碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)，以提高對日跟蹤的精度。其包括安裝在集熱器上的、對稱分布于集熱器的受熱點(diǎn)的東側(cè)、西側(cè)、南側(cè)、北側(cè)的測溫元件，比較元件，脈沖裝置，驅(qū)動器以及動力裝置；其中，東側(cè)測溫元件和西側(cè)測溫元件的溫度信號輸入到比較元件，比較元件輸出溫差信號到脈沖裝置，脈沖裝置輸出脈沖信號到驅(qū)動器，驅(qū)動器輸出方位角偏差信號至動力裝置，以使動力裝置驅(qū)動聚光器進(jìn)行方位角的調(diào)整；南側(cè)測溫元件和北側(cè)測溫元件的溫度信號輸入到比較元件，比較元件輸出溫差信號到脈沖裝置，脈沖裝置輸出脈沖信號到驅(qū)動器，驅(qū)動器輸出高度角偏差信號至動力裝置，以使動力裝置驅(qū)動聚光器進(jìn)行高度角的調(diào)整。
【專利說明】碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能發(fā)電系統(tǒng)的對日跟蹤的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用自動跟蹤太陽的聚光器將太陽能聚集到熱機(jī)的集熱器，從而加熱斯特林發(fā)動機(jī)進(jìn)行運(yùn)動做功，發(fā)動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。聚光器的鏡面為拋物面，對日跟蹤常用的方案是采用定時(shí)跟蹤方式，光敏傳感器跟蹤方式或定時(shí)跟蹤方式與光敏傳感器相結(jié)合的跟蹤方式。光敏傳感器跟蹤方式是在拋物面開口邊的東、西、南、北位置上設(shè)置光敏器件(常用光敏電阻)，分別檢測照射到這四個(gè)點(diǎn)上的光的強(qiáng)度，用四點(diǎn)的光強(qiáng)度是否一致來確定拋物面中軸偏向何處。這種方案理論上可行，但實(shí)際上要求測量的靈敏度極高，檢測設(shè)備要求放大倍數(shù)很高，因此容易受到干擾而不太實(shí)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)，以提聞對日跟蹤的精度。
[0004]為實(shí)現(xiàn)所述目的的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)，該碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)包括聚光器以及集熱器，其特征在于，該四象限測量控制系統(tǒng)包括安裝在集熱器上的、對稱分布于集熱器的受熱點(diǎn)的東偵彳、西偵彳、南側(cè)、北側(cè)的測溫元件，比較元件，脈沖裝置，驅(qū)動器以及動力裝置；其中，東側(cè)測溫元件和西側(cè)測溫元件的溫度信號輸入至批較元件，比較元件輸出溫差信號到脈沖裝置，脈沖裝置輸出脈沖信號到驅(qū)動器，驅(qū)動器輸出方位角偏差信號至動力裝置，以使動力裝置驅(qū)動聚光器進(jìn)行方位角的調(diào)整；南側(cè)測溫元件和北側(cè)測溫元件的溫度信號輸入到比較元件，比較元件輸出溫差信號到脈沖裝置，脈沖裝置輸出脈沖信號到驅(qū)動器，驅(qū)動器輸出高度角偏差信號至動力裝置，以使動力裝置驅(qū)動聚光器進(jìn)行高度角的調(diào)整。
[0005]由測溫元件來替代傳統(tǒng)的光敏元件，這使得測量精度被提高。
[0006]本發(fā)明的前述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將在后述的實(shí)施例中詳細(xì)說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的動作原理圖。
[0008]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)的工作原理圖。
[0009]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)的高度角偏差調(diào)節(jié)回路的示意圖。
