曹鳳梅，張紅光

(1.銀川能源學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，寧夏 銀川 750105；2.寧夏伊品生物科技有限公司，寧夏 銀川 750105)

0 引 言

太陽能制冷是近幾年發(fā)展起來的一種新型太陽能利用技術(shù)。夏季，太陽能輻射量大，而同時(shí)也正處空調(diào)制冷需求高峰，使得太陽能應(yīng)用在制冷技術(shù)領(lǐng)域在季節(jié)匹配性[1]上占據(jù)了極大優(yōu)勢(shì)，也使得利用太陽能以熱制冷技術(shù)越來越多地受到重視和發(fā)展。目前太陽能制冷技術(shù)研究的熱點(diǎn)是太陽能吸收式制冷、太陽能噴射式制冷和太陽能吸附式制冷。

對(duì)于吸附式制冷技術(shù),國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了較多的研究,主要是在對(duì)制冷效率、集熱裝置設(shè)計(jì)、集熱效率及制冷成本[2]。已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的吸附式制冷技術(shù)主要應(yīng)用在冰箱、小型制冷機(jī)和小型獨(dú)立式建筑物空調(diào)[3]，但在制冷效率、產(chǎn)品成本上與傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比還不具備太大優(yōu)勢(shì)。太陽能吸附式制冷過程中，影響制冷系統(tǒng)成本和效率的3大環(huán)節(jié)是[4]：太陽能-熱能、熱能-吸附床、吸附床-傳熱。

針對(duì)太陽能-熱能環(huán)節(jié)，筆者提出一種基于南北傾斜布置東西跟蹤的單軸槽式太陽跟蹤系統(tǒng)。

1 跟蹤角度計(jì)算模型建立

本文提出的跟蹤系統(tǒng)通過建立跟蹤坐標(biāo)系，求得集熱裝置跟蹤太陽位置的運(yùn)動(dòng)方程，編程計(jì)算太陽運(yùn)動(dòng)軌跡，從而使跟蹤系統(tǒng)能依靠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)跟隨太陽角度的變化情況，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)集熱裝置視太陽位置運(yùn)動(dòng)。

1.1 太陽入射光線

為了得到拋物槽式太陽能集熱裝置跟蹤太陽的跟蹤角度，本研究建立跟蹤坐標(biāo)系及與跟蹤系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制方程。

太陽運(yùn)動(dòng)的幾何學(xué)模型[5]如圖1所示。

圖1 太陽運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)模型α—高度角；γ—方位角；δ—赤緯角；ω—時(shí)角

(1)

(2)

(3)

由式(1，2)可以得到兩坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后的太陽入射光線的表達(dá)式為：

(4)

比較式(1，4)后，就可以得到將高度角和方位角用赤緯角、時(shí)角和地理緯度計(jì)算的公式：

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(5)

(6)

1.2 聚光器法線

該系統(tǒng)采用拋物槽式集熱裝置，在地平坐標(biāo)系中，建立和聚光器旋轉(zhuǎn)軸一致的跟蹤坐標(biāo)系，并使兩坐標(biāo)原點(diǎn)重合[6]。

跟蹤坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 跟蹤坐標(biāo)系β—聚光器旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)水平面的傾角；N—聚光器法線方向；θ—其與太陽入射光線的夾角即入射角；τ—聚光器旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度

由圖2可以得到聚光器法線的向量為：

(7)

圖2中，太陽光線的入射角θ是入射光線和聚光器法線間的夾角，因此入射角為：

(8)

代入式(1)，就能求出入射角θ。

1.3 跟蹤系統(tǒng)跟蹤角計(jì)算方程

為提高太陽能集熱效率，理論上應(yīng)使太陽入射光線和集熱裝置聚光面法線重合，即θ=0[7]。若采用二維全跟蹤方式，即高度角-方位角兩軸式跟蹤，使聚光器主軸的旋轉(zhuǎn)角τ反映太陽方位角運(yùn)行規(guī)律，而聚光面相對(duì)水平面的傾角β反映太陽高度角運(yùn)行規(guī)律；若采用一維蹤方式，只能自動(dòng)跟蹤一個(gè)角度，傾角β固定或手動(dòng)調(diào)整，此時(shí)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角τ的表達(dá)式為[8]：

