【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 種太陽能熱水器的吸熱板南北放置，其傾角可按不同季節(jié)通過手動(dòng)調(diào)節(jié)。為了取得太陽的偏移信號(hào)，在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時(shí)角的跟蹤傳感器。當(dāng)太陽偏 移時(shí)，兩根空氣管受太陽的照射不同，管內(nèi)產(chǎn)生壓差，當(dāng)壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，壓差執(zhí)行器就發(fā)出跟蹤信號(hào)，用壓力為。 .IMPa 的自來水作為跟蹤動(dòng)力 若無自來水，可裝一只容積為 ZL 的壓力水箱 。帶動(dòng)鏡面跟蹤太陽 .當(dāng)鏡面對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，管內(nèi)壓力平衡，壓差執(zhí)行器又發(fā)出停止跟蹤信號(hào) .這種跟蹤器的跟蹤靈敏度高，每大當(dāng)太陽剛升起 35 分鐘后，鏡面即跟蹤對(duì)準(zhǔn)太陽。 與此相類似的太陽跟蹤裝置還有重力差式跟蹤器和液壓式跟蹤器。 重力差式跟蹤器是 1799 年美國(guó)公布的一項(xiàng)專利。跟蹤器是裝在太陽能利用裝置樞軸兩側(cè)的一對(duì)裝有低沸點(diǎn)液體的密閉容器 。其中的液體 如氟里昂 R 一 12 可以互相流通。在容器的適當(dāng)位置裝有太陽能擋板，只有在裝置對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，太陽輻射能才可等量地照射到兩個(gè)容器上。否則一個(gè)容器接收的輻射能便較另一個(gè)容器多，從而導(dǎo)致液體蒸發(fā)上的差異，使容器內(nèi)的壓力不同，于是液體便流向壓力低的容器。液體多的容器重量增加，使裝置傾斜而跟蹤太陽，直至對(duì)準(zhǔn)時(shí)為止。整個(gè)裝置的重心低于樞軸，以防容器完全翻轉(zhuǎn)。這種太陽跟蹤器在夜間能自動(dòng)返回原來的位置。因?yàn)槿章浜罂諝庾兝?，并且容器?nèi)液體冷卻速度預(yù)先己經(jīng)調(diào)整，東面容器比西面容器冷卻得快，其內(nèi)壓力下降也快，于是東邊變重 ，使整個(gè)裝置向東傾斜，以待日出。要使兩個(gè)容器冷卻速度不同，方法很多，例如可把東邊容器的一部分表面涂上熱輻射率高的涂料，或者把西邊容器的一部分表面加設(shè)絕熱層等等。 簡(jiǎn)易液壓式跟蹤器的工作原理與以上兩種基本相似 .太陽的相對(duì)位置信號(hào)由跟蹤器平板兩側(cè)遮光板下方南北向安裝的溫度傳感器 黑管 所接受。黑管內(nèi)充有低沸點(diǎn)的液體物質(zhì)，在常溫下，部分液體汽化形成飽和蒸汽，同時(shí)產(chǎn)生一定的飽和蒸汽壓，通過膠管驅(qū)動(dòng)雙桿雙作用液壓缸運(yùn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)跟蹤目的。當(dāng)太陽正對(duì)跟蹤器平板時(shí)，兩黑管的受熱面積 投影面 相等，黑管保持同樣的受熱狀態(tài)，液壓缸活塞的兩側(cè)受力處于平衡狀態(tài)，跟蹤器平板靜止不動(dòng)。 當(dāng)太陽光線向西偏移一個(gè)角度時(shí)，遮光板使黑管的受熱面積發(fā)生變化，右黑管將被遮光板遮住一部分，受熱面積改變，而左黑管的受熱面積不變，僅是位置發(fā)生了變化。由于兩黑管的受熱情況不同，產(chǎn)生壓力差，左側(cè)黑管所接液壓缸一側(cè)的壓力增大，推動(dòng)活塞上移，帶動(dòng)跟蹤器平板繞中間支點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使跟蹤器平板隨太陽在空間位置的變化自東向西跟蹤集熱，直到日落西山。第二天早上日出東方，曬熱右側(cè)黑管，液壓缸帶動(dòng)跟蹤器迅速做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，重新對(duì)準(zhǔn)太陽集熱。 這種跟蹤器在實(shí)際中應(yīng)用很廣，其主 要的優(yōu)點(diǎn)是 :結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，純機(jī)械式，不需電子控制部分及外接電源。缺點(diǎn)是沒有足夠的工作空間，而且一般只用于單軸跟蹤，不能完成自動(dòng)對(duì)太陽往返于南北回歸線之間運(yùn)動(dòng)的跟蹤，只能每隔一段時(shí)間，重新對(duì)準(zhǔn)陽光，因此精度比較低。 （ 4）控放式太陽跟蹤裝置?？