太阳能连动跟踪方法.pdf

本发明涉及太阳能连动跟踪方法，属于太阳能利用领域。为实现太阳能低成本跟踪，采用的方案是太阳能利用装置由可偏转支撑架支撑，互相通过传动机构连接构成连动机构，由驱动装置拖动连动机构实现偏转跟踪太阳。可以用于各种太阳能利用工程解决余弦效应的影响，可以实现太阳能反射镜的平面聚光，也可以通过在连动机构中增加补偿措施实现空间定日镜聚光，为太阳能低成本热力利用及发电提供了很好的解决方案。

1、  一种连动跟踪太阳的太阳能利用方法，由太阳能利用装置、太阳能利用装置支撑架及控制与驱动装置等组成太阳能跟踪系统，其特征是：太阳能利用装置由可偏转支撑架支撑，互相通过传动机构连接构成连动机构，由驱动装置拖动连动机构实现偏转跟踪太阳。

2、  如权利要求1所述的连动跟踪太阳的太阳能利用方法，其特征是：太阳能利用装置的支撑方式为以下三种之一，
a)每个太阳能转换装置由一个单独万向铰接支撑架支撑；
b)一组太阳能转换装置装于支架的一组横轴上可以分别以横轴偏转，整体支架的转轴设置为与横轴垂直或其它角度；
c)支撑架由立轴支撑以立轴偏转，太阳能转换装置装于支架的横轴上。

3、  如权利要求1所述的连动跟踪太阳的太阳能利用方法，其特征是：支撑架的偏转与反光镜的偏转分别是年跟踪与日跟踪或者相反，驱动装置的布置具体为以下三种方式之一，
a)年跟踪连动机构与日跟踪连动机构各自独立驱动；
b)年跟踪驱动装置安装于地面，日跟踪驱动装置安装于年跟踪系统的移动件上，或者二者相反布置；
c)年跟踪连动机构的连杆采用可以扭动的连接方式，连杆上增加固装的摇臂通过空间连接机构与日跟踪连动机构连接，连杆平动控制年跟踪，扭动控制日跟踪，或者，年跟踪与日跟踪的驱动分别按上述相反方式布置。

4、  如权利要求1所述的连动跟踪太阳的太阳能利用方法，用于反光镜聚光，其特征是：太阳能利用装置为平面反光镜或凹面反光镜，凹面反光镜为连续曲面或由较小的平面镜组合而成，一套连动跟踪系统的聚光点为一个或多个。

5、  如权利要求4所述的连动跟踪太阳的反光镜聚光方法，其特征是：连动跟踪系统采用可实现平面聚光或近似平面聚光的结构，所谓的平面聚光是指一组入射光与其反射光在都同一聚光平面内，聚光平面跟踪太阳同步偏转，反光镜在与聚光平面垂直的转轴上的平均偏转速度是太阳光线在聚光平面内偏转速度的二分之一，不同位置的反光镜以不同的偏转相位差安装以满足反射光总是朝向聚光点。

6、  如权利要求4所述的连动跟踪太阳的反光镜聚光方法，其特征是：为实现反射镜空间聚光，系统至少采用以下措施之一，
a)反射镜按不同的初装相位差安装；
b)反射镜连动机构增加补偿环节；
c)接收器接收面积与反射镜面积之比采用大比值设计。

7、  如权利要求6所述的连动跟踪太阳的反光镜聚光方法，其特征是：反射镜连动机构补偿环节采用至少以下机构之一，
a)连杆机构；
b)滑杆或滑块机构；
c)凸轮机构。

8、  如权利要求4所述的同步连动跟踪太阳的反光镜聚光方法，用于太阳能发电、冶金、焊接及太阳灶等高温加热，其特征是：增加使聚光点向下转移的高位平面反光镜或高位凸面反光镜，使全部反射光实现二次反射或一部分反射光直接反射到接收器下面另一部分反射光二次反射到接受器上面，高位凸面反光镜为连续曲面或由较小的平面反光镜组成凸面镜。

