单轴式太阳辐照自动跟踪系统.pdf

本发明公开了一种单轴式太阳辐照自动跟踪系统，包括跟踪器平板、承重支架和连接轴组件，其特征在于：跟踪器平板相对连接轴转动的两端边缘分别设有弯折的遮光板，并紧贴各遮光板设置一相同的气态温度传感器；且承重支架上固设一液压缸装置，通过活塞杆顶部与跟踪器平板底面垂直于转轴中心方向相连结；两气态温度传感器分别通过导管密闭接入液压缸装置的上、下两腔室。通过两侧气态温度传感器饱和蒸汽压的变化引起液压缸装置的压强差，进而由活塞杆带动跟踪器平板转动跟踪太阳辐照。该太阳辐照自动跟踪系统消除了传统太阳能装置无跟踪或有跟踪但能耗大的缺点，提高了太阳能的能源利用率，兼具结构简单、成本低廉、跟踪精度高等优点。

1.  单轴式太阳辐照自动跟踪系统，包括跟踪器平板、承重支架和用于单轴转动连接跟踪器平板底面中心与承重支架的连接轴组件，其特征在于：所述跟踪器平板相对连接轴转动的两端边缘分别设有弯折的遮光板，并紧贴各遮光板设置一相同的气态温度传感器；且所述承重支架上固设一液压缸装置，通过活塞杆顶部与跟踪器平板底面垂直于转轴中心方向相连结；所述两气态温度传感器分别通过导管密闭接入液压缸装置的上、下两腔室。

2.  根据权利要求1所述的单轴式太阳辐照自动跟踪系统，其特征在于：所述气态温度传感器是指填充有气体的密闭刚性聚热黑管，且两气态温度传感器相同是指聚热黑管形状、容积相同，以及同一环境下内充气体压强相同。

3.  根据权利要求2所述的单轴式太阳辐照自动跟踪系统，其特征在于：所述填充气体为常压下沸点低于应用环境温度的气体，包括氟利昂-12、氟利昂-22或其他已知的气态化合物。

4.  根据权利要求2所述的单轴式太阳辐照自动跟踪系统，其特征在于：所述聚热黑管通过一体化设置在遮光板上的黑管套与跟踪器平板相固定，或通过其他对聚热黑管无热传导效应的连接结构相固定。

5.  根据权利要求1所述的单轴式太阳辐照自动跟踪系统，其特征在于：所述两导管具有挠性，且两端密封状态下容积相等。

6.  根据权利要求1所述的单轴式太阳辐照自动跟踪系统，其特征在于：所述跟踪器平板底面在垂直于转轴中心方向设有导程槽，所述活塞杆顶部滑动嵌接在导程槽内。

7.  根据权利要求1所述的单轴式太阳辐照自动跟踪系统的实现方法，其特征在于：所述自动跟踪系统包括跟踪器平板及其遮光板、承重支架、连接轴组件、气态温度传感器、液压缸装置，以及连接气态温度传感器与液压缸上、下腔室的导管，且液压缸装置的活塞杆顶部与跟踪器平板底面相连接；太阳辐照偏斜状态下，跟踪器平板两端所述的气态温度传感器在遮光板作用下受热不均，内充气体的饱和蒸汽压随温度改变而发生变化，经导管传递至液压缸装置，通过活塞运动平衡上、下两腔室的压差，进而通过活塞杆顶端上推或下拉，使跟踪器平板转动、调整朝向太阳辐照的角度。

8.  根据权利要求7所述的单轴式太阳辐照自动跟踪系统的实现方法，其特征在于：所述遮光板作用指的是，当太阳辐照与跟踪器平板垂直状态发生偏斜后，所述遮光板对聚热黑管照射面积的遮挡、削减效应，引发内充气体饱和蒸汽压随温度改变而发生变化。