胤攀教柛櫻b置對(duì)太陽方位角進(jìn)行單向跟蹤，操作時(shí)，在太陽能接受面板西側(cè)安放一偏重，作為太陽能接受面板向西轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，并利用控放式自動(dòng)跟隨裝置對(duì)此動(dòng)力的釋放加以控制，使鏡面隨著太陽的西偏而轉(zhuǎn)動(dòng)。這種把原動(dòng)力與控制部件分離的方法，可以簡(jiǎn)化控制裝置的結(jié)構(gòu)，減少能量 消耗 面板的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能來源于偏重的勢(shì)能 ，為不用外接電源創(chuàng)造了條件。 控放式太陽跟蹤裝置由配重塊、彈簧、杠桿、制動(dòng)裝置、電磁鐵等部分組成。工作原理是 :由于在集熱裝置的西側(cè)裝有配重塊，在重力的作用下，集熱裝置便會(huì)繞主軸自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)。重力的控放由彈簧通過制動(dòng)裝置和杠桿來實(shí)現(xiàn)。彈簧則由電磁鐵控制。電磁鐵的動(dòng)力又由硅太陽能電池板供給。電池裝在集熱裝置的上方，前面設(shè)有遮光板，當(dāng)集熱裝置對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)恰好遮住陽光，使太陽能電池處于陰影區(qū)。一但太陽西移，遮光板的陰影隨之移動(dòng)，太陽能電池便受到陽光照射，輸出一定數(shù)值的電流，從而發(fā) 出偏移信號(hào)。信號(hào)經(jīng)放大，使高靈敏的繼電器動(dòng)作，并通過執(zhí)行繼電器控制電磁鐵吸合，于是制動(dòng)裝置松開，集熱裝置向西旋轉(zhuǎn)，直至對(duì)準(zhǔn)陽光。此時(shí)遮光板又重新?lián)踝￡柟猓柲茈姵剡M(jìn)入陰影區(qū)，電磁鐵釋放，完成跟蹤。為了保證跟蹤系統(tǒng)在多云大氣下也能可靠地工作，光電控制線路中還增加了一組多諧振蕩器。因多云天氣太陽被云層遮擋的時(shí) aJ 較長(zhǎng)，跟蹤器常因失去目標(biāo)而停止動(dòng)作。當(dāng)太陽重新出現(xiàn)時(shí)，集熱裝置必須作大角度的旋轉(zhuǎn)才能跟上太陽。由于系統(tǒng)的慣性很大，如不采取措施往往會(huì)跟蹤過頭，產(chǎn)生較大的誤差 .有了多諧振蕩器后，不管轉(zhuǎn)多大的角度，電磁 鐵始終按照吸合一釋放一吸合一釋放的間歇方式動(dòng)作，集熱裝置逐步向西旋轉(zhuǎn)，直至追上太陽。當(dāng)集熱裝置轉(zhuǎn)至西邊的極限位置時(shí)，觸動(dòng)極限開關(guān)，切斷控制系統(tǒng)的電源 .第二天，只要將集熱裝置人工轉(zhuǎn)至向東的位置，便可開始新的跟蹤。控放式跟蹤器適合于聚光型的集熱裝置，如聚光型熱水器、太陽灶等。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)跟蹤，成本低廉，不用外接電源，使收集到的能源充分轉(zhuǎn)化利用。其缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)只能做成單軸跟蹤器，不能自動(dòng)復(fù)位 除非另外加復(fù)位機(jī)構(gòu) 因而不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求 。雖然采用多諧振動(dòng)器，仍然存在著跟蹤過度的情況。 （ 5）光電式太陽跟蹤 裝置。光電式太陽跟蹤裝置使用光敏傳感器來測(cè)定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過一個(gè)閉值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整集熱裝置的位置，直到使太陽光線與集熱裝置光軸重新平行，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽高度角和方位角的跟蹤。與前兩種跟蹤裝置相比，光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實(shí)現(xiàn)，受到普遍關(guān)注，其工作原理如圖 所示。目前，典型的光電式太陽跟蹤裝置有比較控制式和“多元法”兩種。 圖 比較式太陽跟蹤系統(tǒng)得傳感器外形圖 比較控制式太陽跟蹤裝置。設(shè)置一個(gè)圓筒形外殼，在圓筒外部，東、南、西、北四個(gè)方向 上分別布置 4 只光電阻 。其中一對(duì)光電阻 PI， P3 東西對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略的檢測(cè)太陽由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度即方位角 。