太阳能连动跟踪方法
技术领域
本发明属于太阳能跟踪利用领域。
背景技术
目前太阳能集热与发电技术发展比较快，但是，因为太阳能能流密度低共同的问题依然是利用成本高。真空管式或平板式集热器集热板芯受材料与工艺的限制成本偏高；太阳能光伏发电(太阳能电池)晶体硅的原材料产量与成本难以突破，成本不会下降很快；太阳能热发电有望实现规模化，可是无论碟式或槽式反射聚光还是塔式平面反射聚光，普遍的思路是单台反射镜大型化，配套单独的跟踪系统，结果是复杂笨重的支撑与控制系统对于能流密度很低的太阳能总是难以发挥反射镜低成本优势，离全社会迫切希望解决能源与环境压力的要求的低成本全面使用还有很远的距离。
太阳能早晚变化规律使太阳能利用装置总是存在“余弦效应”影响使用效率，目前还没有一种普遍适合的低成本太阳能跟踪技术解决这样的问题。
发明内容
本发明的目的：彻底简化太阳能跟踪系统，最大程度发挥反射镜低成本优势，提出简单低成本的普遍适合各种太阳能利用装置的太阳能跟踪新方法。
本发明的技术方案：本发明采用连动跟踪太阳的太阳能利用方法，由太阳能利用装置、太阳能利用装置支撑架、及驱动与控制系统等组成太阳能跟踪系统。太阳能利用装置由可偏转支撑架支撑，互相通过传动机构连接构成连动机构，由驱动装置拖动连动机构实现统一偏转跟踪太阳，驱动装置一般由自动控制系统控制。太阳能利用装置包括太阳能电池、太阳能集热器(如真空管或平板集热器等)、聚光透镜及聚光反射镜等，其支撑方式采用可以自由偏转的结构，例如：
a)每个太阳能转换装置由一个单独万向铰接支撑架支撑；
b)一组太阳能转换装置装于支架的一组横轴上可以分别以横轴偏转，整体支架的转轴设置为与横轴垂直或其它角度，是一种组合铰支；
c)支撑架由立轴支撑以立轴偏转，太阳能转换装置装于支架的横轴上。所谓的立轴不局限于垂直于地面。
传动机构可以是连杆、绳缆及液压等各种机构，传动机构在机械设计领域灵活多样有利于连动机构满足各种太阳能跟踪需要。一般情况，因为每个太阳能转换装置跟踪太阳的规律相同，采用平行连杆机构就可以使太阳能利用装置同步连动跟踪太阳；当太阳能利用装置为平面反射镜时，可以通过连动机构按平面聚光或近似平面聚光的方式实现连动跟踪聚光。所谓的平面聚光是指一组入射光与其反射光都在同一聚光平面内，连动跟踪系统控制聚光平面跟踪太阳同步偏转，并使反光镜在与聚光平面垂直的转轴上的平均偏转速度是太阳光线在聚光平面内偏转速度的二分之一，不同位置的反光镜以不同的偏转相位差安装以满足反射光总是朝向聚光点。
但是平面镜反射采用简单的平行连杆机构无法实现严格意义上的空间定点聚光(即所谓的定日镜聚光，此后简称空间聚光)，实际工程中在连动系统与平面镜之间可以增加补偿措施，使系统在连动跟踪的过程中反射光都能聚向聚光点或接近聚光点，实现空间聚光。
一般动力装置由控制系统自动控制也可以采用半自动或手动控制，多组平面聚光可以按阵列组合成各种太阳能跟踪聚光系统。
本发明的优点：
1.是一种普遍适合各种太阳能利用方式的低成本太阳能跟踪解决方案，使太阳能利用消除“余弦效应”提高使用效率。
2.太阳能跟踪系统采用同步连动机构，有利于较大面积的太阳能利用系统只用一套跟踪控制系统实现自动跟踪太阳，小型微型的太阳能转换装置大面积阵列分布，重心可以很低连动机构作用力很小，可大幅度简化系统增加抗风能力，从而大幅度降低投资成本。
3.不但有利于小型微型的太阳能聚光热利用与热发电，而且有利于采用高倍率聚光和多个同步连动跟踪聚光实现高温大功率的太阳能工程，如大型太阳能发电站，太阳能冶金工程等。