单轴式太阳辐照自动跟踪系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能利用装置，尤其涉及一种用于跟踪太阳运转及辐照角度的单轴式太阳辐照自动跟踪系统。
背景技术
目前，随着世界能源匮乏危机的日渐趋近，新兴可再生能源日益成为人们迫切的需要，其中太阳能作为一种相对而言取之不竭的新兴可再生能源，其具有辐照范围广，绿色环保，可永久利用等显著优点，因此世界各国一直都在积极开展太阳能利用技术的研究以及产业化开发。太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有本质的区别。这就对太阳能的收集与利用提出了更高的要求。
为了使太阳能更有效的被利用，太阳能系统的感光面应该始终跟踪太阳并和太阳辐照方向垂直，用以获得最大的效率。据报道，有跟踪系统的太阳能利用率比没有跟踪系统的太阳能利用率提高20％～35％左右。因此，在太阳能利用中，跟踪系统的使用与否对太阳能利用效率有很大的影响。
现有的太阳能利用装置按太阳能收集方式分为有跟踪和无跟踪两种。其中无跟踪的太阳能系统利用方式缺点明显：众所周知，太阳入射光和感光面垂直时利用率最高，随着偏折角度变大而利用率变小，无跟踪太阳能系统固定不动，其感光面不能随时和太阳入射光保持垂直，因而对于太阳能的利用率远远低于有跟踪的太阳能系统。但由于其设计、使用、维修成本较低，因而还在一些对太阳能利用率要求不高的生产、生活领域中应用。
而在有跟踪的太阳能系统中，其跟踪系统大部分采用电子控制系统和机械系统相结合的方式进行太阳的跟踪定位。在实际应用中，电子控制系统虽然可以利用控制系统内嵌的程序准确地控制跟踪器机械系统的转向角度，但在控制过程中会消耗部分电能，同时电子控制系统所控制的电动机等驱动装置也将消耗很多电能，从而影响了太阳能的利用效率。
发明内容
针对上述诸多缺陷，本发明的目的旨在提出一种单轴式太阳辐照自动跟踪系统，以解决现有太阳能利用装置中普遍存在的对太阳辐照无跟踪而根本性导致能源利用率不高，以及即使有跟踪但跟踪方式复杂、电子控制及机械控制的额外电能消耗而致使实际能源利用率提升困难的问题。
本发明目的得以实现的技术解决方案是：
基于液压传动系统的单轴式太阳辐照自动跟踪系统，其特征在于：包括承重支架、跟踪器平板、连接轴组件、气态温度传感器两个、导管两根和液压缸装置。跟踪器平板通过底面中心的连接轴组件与承重支架相连，并能实现单轴转动。在跟踪器平板相对连接轴转动的两端边缘分别设有弯折的遮光板，并紧贴各遮光板设置一相同的气态温度传感器；且所述承重支架上固设一液压缸装置，通过活塞杆顶部与跟踪器平板底面垂直于转轴中心方向相连结；所述两气态温度传感器分别通过导管密闭接入液压缸装置的上、下两腔室。
进一步地，所述气态温度传感器是指填充有气体的密闭刚性聚热黑管，且两气态温度传感器相同是指聚热黑管形状、容积相同，以及同一环境下内充气体压强相同。
更进一步地，所述填充气体为常压下沸点低于应用环境温度的气体，包括氟利昂-12、氟利昂-22或其他已知的气态化合物。
更进一步地，所述聚热黑管通过一体化设置在遮光板上的黑管套与跟踪器平板相固定，或通过其他对聚热黑管无热传导效应的连接结构相固定。
进一步地，所述两导管具有挠性，且两端密封状态下容积相等。
进一步地，所述跟踪器平板底面在垂直于转轴中心方向设有导程槽，所述活塞杆顶部直接与导程槽内侧相接触，使活塞杆顶部能沿导程槽滑动。