另一對(duì)光電阻 PZ， P4 南北對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略檢測(cè)太陽的視高度即高度角 。在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個(gè)方向上也分別布置 4 只光電阻 。其中一對(duì)光電阻 PS， P7 東西對(duì)稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測(cè)太陽由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度 。另一對(duì)光電阻 P6， PS 南北對(duì)稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測(cè)太陽的視高度，傳感器外形如圖 所示。 該跟蹤裝置對(duì)太陽的高度角和方位角進(jìn)行雙軸跟 蹤，現(xiàn)在單獨(dú)研究對(duì)方位角進(jìn)行跟蹤的工作原理，假設(shè)太陽的高度角是不變的，即假設(shè)圓筒是始終在高度方向?qū)?zhǔn)太陽的。當(dāng)太陽光線以與傳感器板垂直的方向照射到傳感器上，兩組光電阻 PI， P3 ， P5， P7 接收到的光照度相同，比較電路的輸出值為零。當(dāng)太陽光偏離垂直方向一個(gè)較小的角度時(shí) Pl， P3 這一對(duì)光電阻可能受環(huán)境散射光的影響，不會(huì)反應(yīng)出太陽光線的變化 。而 PS， P7 這一對(duì)光電阻受到了圓筒對(duì)環(huán)境散射光的屏蔽保護(hù)，它們接收的照度會(huì)出現(xiàn)差值，這就是偏離信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大后送入控制單元，控制單元開始工作，控制自動(dòng)跟蹤 器調(diào)整太陽光接收裝置的角度，直到太陽光接收裝置對(duì)準(zhǔn)太陽。當(dāng)太陽光偏離了一個(gè)較大的角度時(shí) 陰雨天或者烏云過后 ，筒內(nèi)的傳感器可能接收不到太陽光，筒外的傳感器就能反應(yīng)出照度差值，該信號(hào)經(jīng)放大后送入控制單元，控制跟蹤器開始工作。高度角的跟蹤基本原理及工作方式雷同。 為了使傳感器準(zhǔn)確的跟蹤太陽運(yùn)動(dòng)，首先要通過試驗(yàn)找出較為合適的光敏電阻。當(dāng)光敏電阻的阻值較小的時(shí)候，光電阻在太陽照射下可能會(huì)很快達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)采集的信號(hào)就失真，不能正確反應(yīng)太陽光線的變化情況，會(huì)影響到跟蹤效果，跟蹤精度因此降低。但提高光敏電阻的阻值， 使得相應(yīng)的供電電源的電壓要變大才能驅(qū)動(dòng)跟蹤器，提高了能耗及其成本。其次要設(shè)計(jì)長(zhǎng)度合適的圓筒。理論上講，圓筒的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，跟蹤器的精度就越高。隨著圓筒的增長(zhǎng)，內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光電阻同時(shí)接受太陽光照的太陽光偏離角度的范圍會(huì)變小 。假設(shè)圓筒內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光電阻同時(shí)直接受到太陽光照射的情況下，長(zhǎng)圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為 A，如圖 所示，即太陽光線的偏離角度在 A 的范圍內(nèi)，長(zhǎng)圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電阻不會(huì)出現(xiàn)照度差 。短圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為 B，如圖 所示，即太陽光線的偏離角度在 B 的范圍內(nèi)，短圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電 阻不會(huì)出現(xiàn)照度差。當(dāng)使用長(zhǎng)圓筒時(shí)，假設(shè)太陽光線偏離一個(gè)超出了范圍 A 又在 B 的范圍內(nèi)的角度，如圖 ，所示因?yàn)槠x角度超過了范圍 A，圓筒內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光電阻產(chǎn)生了照度差值，該信號(hào)經(jīng)過處理放大，控制跟蹤器跟蹤上太陽；如果此時(shí)使用較短圓筒，偏離角度在 B 的范圍內(nèi)則不會(huì)使內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光電阻產(chǎn)生照度差，系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行跟蹤，因此此時(shí)系統(tǒng)的精度高于使用短圓筒的情況。