4.本发明低成本优势从太阳能热利用到太阳能发电将影响到诸多领域的节能降耗，对全社会的环境与能源结构必将产生深远影响。
附图说明
图1是太阳能转换装置由单个万向铰接支撑架支撑的同步偏转方式；
图2是一种二维移动控制驱动机构；
图3是平面万向铰支机构的两种结构方式；
图4是组合式平面万向铰支机构；
图5是几个组合式平面万向铰支机构阵列布置支撑架同步连动示意图；
图6是一个组合式平面万向铰支机构中太阳能转换装置同步连动示意图；
图7是三种同步连动机构示意图；
图8是同一支撑架上的反光镜同步连动平面聚光系统示意图；
图9是多个平面聚光系统的反光镜支撑架同步连动跟踪太阳光线示意图；
图10是多个同步连动平面聚光系统立体示意图；
图11是具有二次反射聚光示意图；
图12是具有二次反射与一次反射分组聚光示意图；
图13是反光镜连动控制空间聚光系统示意图；
图14～图18是5种增加了补偿环节或补偿机构的连动控制机构示意图；
图19是年跟踪连动机构与日跟踪连动机构各自独立驱动太阳能利用装置偏转示意图；
图20是采用立轴支撑的太阳能利用装置偏转机构示意图；
图21是增加了补偿机构的立轴支撑的太阳能利用装置偏转机构示意图。
具体实施方式
实施例1：如附图1所示的太阳能转换装置1由单个万向铰接(向前后左右都可以偏转)支撑架2支撑的同步偏转方式，由连杆3连接后形成平行连杆的同步连动机构，通过驱动端4与自动控制的驱动系统连接，随着驱动端4的移动，全部太阳能转换装置将同步偏转。因为太阳的跟踪移动分东西方向的日跟踪和南北发现方向的年跟踪，是二维的，附图2表示双螺杆机构可以满足位移输出端5的二维移动，通过控制系统分别控制两个螺杆的转速就可以使输出端5的二维移动满足设计规律的要求，当其与附图1中的驱动输入端4连接时就可以实现太阳能能转换装置自动跟踪太阳。事实上实现二维传动的驱动机构在机电一体化领域应用非常普遍形式多样这里不再一一列举。如果一定数量的太阳能转换装置按纵横矩阵排列，那么连杆3之间可以互相固连为一体成为网架由一套控制系统控制。
附图3是平面万向铰支机构的两种结构方式，其优点是支撑架转轴线容易设计为通过太阳能转换装置的重心，使机构偏转更轻巧简单。附图4是组合式平面万向铰支机构，支撑架6通过其平行轴安装一组太阳能装置，使二维连动机构更简单。附图5是几个组合式平面万向铰支机构平行布置，形成平行连杆的同步连动机构，附图6是一个组合式平面万向铰支机构中几个太阳能转换装置同步连动示意图。附图7是三种种同步连动机构示意图，不管用于年跟踪还是日跟踪这些机构都是通用的，其中图A是螺杆推动的滑块连杆机构，图B是采用螺杆螺母滑块机构，螺杆轴向被限位螺母与滑快铰接，螺杆旋转使螺母移动带动滑快及太阳能转换装置偏转，图C是采用链轮机构，由动力轮8通过链条带动与各个太阳能转换装置连接的链轮旋转。另外，连动机构的“连杆”也可以采用绳缆，绳缆的一端用固定弹簧牵引，另一端由控制系统的动力装置牵引，或者类似附图7C将链条改为绳缆，绳缆和动力轮及每个链轮铰接。采用绳缆弹簧机构的优点是太阳能转换装置分布更自由。
太阳能同步连动跟踪系统的驱动装置具体可以是以下三种方式之一：
a)年跟踪驱动装置安装于地面，日跟踪驱动装置安装于年跟踪驱动装置的驱动件上如附图2，或安装于太阳能转换装置的支撑架上。
