUIPMENT    INC.）的I／O    32，或是美国OPTO    22公司的PB16AH。中央控制计算机8可以选用美国OPTO    22公司的LC4控制器，也可以选用美国ME公司的PCS－1工业过程控制工作站，还可以选用普通PC计算机。适配模块13、14和15可以采用OPTO    22公司的AD3或类似的A／D转换模块。适配模块16和17可选用OPTO    22公司的DF3或类似的D／F转换模块。

Claims (1)

1、一种数控太阳能锅炉，它有支架(1)、反射镜(2)、吸热炉管(3)、反射镜运动导轨(4)、跟踪驱动装置(5)，支架(1)支持反射镜(2)使其轴线为南北方向并使轴线与水平的夹角等于使用地纬度值，其特征在于：反射镜运动导轨(4)为直线导轨，跟踪驱动装置(5)的动力装置是稀土永磁电机，有控制驱动电机的可控变频电源(6)，在近旁有标准工业控制介面(7)，标准工业控制介面(7)通过标准串行通讯接口与可和其它设备共用的中央控制计算机(8)相连，在吸热炉管(3)端口接有循环泵(9)，在出水口处还装有温度传感器(10)，在支架(1)上装有光强传感器(11)，在吸热炉管(3)上装有跟踪传感器(12)，在工业控制介面(7)中分别插有与温度传感器(10)，光强传感器(11)和跟踪传感器(12)相连的测量适配模块(13)、(14)和(15)，还插有分别与可控变频电源(6)以及循环泵(9)相连并对其进行控制的控制适配模块(16)和(17)。

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