聚光跟踪器的探究
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摘要：随着世界能源形势的日趋严峻，太阳能热发电作为一种重要的可再生能源发电方式，受到了各国政府的青睐，聚光器的跟踪控制是太阳能热发电系统中的一项关键技术，采用跟踪系统可大幅提高太阳能聚光器的热接受率，进而提高系统的发电率。本文对聚光跟踪器进行了介绍并得出了结论。
关键词：聚光跟踪器太阳能 新型能源
中图分类号： TK511 文献标识码： A
一、课题背景
（一）1.能源现状及未来发展
能源是人类赖以生存的基础，人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁以及利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏的现状。包括太阳能在内的可再生资源将会越来越受到人们的重视。太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，太阳能也成为人类大量使用的新型能源之一。
2.目前太阳能热水器的开发及利用
在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。目前，世界各国都争相开发利用太阳能产品，不仅仅局限于工业生产，在现代家庭中也得到了应用。家庭应用太阳能中，以太阳能热水器最为普遍。根据《家用太阳能热水系统技术条件》的要求，日太阳辐射量大于16MJ/㎡的情况下才能检测太阳能热水系统的热性能，一般良好的天气情况下，日辐照量应该可以满足要求，但在多云的天气和冬季的情况下，太阳辐射强度会弱，不易满足标准要求，难以进行热性能的检测。当太阳光线与太阳能集热板成90度时，热水器可达到最大利用率。由此引发我们的思考：我国幅员辽阔各地纬度差较大，太阳高度差别也大，而生产出来的太阳能热水器与水平面夹角是固定的，这就使当前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。
（二）课题研究的目的
本项目致力于研究聚光法检测太阳能热水系统热性能，制订出方法标准，同时开发一种聚光跟踪型测试平台用以支撑此方法标准。该测试平台的原理是用平面反射镜取代传统的抛物面槽式聚光系统，将“线聚焦”改为“面聚焦”提高聚光倍率，再加上简单有效的手动和自动光跟踪系统，从而大大提升太阳能热水系统热性能的全年可检测能力。
（三）论文研究的内容
由于太阳相对于聚光跟踪型检测平台的位置时刻都在改变，这就要求测试平台不断改变自身的方位，实时保持太阳处于测试平台的平面反射镜上，即始终对准太阳，同时采用跟踪系统，以有限的接受面积捕获尽可能多的太阳辐射能。论文主要内容包括：
跟踪控制系统跟踪策略的制定；
(2) 跟踪控制系统相关软件硬件的设计；此外跟踪系统还包括支撑机构，减速机构等内容，但均属于机械结构研究的领域。跟踪控制的实现及其跟踪效果的检验对设备要求较高。
（四）论文研究的意义
由于太阳能本身廉价、清洁、安全、资源丰富以及应用范围广泛的特点，就成就了太阳在今后以至于很长一段时间内将成为能源领域的主流地位，考虑到太阳能同时存在着能量密度低、受天气影响大利用率低下的缺点，就对本论文的设计提出更高的要求，要尽可能提高太阳能的采集及利用率。
二、跟踪系统的介绍
实现跟踪有两种方式：手动跟踪和自动跟踪。手动跟踪精度低，且只能间歇进行；而自动跟踪可实现实时跟踪，但系统复杂，造价高。当然采用自动跟踪系统可以大幅提高太阳能接收装置的接收效率，因此自动跟踪系统在太阳能的工程应用中越来越受重视。
本研究中的跟踪控制系统采用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的方式，太阳传感器测定太阳在一天内不断变化的位置，然后由机械控制系统带动整个聚光跟踪型检测平台转动，使平面反射镜始终与太阳保持一个最佳角度，把太阳光聚集在平面反射镜上。该系统其逻辑机构，主要由绝对位置编码器、现场状态显示器，现场设备控制器、远程控制器、电脑接口、上位机软件和步进电机组成。