太陽光線偏離角度在一個(gè)較大范圍內(nèi)時(shí)，長(zhǎng)圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電阻不會(huì)出現(xiàn)照度差，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽光線的角度變化。 圖 不同長(zhǎng)度圓筒的太陽光偏離角度方位示意圖 圖 “多元法”太陽跟蹤裝置得傳感器結(jié)構(gòu) “多元法”太陽跟蹤裝置?！岸嘣ā碧柛櫻b置的傳感器結(jié)構(gòu)如圖 所示。正中央的光敏電阻與接收面垂直， Aa， Bb， Cc， Dd，助， Ff 將圓分成 12 等份，它們分別代表單方向定位裝置。單方向定位裝置由 5 個(gè)光敏電阻按一定的排列方式鑲嵌在半圓柱體上，如圖 所示?！岸嘣ā碧柖ㄎ谎b置由 6 個(gè)單方向定位裝置構(gòu)成，并且它們共用正中央的光敏電阻。例如，當(dāng)光照在左邊第 1個(gè)光敏電阻上時(shí)電機(jī)帶動(dòng)定位裝置向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，光從左邊第 1個(gè)光敏電阻離開并照在左邊第 2 個(gè)光敏電阻上，電機(jī)帶動(dòng)定位裝置又向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，這時(shí)光照在正中央的光敏電阻上，光垂直照在定位裝置上，電機(jī)停轉(zhuǎn) .這種跟蹤裝置通過在半球狀傳感器上設(shè)置多個(gè)光敏電阻，提高了對(duì)太陽定位的速度，避免了為尋找太陽方位傳感器的重復(fù)擺動(dòng)，但是設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而且由于每?jī)蓚€(gè)光敏電阻的間隔造成其不能連續(xù)監(jiān)測(cè)和跟蹤太陽位置的變化，跟蹤精度有限。 （ 6）用于天文觀測(cè)和氣象臺(tái)的太陽跟蹤裝置。 太陽跟蹤裝置除了用作太陽能利用裝置以外，還常用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽活動(dòng)的跟蹤觀察。隨著天體光學(xué)的發(fā)展，十九世紀(jì)中葉之后，相繼出現(xiàn)了 折軸望遠(yuǎn)鏡、定日鏡、定天鏡等。這些裝置靠互相垂直的兩條軸旋轉(zhuǎn)跟蹤天體，最常用的兩軸裝置有地平式和赤道式兩種。自人造天體發(fā)射后又出現(xiàn)了三軸、四軸式跟蹤器。這些跟蹤器主要分為兩類 :一類是望遠(yuǎn)式，它接受太陽的垂直入射 。另一類是定日式，它將太陽光反射到所設(shè)計(jì)的固定方向，太陽作周日視運(yùn)動(dòng)，赤道裝置繞極軸按周日角速度勻速運(yùn)動(dòng)，抵消地球自轉(zhuǎn)，使儀器法向保持指向天球某一固定的赤經(jīng)方向，緯軸則保證儀器法向的赤緯和太陽赤緯相同，實(shí)現(xiàn)跟蹤。這種跟蹤裝置主要應(yīng)用于科研，因此最應(yīng)保證的是機(jī)構(gòu)的精度，其造價(jià)相對(duì)也比較昂貴。 未來的太陽 跟蹤裝置應(yīng)采用全自動(dòng)跟蹤陣。全自動(dòng)太陽跟蹤裝置根據(jù)地平坐標(biāo)、雙軸跟蹤原理，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)朝著高精度，大范圍跟蹤方向發(fā)展，在有限的接受面積上最充分的應(yīng)用太陽能，降低裝置的成本 ?？刂撇捎霉?、機(jī)、電一體化技術(shù)，通過對(duì)太陽光強(qiáng)弱的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的全自動(dòng)跟蹤，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、電信、氣象等領(lǐng)域中。裝置由光敏探頭檢測(cè)太陽光強(qiáng)，通過跟蹤控制器，采用模擬壓差比較原理進(jìn)行比較，發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分轉(zhuǎn)動(dòng)。限位裝置有東、兩、上、下四個(gè)極限限位功能，跟蹤精度高，范圍寬，有自動(dòng)返回功能。