[0010]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)的方位角偏差調(diào)節(jié)回路的示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，在以下的描述中闡述了更多的細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明顯然能夠以多種不同于此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況作類似推廣、演繹，因此不應(yīng)以此具體實(shí)施例的內(nèi)容限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0012]如圖1所示，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)包括聚光器1，支撐聚光器I的立柱2，聚光器I和立柱2之間通過轉(zhuǎn)向節(jié)連接，轉(zhuǎn)向節(jié)使得聚光器I可以在東西方向轉(zhuǎn)動，即繞O點(diǎn)進(jìn)行平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動可以通過聚光器I的高度角α來表達(dá)，高度角α為聚光器I的中軸11與水平方向的夾角。轉(zhuǎn)向節(jié)還使得聚光器可以在在南北方向轉(zhuǎn)動，即繞立柱2的轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動可以通過聚光器I的方位角β來表達(dá)。
[0013]根據(jù)地球物理學(xué)的原理，應(yīng)用解析幾何的分析方法，可以推導(dǎo)出地面上的任何一點(diǎn)(用經(jīng)度、緯度表示)，看到太陽的高度角等基本算式。
[0014]太陽的高度角，可以由下式確定 [0015]Sin ( a ) =sin ( Y ) sin ( δ ) +cos ( Y ) cos ( δ ) cos (ω)
[0016]上式中:α為高度角；Y為地面上一點(diǎn)的緯度；δ為地球在某一天的赤緯角；ω為地球上一點(diǎn)的某一天的時(shí)角。
[0017]赤纟韋角δ可用Cooper (庫柏)方程近似計(jì)算，即δ =23.45sin (360* (284+n)/365)η為一年中的日期天數(shù)。
[0018]更為精確的計(jì)算,可用下面算是近似，即S=ZSjSsinOZ^=Ka1ZiNAa2ZiNja3/Ν3+α4/Ν4))
[0019]a i為從春分日開始計(jì)算的天數(shù)；Ν1=92.975為從春分日到夏至日的天數(shù)；
[0020]a 2為從夏至日開始計(jì)算的天數(shù)；N2=93.629為從夏至日到秋分日的天數(shù)；
[0021]a 3為從秋分日開始計(jì)算的天數(shù)；N3=89.865為從秋分日到冬至日的天數(shù)；
[0022]a 4為從冬至日開始計(jì)算的天數(shù)；N4=89.012為從冬至日到春分日的天數(shù)；
[0023]在春分日a ρΟ，依次類推。該式計(jì)算精度比Cooper近似式提高5倍。
[0024]太陽的方位角，用下式確定表示:
[0025]Sin ( β ) =cos ( δ ) sin (ω) /cos ( a )
[0026]曰出、日落的時(shí)角:由于日出和日落，太陽的高度角a =0。，COS(U))=—tan(B)tan(6),顯然時(shí)角對稱時(shí)角。
[0027]日照時(shí)間:是日落時(shí)間減去日出時(shí)間，再除以15°。
[0028]在圖1中，沒有示出的是，驅(qū)動聚光器的動力裝置可以是步進(jìn)電機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)具有止逆的功能，這使得聚光器受到風(fēng)力作用后可以保持控制位置不變(拋物面因自身強(qiáng)度的原因可能會引起朝向變化)。對于步進(jìn)電機(jī)的功率選擇，由于拋物面旋轉(zhuǎn)速度比較小，且又有蝸輪蝸桿的減速，因而驅(qū)動電機(jī)功率可以選的比較小，只要考慮滿足當(dāng)出現(xiàn)異常情況，需快速將拋物面停止在安全位置時(shí)所需的功率。聚光器I的實(shí)際轉(zhuǎn)動位置的測量可以由角度編碼器實(shí)現(xiàn)。對于跟蹤太陽的高度角α的控制可以采用閉環(huán)控制，即根據(jù)前述公式確定α，然后利用脈沖裝置輸出控制脈沖信號至電機(jī)驅(qū)動器，電機(jī)驅(qū)動器再輸出驅(qū)動信號至高度角步進(jìn)電機(jī)，高度角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動聚光器I進(jìn)行南北方向的轉(zhuǎn)動，再通過高度角測量編碼器來測量聚光器I的實(shí)際轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動角度，利用比較元件將高度角測量編碼器的輸出信號與目標(biāo)值進(jìn)行比較，若有偏差，則輸出反饋信號至脈沖裝置。