(9)

2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、跟蹤角傳動(dòng)系統(tǒng)和高度角傳動(dòng)系統(tǒng)3部分組成。其中集熱器單軸槽式南北傾斜布置，通過高度角傳動(dòng)系統(tǒng)，手動(dòng)調(diào)節(jié)高度傾角，以達(dá)到每天正午聚光器所在平面和太陽入射光線90°垂直效果；通過跟蹤角傳動(dòng)系統(tǒng)，手/自動(dòng)調(diào)整集熱器主軸東西方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)跟蹤太陽位置。

2.1 太陽能集熱器的設(shè)計(jì)

集熱器的主體部分是聚光用的拋物面，選擇拋物面焦距為0.5,聚光比大于4，拋物面的長(zhǎng)度與兼做吸附床中的集熱管的長(zhǎng)度相當(dāng)，選擇長(zhǎng)度L=700，則根據(jù)槽形拋物面最佳聚焦理論，確定拋物面的開口寬度為920。本研究選用0.4 mm鏡面不銹鋼作為反光材料。

聚光器支架為焊接結(jié)構(gòu)，由筋板、連接條、接收器支撐和主軸4部分組成，其中筋板是聚光器支架結(jié)構(gòu)中起支撐反光鏡、增加聚光裝置強(qiáng)度的重要部分。根據(jù)拋物槽形反光鏡形狀裁剪拋物形筋板，然后將反光鏡連接在整個(gè)筋板組成的拋物形面上。反光鏡和筋板的連接方式采用鉚接工藝。

2.2 跟蹤角傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跟蹤角設(shè)計(jì)的原理是：當(dāng)太陽光線入射至聚光器表面，根據(jù)赤緯角、時(shí)角和地理緯度計(jì)算跟蹤角，由控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪箱進(jìn)行傳動(dòng)，帶動(dòng)聚光器主軸旋轉(zhuǎn)，繼而使聚光器東西方向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行太陽視位置跟蹤。

本研究選用110 mmHB系列電機(jī)的配套普通行星減速器，減速比為1∶16。由此，確定跟蹤角傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 跟蹤角傳動(dòng)系統(tǒng)圖

跟蹤角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 跟蹤角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

電機(jī)帶動(dòng)聚光器在-90°～+90°可調(diào)，為防止聚光器超出跟蹤范圍發(fā)生意外，本研究轉(zhuǎn)動(dòng)主軸上增加了限位擋塊和行程開關(guān)。同時(shí)基于系統(tǒng)安裝初期調(diào)試和后期系統(tǒng)故障維修的考慮，跟蹤角傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了手動(dòng)運(yùn)行模式，手自動(dòng)模式通過轉(zhuǎn)換手柄進(jìn)行切換[9-10]。

2.3 高度角傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因跟蹤方式是單軸跟蹤，對(duì)高度角跟蹤精度要求不高，高度角跟蹤設(shè)計(jì)為手動(dòng)調(diào)整。本研究采用絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)形式，調(diào)整聚光器安裝平面相對(duì)水平面的傾角β，以達(dá)到每天正午聚光器所在平面和太陽入射光線90°垂直效果[11]。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文是基于EFM8單片機(jī)的單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)，利用DS12C887時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)無電池不間斷計(jì)時(shí)功能，自動(dòng)讀取實(shí)時(shí)日期時(shí)間，通過系統(tǒng)內(nèi)置算法自動(dòng)計(jì)算、擬合高度角、方位角和正午時(shí)間等參數(shù)，并根據(jù)間隔時(shí)間自動(dòng)計(jì)算角度差，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整系統(tǒng)跟蹤方位，日落后系統(tǒng)可自動(dòng)歸位至初始位置等待次日太陽升起繼續(xù)調(diào)整角度。單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)7×24 h無人值守的跟蹤功能。

3.1 系統(tǒng)硬件組成

單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)由EFM8單片機(jī)、DS12C887時(shí)鐘芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、限位檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)器接口、液晶屏接口和電源模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)選用EFM8BB31F64I作為主控制器，利用DS12C887時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)間、日期的計(jì)數(shù)，選用觸摸液晶屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互過程，通過P521光電耦合器讀取限位裝置的觸發(fā)信息。