b)年跟踪驱动装置与日跟踪驱动装置各自独立安装于地面，日跟踪驱动装置通过空间连接机构(一般情况为万向节或其它活节，也可以绳缆弹簧机构)与日跟踪同步连动机构连接。例如可以增加一个与年跟踪的连杆(如附图5中的连杆7)平行的扭杆，扭杆上的每个摇臂通过空间连接机构与各个日跟踪同步连动机构连接，这样可以通过控制驱动装置驱动扭杆扭转控制每个太阳能转换装置的日跟踪，事实上也可以增加一个空间连杆机构替代扭杆控制日跟踪同步连动机构。
c)年跟踪同步连动机构的连杆采用可以旋转扭动的连接方式，连杆上增加固装的摇臂通过空间连接机构与日跟踪同步连动机构连接，年跟踪同步连动机构的连杆平动控制年跟踪，扭动控制日跟踪，这样同步连动跟踪系统可以更加简单。日跟踪连动机构无论是采用空间扭杆机构还是空间连杆机构驱动跟踪精度都会受到年跟踪移动的影响，适合精度要求不高或采用有传感器反馈的被动跟踪控制系统，或者采用控制器或电脑软件计算与控制。
显然，以上年跟踪与日跟踪的驱动方式都是可以互换的。阵列的大小每列的长度(太阳能转换装置的数量，不受各附图中所示数量限制)由控制精度要求、支撑架刚度及投资成本等因素确定。控制系统的光感传感器与跟踪控制程序或软件种类比较多已有很多应用，这里不做多述。
总之，同步连动跟踪系统可以灵活多样，其基本特点是可以将太阳能转换装置微型化，成片分布，连动控制，大幅度降低单位容量投资成本。
同步连动跟踪太阳的太阳能利用方法可以用于太阳能电池发电，也可以用于各种太阳能集热，如平板集热、真空管集热、碟式或槽式聚光及菲涅尔透镜等，只是太阳能热利用的热力管路从动态太阳能转换装置(集热装置)与外界连接不太方便，解决的办法是：一是集热器尽量采用热管传热减小热力管路直径，二是热力管路尽量沿转轴与其它集热器及外界连接，三是需要转动变形的环节热力管路采用螺旋管结构。
实施例2：如附图8所示的反光镜同步连动平面聚光示意图，聚光点设置在经过支撑架偏转转轴的太阳光线组成的聚光平面内，支撑架跟踪太阳光线同步偏转，支撑架上不同位置的反光镜10在聚光平面内的偏转方向上以不同的偏转角相位差安装以满足在同步偏转跟踪太阳的过程中以合适的偏转速度使反射光在聚光平面内总是朝向聚光点(接收器)11。为了计算出镜面“合适的偏转速度”与太阳光线在聚光平面内偏转速度的关系，图中用a线表示太阳光线，b为镜面法线，c为反射光线，d为地平线，e为镜面，a、b、c及d都分布在聚光平面内。ad的夹角为光线入射角Ф，cd的夹角为反射角θ，bc的夹角为γ，镜面偏转角为ω(图中未标注)与ed的夹角λ互为补角。因为入射光a与反射光c的夹角的角平分线必然是镜面法线b，所以有
ω＝90°+(θ+γ)
γ＝(Ф-θ)/2
计算结果为
ω＝90°+(Ф+θ)/2
因为正常情况反射光总是指向聚光点，反射角θ为定值，ω的变化只与变量Ф有关，也就是
Δω＝ΔФ/2，
这说明，这种情况反光镜的偏转角变化速度是太阳光线偏转速度的1/2。当Ф＝0时
ω₀＝90°+θ/2
因为θ的大小只与反射镜相对聚光点的位置有关，说明不同位置的反光镜其初装角ω₀由反射镜位置决定。
综合以上分析的结论是：安装于同一支撑架上的一组反射镜初装角按ω₀＝90°+θ/2安装，聚光点布置于经过反射镜支撑架转动轴的光线组成的平面内，偏转速度设计为太阳光偏转速度的1/2就可以使反射光线总是朝向聚光点——接收器。在实际工程中，跟踪过程可以是连续的也可以是间断的(如小型聚光系统几分钟动一次)但平均速度需满足跟踪要求，一组聚光平面的反射镜与接收器及反射光线不必在严格意义上的聚光平面内，甚至可以将并列相邻的几组聚光平面采用同一个聚光点的接受器，当反射镜面积比接受器面积小的多时可以减小这样聚光偏差对实际效果的影响，另外，因为年跟踪偏转范围小，反光镜偏转轴可以根据需要采用近似平行，因此在实际工程中一般是近似平面聚光。