同樣的，對于跟蹤太陽的方位角β的控制可以采用閉環(huán)控制，即根據(jù)前述公式確定β，然后利用脈沖裝置輸出控制脈沖信號至電機(jī)驅(qū)動器，電機(jī)驅(qū)動器再輸出驅(qū)動信號至高度角步進(jìn)電機(jī)，高度角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動聚光器I進(jìn)行東西方向的轉(zhuǎn)動，再通過方位角測量編碼器來測量聚光器I的實(shí)際轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動角度，利用比較元件將方位角測量編碼器的輸出信號與目標(biāo)值進(jìn)行比較，若有偏差，則輸出反饋信號至脈沖裝置。對于方位角、高度角的轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，可以分別利用動力裝置來實(shí)現(xiàn)。
[0029]如圖2所示，由于實(shí)際對日跟蹤工作中，聚光器I的拋物面會受到外部作用的影響(比如，風(fēng)力影響，甚至下雨或下雪等因素)而發(fā)生其中軸11偏離太陽光射線方向(即中軸與太陽光線不平行)，在圖2中虛線表示中軸11和太陽光不平行的情況，實(shí)現(xiàn)表示二者平行的情況，若二者不平行就會影響光熱轉(zhuǎn)換的效率，換句話說，聚光器I聚集的光通量沒有達(dá)到最大值。這是所不期望的，因此需要在前述跟蹤方案的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行調(diào)整，已使得中軸11與太陽光線平行。
[0030]借助于圖1，根據(jù)本發(fā)明的中碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)，其包括在聚光器I的焦點(diǎn)12 (如圖所示，其位于中軸線11上)的東、西、南、北側(cè)分別布置的測溫元件122、124、121、123 (例如為熱電偶)，在圖1中焦點(diǎn)12與集熱器(圖中沒有示出)的受熱中心重合，即測溫元件122、124、121、123是布置在集熱器的受熱中心的東西南北，并且是以受熱中心對稱分別。用于測溫元件122、124、121、123測得的四點(diǎn)的溫度是否一致來確定聚光器I的拋物面的中軸11是否偏離太陽射線方向。即如發(fā)生拋物面向北方向偏離，那么拋物面北半面受光面積偏大，接受光輻射量大，拋物面南半面則受光面積變小，接受的光輻射量變小，這反映在北側(cè)的測溫元件123的溫度就比南側(cè)的測溫元件121的溫度高。同理，東、西側(cè)的測溫元件122、124的比較也能判斷出東側(cè)或者西側(cè)的偏離。
[0031]因?yàn)榫酃馄鱅的轉(zhuǎn)動僅兩個(gè)自由度(α，β )，因而只需兩個(gè)方向的判斷即可確定中軸11的偏移角度，即東、西和南、北兩個(gè)方向的偏移角度。根據(jù)本發(fā)明的中碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)還包括如圖3所示的溫差控制回路，以及包括如圖4所示的溫差控制回路。
[0032]如圖3所示的溫差控制回路包括比較元件32、脈沖裝置33、高度角驅(qū)動器34、電機(jī)及減速器構(gòu)成的動力裝置35、高度角測量編碼器36、控制器(用于根據(jù)前述計(jì)算公式計(jì)算高度角，可以是中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng))。由高度角測量編碼器36測量聚光器I的實(shí)際轉(zhuǎn)動位置，并將其測量信號與高度角的計(jì)算值進(jìn)行比較，若存在偏差，通過開關(guān)K1的切換，再向動力裝置35產(chǎn)生驅(qū)動信號，以使聚光器I轉(zhuǎn)動到高度角計(jì)算值，以使高度角計(jì)算值作為溫差控制回路的初始值。比較元件32將南、背側(cè)測溫元件121、123的溫度值IVTΦ進(jìn)行比較，將溫度偏差信號輸出到脈沖裝置33，脈沖裝置33根據(jù)溫度偏差信號輸出相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號至高度角驅(qū)動器，高度角驅(qū)動器34將脈沖信號放大成驅(qū)動信號，并輸出至由電機(jī)及減速器構(gòu)成的動力裝置35，動力裝置驅(qū)動聚光器I繞點(diǎn)O進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(是在高度角計(jì)算值的基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)動)。