单轴式太阳辐照自动跟踪系统的实现方法，其特征在于：所述自动跟踪系统包括跟踪器平板及其遮光板、承重支架、连接轴组件、气态温度传感器、液压缸装置，以及连接气态温度传感器与液压缸上、下腔室的导管，且液压缸装置的活塞杆顶部与跟踪器平板底面相连结；由于气态温度传感器处于转轴两侧的跟踪器平板边缘，且与中心转轴的距离相等，太阳辐照对两边气态温度传感器的加热效果相同；但在太阳辐照偏斜状态下，跟踪器平板两端所述的气态温度传感器在遮光板作用下受热不均，内充气体的饱和蒸汽压随温度改变而发生变化，经导管传递至液压缸装置，通过活塞运动平衡上、下两腔室的压差，进而通过活塞杆顶端上推或下拉，使跟踪器平板转动、调整朝向太阳辐照的角度。当跟踪器平板运动至与太阳辐照相垂直时，两个气态温度传感器的受热面积相同，所对应的饱和蒸汽压相同。此时，活塞两侧压强相等，活塞运动停止，进而通过活塞杆的控制使得跟踪器平板转动停止，形成一个闭环系统。
进一步地，所述遮光板作用指的是，当太阳辐照与跟踪器平板垂直状态发生偏斜后，所述遮光板对聚热黑管照射面积的遮挡、削减效应，引发内充气体饱和蒸汽压随温度改变而发生变化。
本发明单轴式太阳辐照自动跟踪系统得以实施后，其有益效果体现在：
基于液压传动系统的自动跟踪系统，消除了传统辐照跟踪系统需借助电子控制系统和电力机械驱动的能量损耗，提高了太阳能的能源利用率。同时，该自动跟踪系统还具有结构简单、成本低廉、维护方便、操作简易、性能可靠、跟踪精度高，以及对使用人员要求较低等诸多优点。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构示意图；
图2为本发明实施例的侧视结构示意图；
图3为本发明实施例的遮光原理示意图；
图4为本发明实施例的工作负载分析图；
图5为本发明实施例中跟踪器平板底面导程槽的结构示意图；
图6为本发明实施例中液压缸的结构图；
图7为本发明实施例液压缸活塞的行程分析图。
具体实施方式
为使本发明单轴式太阳辐照自动跟踪系统的实质特征及有益效果更易于理解，以下结合实施例及其附图对其进行详细说明。
如图1和图2所示的本发明实施例的立体结构示意图和侧视结构示意图可见，本发明的太阳跟踪液压传动系统包括承重支架3、跟踪器平板1、连接轴组件2、气态温度传感器51、52两个、导管81、82两根和液压缸装置7。跟踪器平板1通过底面中心的连接轴组件2与承重支架3相连，并能实现单轴转动。在跟踪器平板1相对连接轴转动的两端边缘分别设有弯折的遮光板11、12，并紧贴各遮光板11、12分别设置一相同的气态温度传感器51、52；且所述承重支架3上固设一液压缸装置7，通过活塞杆71顶部与跟踪器平板1底面垂直于转轴中心方向相连结；所述两气态温度传感器51、52分别通过挠性的等容积导管81、82密闭接入液压缸装置7的上、下两腔室72、73内。此外，在跟踪器平板1底面垂直于转轴中心方向设有导程槽13，而使得活塞杆71顶部能够滑动嵌接在该导程槽13内。
在本实施例中，该气态温度传感器指的填充有低沸点气体的密闭刚性聚热黑管(以下均以黑管简称指代气态温度传感器)，通过一体化设置在遮光板11、12上的黑管套4(两侧遮光板各设两个)两端套接的形式与跟踪器平板1相固定。为确保该自动跟踪系统的精确程度，跟踪器平板1两侧的遮光板11、12深度、弯折角度相同；固接的黑管51、52形状、容积相同，并且相同环境下内充的气体压强也相同。此处，黑管51、52中所填充的气体为氟利昂-12。
以下结合图3、图4和图6，进一步分析本发明单轴式太阳辐照自动跟踪系统的工作原理：