3.2 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

3.3 系統(tǒng)顯示界面

系統(tǒng)人機(jī)交互界面分3層：初始化界面、控制界面和時(shí)間調(diào)整界面。其中初始化界面用來展示系統(tǒng)初始化過程；控制界面可以通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和復(fù)位，也可以手動(dòng)調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度；時(shí)間調(diào)整界面通過系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字鍵盤實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)各層界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)各層顯示界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證

手自動(dòng)轉(zhuǎn)換手柄推至手動(dòng)位，搖動(dòng)手動(dòng)手輪，集熱器能夠在東西方向靈活轉(zhuǎn)動(dòng)；搖動(dòng)絲杠手輪，集熱器和水平面傾角靈活可調(diào)。在手動(dòng)速度大于40 r/min時(shí)，集熱器仍能平穩(wěn)運(yùn)行，停止搖動(dòng)手輪時(shí)，集熱器能迅速制動(dòng)，自鎖性能好。

4.2 控制系統(tǒng)的可行性驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試

跟蹤系統(tǒng)開始運(yùn)行后，控制箱控制步進(jìn)電機(jī)通過減速裝置帶動(dòng)槽式太陽能集熱器自東向西運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)至給定位置時(shí)，間隔時(shí)間10 s(實(shí)際10 min)，10 min后(60組脈沖完)電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)到起始位置；將正轉(zhuǎn)脈沖數(shù)增加，當(dāng)碰觸到正轉(zhuǎn)限位開關(guān)時(shí)集熱器停止運(yùn)動(dòng)并反向運(yùn)動(dòng)至起始位置；增加反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，當(dāng)碰觸到反轉(zhuǎn)限位開關(guān)時(shí)集熱器停止運(yùn)動(dòng)；用手自動(dòng)轉(zhuǎn)換手柄切換到手動(dòng)位置，可對(duì)集熱器進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。

4.3 跟蹤系統(tǒng)精度測(cè)試及分析

為驗(yàn)證跟蹤系統(tǒng)精度，筆者選擇2 000 mm×60 mm×0.5 mm的鋁板安裝在集熱器的焦線上，代替高真空集熱管來采集太陽位置信息。槽形拋物鏡面將太陽光線反射匯集在焦線上，鋁板接收器放置在焦線上。跟蹤角測(cè)試原理圖如圖10所示。

圖10 跟蹤角測(cè)試原理圖 d—光帶中心線到鋁板中心線的距離；D—鋁板中心到聚光器旋轉(zhuǎn)主軸的距離；λ角(tanλ=d/D)—反映聚光器理論位置和實(shí)際位置之間的偏差

該實(shí)驗(yàn)在8月天氣晴朗條件下，對(duì)照射在鋁板上的光帶中心位置進(jìn)行了多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 跟蹤系統(tǒng)精度測(cè)試數(shù)據(jù)

筆者分析表中數(shù)據(jù)，集熱器跟蹤誤差λ在±0.75°以內(nèi)，即設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度在1.5°以內(nèi)。分析誤差存在的原因一方面是理論計(jì)算過程中舍棄了部分字長(zhǎng)，將誤差帶入跟蹤角計(jì)算結(jié)果中，使跟蹤角計(jì)算誤差反映到跟蹤精度上；另一方面是控制系統(tǒng)本身的誤差，其中有機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差、齒輪、蝸桿傳動(dòng)間隙造成的誤差等。

5 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)的吸附式制冷系統(tǒng)中槽式太陽能跟蹤系統(tǒng)，其接收器兼做吸附式制冷系統(tǒng)的吸附床，用于制冷需求高峰而太陽輻射充足匹配性高的季節(jié)。

樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明：這種單軸拋物槽式太陽能集熱器具有操作方便、質(zhì)輕、高效的特點(diǎn)；機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)符合加工工藝性能要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；采用單片機(jī)控制的跟蹤系統(tǒng)可解決手動(dòng)、半自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的調(diào)整困難，精度差等問題，其自動(dòng)化程度高、精度高、集熱性能好、人為干預(yù)小，適用于各類太陽能光伏發(fā)電和其他太陽能收集系統(tǒng)。