[0033]同樣的，如圖4所示的溫差控制回路包括比較元件42、脈沖裝置43、方位角驅(qū)動器44、電機(jī)及減速器構(gòu)成的動力裝置45、方位角測量編碼器46、控制器(用于根據(jù)前述計(jì)算公式計(jì)算方位角，可以是中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng))。由方位角測量編碼器46測量聚光器I的實(shí)際轉(zhuǎn)動位置，并將其測量信號與方位角的計(jì)算值進(jìn)行比較，若存在偏差，通過開關(guān)K2的切換，再向動力裝置45產(chǎn)生驅(qū)動信號，以使聚光器I轉(zhuǎn)動到方位角計(jì)算值，以使方位角計(jì)算值作為溫差控制回路的初始值。比較元件42將東、西側(cè)測溫元件122、124的溫度值ΤΛ、Th進(jìn)行比較，將溫度偏差信號輸出到脈沖裝置43，脈沖裝置43根據(jù)溫度偏差信號輸出相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號至方位角驅(qū)動器，方位角驅(qū)動器44將脈沖信號放大成驅(qū)動信號，并輸出至由電機(jī)及減速器構(gòu)成的動力裝置45，動力裝置驅(qū)動聚光器I繞支柱2進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(是在方位角計(jì)算值的基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)動)。
[0034]以南、北方向控制為例，高度角計(jì)算值是由控制系統(tǒng)通過當(dāng)前所在地的經(jīng)度、緯度、當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出的太陽高度角，因?yàn)樘柕母叨茸兓捌渚徛?，不需要?shí)時(shí)計(jì)算，可以是每間隔一個(gè)時(shí)間段(比如I分鐘)計(jì)算一次。而τ#、的溫差是通過如圖3的控制回路實(shí)時(shí)測量的。如圖3的控制回路的控制的結(jié)果最終反映在?*、ΤΦ的溫度值變化上。這是一個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)回路，可以跟隨太陽高度的變化，全程跟蹤。為了實(shí)現(xiàn)溫差全程跟蹤控制，如圖3的調(diào)節(jié)回路輸出(高度角)，必須要有初值，否則，測得的溫差不能真實(shí)反映拋物面中軸偏離太陽射線的真實(shí)值，也即本發(fā)明的東、西、南北的四象限溫度測量是有條件的，如前所述，如圖3所示的調(diào)節(jié)回路輸出的初值(高度角)，由控制系統(tǒng)根據(jù)所在地緯度、經(jīng)度、當(dāng)前時(shí)間計(jì)算的高度角，定時(shí)地調(diào)節(jié)回路輸出的初值送到控制電機(jī)，這時(shí)，四象限溫度檢測的數(shù)值才有意義。同理，東西方向的控制也實(shí)質(zhì)上一樣。
[0035]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)可以作出種種的等效的變化或替換，例如圖3所示的實(shí)施例除了實(shí)現(xiàn)零件不會跳動外，也使得回?zé)崞鞯难b配可變性增加，通用性提高。因此 ，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的本申請權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對日跟蹤的四象限測量控制系統(tǒng)，該碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)包括聚光器以及集熱器，其特征在于，該四象限測量控制系統(tǒng)包括安裝在集熱器上的、對稱分布于集熱器的受熱點(diǎn)的東側(cè)、西側(cè)、南側(cè)、北側(cè)的測溫元件，比較元件，脈沖裝置，驅(qū)動器以及動力裝置；其中，東側(cè)測溫元件和西側(cè)測溫元件的溫度信號輸入到比較元件，比較元件輸出溫差信號到脈沖裝置，脈沖裝置輸出脈沖信號到驅(qū)動器，驅(qū)動器輸出方位角偏差信號至動力裝置，以使動力裝置驅(qū)動聚光器進(jìn)行方位角的調(diào)整；南側(cè)測溫元件和北側(cè)測溫元件的溫度信號輸入到比較元件，比較元件輸出溫差信號到脈沖裝置，脈沖裝置輸出脈沖信號到驅(qū)動器，驅(qū)動器輸出高度角偏差信號至動力裝置，以使動力裝置驅(qū)動聚光器進(jìn)行高度角的調(diào)整。
【文檔編號】G05D3/12GK103984360SQ201310050280
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月7日
【發(fā)明者】吳建農(nóng) 申請人:浙江同景科技有限公司