三、跟踪系统机械机构
跟踪器机械执行部分的选择，本设计选择转盘转动式跟踪器。跟踪系统由传感器、控制器、执行机构和平面反射镜以及固定联接机构组成。以下是两个方案：
（一）方案一：
1．驱动装置
①步进电机与蜗轮蜗杆配合，从而带动中心轴及转盘转动，对中心轴的强度要求高。
②底盘通过控制，再加上简单有效的手动和自动光跟踪系统，跟踪太阳转动。
③在地面上装置导轨、设备上安装脚轮。
④液压缸通过自动控制系统进行伸缩运动，带动四连杆机构运动，从而推动反射板有规律的前后摆动，调整太阳光反射角度。
2.反射装置
底盘上放置太阳能设备及太阳光反射板。用平面反射镜取代传统的抛物面槽式聚光系统，将“线聚焦”改为“面聚焦”，大大提高聚光倍率。使得室外测试的日辐照量达到16MJ/m²以上，大大提升太阳能热水系统性能的全年可检测能力。
3.主要部件
①后期考虑强度要求，采用马鞍山方圆外齿回转支承。
②液压缸及液压站采用上海邺丰液压设备。
缸径63mm杆径35mm推力49.88KN拉力34.48KN最大行程800mm
③反射板采用德国安铝高反射铝，反射率最高达95% ，尺寸1250*2500*0.4
（二）方案二：
1．驱动装置
①步进电机与一体化的回转减速器配合，带动圆盘运动。
②底盘通过控制，再加上简单有效的手动和自动光跟踪系统，跟踪太阳转动。
③采用回转减速器之后，需要在地面安装地基，与回转减速器孔配合安装即可。
④液压缸通过自动控制系统进行伸缩运动，带动四连杆机构运动，从而推动反射板有规律的前后摆动，调整太阳光反射角度。
2.反射装置
底盘上放置太阳能设备及太阳光反射板。用平面反射镜取代传统的抛物面槽式聚光系统，将“线聚焦”改为“面聚焦”，大大提高聚光倍率。使得室外测试的日辐照量达到16MJ/m²以上。大大提升太阳能热水系统性能的全年可检测能力。
本研究中的跟踪控制系统采用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的方式，然后由机械控制系统带动整个平面反射镜转动，使太阳能始终与太阳保持一个最佳角度，把太阳光聚集在太阳能上。
3.主要部件变更
①采用回转减速器 取代 回转支承
采用一体化的有驱动蜗杆的回转减速器，设计组装方便，降低了成本。此回转减速器倾覆力矩135.6kN.m,轴向动载荷235kN，径向动载荷205kN，减速比102:1，精度等级≤0.09°，具有精度高、结构紧凑、承载能力大的优点。
②反射板采用平面镜2400*2500*5，取代之前的德国安铝。德国安铝太薄，多使用于室内 。若放置室外，强度可能无法满足要求，易变形。且少量订购价格高昂。所以目前采用普通平面镜。
③直径3.5米的圆盘，考虑设备运输，及现场安装的方便。所以把直径3.5米的圆盘分成2份，运往现场后组装成整块。
综合方案一和方案二的优缺点，方案二成本费用较之于方案一较少。方案二的结构更加简洁紧凑，测试平台底部维修更加方便。
所以最终采用方案二。
四、结论
本论文选择了光电检测和太阳轨迹追踪的混合式追踪方式，配合机械装置使系统更加稳定，提高了系统的追踪精度。本系统的优点:
（1）系统可长时间连续运行，且能得到较好的跟踪效果
（2）聚光器每天在完成太阳辐射能的接收任务以后，能够自动回到至初始位置，等待第二天采集工作的开始
（3）系统不仅适用于晴天，在有云的天气下同样可正常运行
本系统的不足:
（1）系统稳定性需要加强：复位电路有时会出现不能自动复位的情况，尽管这种情况不常发生，但是一旦发生就影响系统的运行。
（2）在功能上需要更加完善：本系统没有设置报警装置，如果系统发生故障，系统不能做出报警动作，这样也会影响系统的追踪质量。
（3）在机械装置方面也存在问题：机械装置能够带动太阳板转动的角度是有限的，这样也制约了追踪的时间段。
（4）阴天情况下不能准确追踪的问题。
太阳自动追踪系统已经成为世界范围内的研究热点。太阳自动追踪系统的研究对解决能源危机具有重大的意义。尽管目前的太阳追踪系统还尚未成熟，但也有了很大的进步。希望有更多的人参与到这项研究中来，性能好、精度高、低成本的太阳自动追踪系统是我们的目标。