太阳的相对位置讯号由跟踪器平板1两侧的气态温度传感器51、52(黑管)所接受。在常温下，部分液体汽化形成饱和蒸汽，同时产生一定的饱和蒸汽压，通过密闭导管81、82传递至液压缸装置7，使液压缸装置7内的上腔室72与下腔室73形成压差，从而驱动活塞杆71运动，进一步使得跟踪器平板1转动一定角度，达到自动跟踪太阳辐照的目的。
具体地，如图3所示的本发明实施例的遮光原理示意图可见，当跟踪器平板1正对太阳辐照时，两侧的黑管51、52面向太阳的照射面积是相等的(即A₁B₁＝A₂B₂)，即两侧黑管中的饱和蒸汽压也处于一个相等的平衡中，液压缸活塞的两侧受力处于平衡状态，跟踪器平板静止不动；但当太阳辐照与跟踪器平板1偏移一定角度时，由于遮光板11、12的遮挡作用，跟踪器平板1两侧的黑管51、52所受的太阳照射面积是不相同的，(图中所示A₁B₁＞A₂’B₂’)一侧受热面积不变，仅是位置发生了变化，而另一侧却因为遮光板11的而明显减少。由此温度的差异引起内充气体的饱和蒸汽压发生变化，通过导管传递，在液压缸装置7的上腔室72和下腔室73中形成了压力差，辐照减少的一侧所连的腔室压力相对变小，通过活塞杆71的压力调节作用带动跟踪器平板1转动，调节其相对于太阳辐照的朝向。随着太阳在空间位置的变化，跟踪直至日落西山。翌日，日出的阳光晒热单侧黑管，使该侧气体饱和蒸汽压改变，由液压缸装置带动跟踪器平台迅速转动，重新对准太阳辐照。
如图4所示，是本发明实施例的工作负载分析图。从图中可以看到该单轴式太阳辐照自动跟踪系统的工作负载F₁可以通过以下式子来确定：
F₁＝R_a+R_m+R_g+R_a′+R_a″，其中：
R_a——跟踪器平板装置的自重(由于装置转动轴位于跟踪器平板的对称中心，所以转动轴两侧自重基本自行平衡)；
R_m——跟踪器平板装置满载时的启动静摩擦力；
R_g——跟踪器平板满载时的启动惯性力(由于跟踪器的转动速度极为缓慢，可以认为速度接近于0，所以R_g约等于0)；
R_a′——平衡力(平衡跟踪器平板装置由于偏置所产生的平衡力)；
R_a″——液压缸活塞杆自重(在保证强度条件下，几何尺寸越小越好)。
如图5所示，液压缸活塞杆71上端为球形，和导程槽13内侧嵌接相切，并在导程槽13内做横向运动，同时活塞杆71还由于可以上下运动，既可以推动，也可以拉动导程槽13移位，同时由于导程槽13固定在跟踪器平板1底面上，进而能够带动跟踪器平板1转动。
如图6所示的液压缸的结构图可见，液压缸装置7的上下两腔室72、73分别密闭连接有导管81、82。中间为液压缸活塞。随着由导管传递过来的氟利昂气体，影响蒸汽压强的变化而使液压缸中活塞上下移动，进而带动活塞杆上端相连的跟踪器平板转动。
如图7所示的液压缸活塞的行程分析图可见，根据日照时间确定跟踪器平板位置由I-I跟踪到II-II的跟踪角度α(从日出到日落的最佳跟踪角度)。
设液压缸活塞支点O₂到跟踪器平板导程槽支点O₁间的距离为R，则活塞行程X_max＝O₂O₂′，所以X_max＝R×α。
根据实际的应用环境，对本发明自动跟踪系统的参数做一示例性确定：
工作温度的确定。根据新疆石河子地区《地面气候资料》统计，该地区10年内平均最高气温为42℃，最低气温为-40℃。故确定最高工作温度为50℃，最低工作温度为-40℃。这个工作温度范围完全适应于绝大部分地区。
低沸点工质(填充气体)的选择。选择原则是：由于使用跟踪器的地理位置不同，工作环境和条件差异较大，工质的沸点与饱和蒸汽压的选择要适当。沸点过低，易产生泄露；沸点过高，会使系统灵敏度降低，一般选用常压下沸点低于应用环境温度的气体。为此，宜选用氟利昂12、氟利昂-22或其他已知的气态化合物作为液体工质，它基本能满足工作要求，性能指标见下表。
氟利昂-12在不同温度下的饱和蒸汽压Ps(单位：KPa)