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電電壓，充電電流，跟蹤光 強(qiáng)、風(fēng)速、電瓶溫度等模擬量進(jìn)行采集、處理、顯示和打印，根據(jù)各模擬量的瞬時(shí)值，實(shí)現(xiàn)防風(fēng)，報(bào)警控制，蓄電池的充電、放電和分級(jí)控制等功能，對(duì)設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理。 （ 7）地平坐標(biāo)系跟蹤方法的應(yīng)用 國(guó)家太陽能檢測(cè)中心開發(fā)了一套太陽集熱器性能測(cè)試系統(tǒng)，其中就包括了太陽跟蹤器。該中心在集熱器性能測(cè)試試驗(yàn)中，要求集熱器采光面始終垂直太陽光線，入射角偏差不超過 5176。，因此需要對(duì)太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。該跟蹤器采用地平坐標(biāo)系跟蹤方式，主要由水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、垂直回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)以及集熱器臺(tái)架組成。集熱器固定在臺(tái)架平面上 。水平轉(zhuǎn)臺(tái)相當(dāng)于 集熱器的方位軸，由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，繞垂直于當(dāng)?shù)厮矫娴妮S旋轉(zhuǎn)，用以跟蹤太陽的方位角，其控制流程為 :步進(jìn)電機(jī)一諧波減速器 降速增矩、角度細(xì)分 一水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)。減速器的傳動(dòng)比為 1:120，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 120176。時(shí)水平轉(zhuǎn)臺(tái)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng) 1176。，以步進(jìn)電機(jī) 的步距角計(jì)算，當(dāng)水平轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng) 1176。時(shí)，步進(jìn)電機(jī)發(fā)出 120176。 / 個(gè)脈沖，山此可以計(jì)算集熱器方位角為 a 時(shí)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)為 120a/ 個(gè) 。另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪帶動(dòng)絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，使絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于改變俯仰軸轉(zhuǎn)角用以改變集熱器的傾斜度，從而跟蹤 太陽的高度角，其控制流程為 :步進(jìn)電機(jī)一同步帶輪 傳遞動(dòng)力卜絲杠螺母 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 一絲杠 直線運(yùn)動(dòng) 。同步帶輪與絲杠的傳動(dòng)比為 2:1，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 1 圈即 360176。時(shí)絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)半圈，絲杠相應(yīng)走過 3rn 們 n，由此通過集熱器臺(tái)架的傾角變化計(jì)算出絲杠直線運(yùn)動(dòng)的距離，再經(jīng)過傳動(dòng)比換算出步進(jìn)電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，根據(jù) 176。的步距角就可以算出相應(yīng)的脈沖數(shù)。跟蹤器的結(jié)構(gòu)示意見圖 。該裝置是檢測(cè)中心作試驗(yàn)用的，試驗(yàn)主程序流程如圖 所示。每當(dāng)試驗(yàn)時(shí)，跟蹤器在跟蹤太陽前先得讓方位軸和俯仰軸自動(dòng)回零 。然后根據(jù)太陽當(dāng)前位置 從零點(diǎn)處自動(dòng)快速指向太陽 。接著每間隔一定時(shí)間，自動(dòng)調(diào)整一次集熱器的位置，使其采光面垂直于太陽光線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)太陽跟蹤。自動(dòng)跟蹤子程序流程見圖 。其中， 2 軸為俯仰軸， X 軸為方位軸。由