显然，如果需要，平面聚光分组设定反光镜相位差可以在同一聚光平面内同时设置两个或更多不同位置接收器，反光镜位置可以在同一直线上也可以在聚光平面内根据需要自由设计。
为实现多组聚光采用附图9所示多个平面聚光系统的反光镜支撑架同步连动跟踪太阳光线，每组反射镜随着支撑架一起按平行连杆同步连动机构同步偏转，平均速度与太阳光线偏转速度相同，整体形成如附图10所示的多个同步连动平面聚光系统组合模式，聚光点可以设定分布在连杆7上成为“线聚焦”，将接收器如热力管路或太阳能电池等分布于连杆7上就可以利用太阳能了，也可以设为其它需要的方式。这样，通过整体的同步连动跟踪系统的年跟踪与日跟踪就可以实现各种太阳能反射聚光利用模式。
反光镜一般采用平面镜反光，为了获得更高的聚光倍率，反光镜也可以采用连续的凹面镜，或由更小的平面镜组成一个组合凹面的反光镜。
实施例3：如附图11是有向下二次反射的同步连动平面聚光系统示意图，增加高位反光镜12将光线先反射到平面镜再向下二次反射到接收器11，使太阳能高温加热更方便。二次反射聚光点的位置可以通过镜面成像原理确定(总是与一次聚焦点按镜面对称)，但是向下反射的距离不能太多否则高位反射镜需要很大面积。为了适应更多领域聚光加热，可以采用凸面反光镜向下延长反射距离，这需要减小地面反射镜的单镜面积。例如，聚光后产生的光斑直径是1米时，如果将单镜面积减小一半经高位凸面反光镜将光斑再放大到1米时向下反射距离自然会延长。附图12是将地面反射镜分两组，一组反射光直接集中到接收器平台11的下面，一组经过高位反射镜12反射到接收器平台的上面，用于需要上下面同时加热的工艺，如太阳灶及冶金领域。也可以多个二次反射组合成较大的反射聚光系统用于大型高温加热，另外，凸面反光镜也可以用更小的平面反光镜组合而成。
实施例4：如附图13所示的反光镜连动控制空间聚光系统示意图，接受器为固定位置，为使x1、x2及x3位置的反射光线总是朝向接收器11，各反射镜的日跟踪偏转角与年跟踪偏转角必须有相对应的规律满足跟踪聚光的要求，它们分别是接收器的空间位置x、y、z以及太阳光线日偏转角与年偏转角的函数，其复杂的函数关系很难用简单的连杆机构实现严格意义上的同步跟踪定点聚光。解决的方法是在连动机构与反射镜连接中增加补偿环节或补偿机构，附图14～附图18是5种增加了补偿环节或补偿机构的连动控制机构示意图，有利于使跟踪系统实现空间聚光或近似空间聚光，附图14与附图15是两种简单的补偿方法，连杆3由整杆拖动改为分段铰接，这样可以自由设计每个反射镜的连杆机构的各连杆长度，适应跟踪需要，不足之处是容易形成累积误差。附图16～附图18是另外三种补偿机构，有更大的设计自由度，其中附图18事实上是一种特殊的凸轮机构，可以用数控机床按跟踪函数要求计算加工出精度比较高的补偿机构。日跟踪与年跟踪偏转角函数的计算可以参考申请号是200610200777.8名称为《用自旋-仰角跟踪方式和行列转动象差修正法制造的太阳炉》的专利申请说明书。
一般情况，空间聚光的各位置反射镜偏转轴互相都存在空间角度互不平行，附图14～附图18所示的整体机构为满足空间聚光的需要，连杆的接点都应该是空间铰接方式(或称万向铰接)，存在的问题是当分别用于年跟踪过程与日跟踪过程的两个方向的控制时必然互相影响，而且都是互为空间角度的干扰，使跟踪函数的计算与补偿设计难度非常大。附图19显示年跟踪连动机构与日跟踪连动机构各自相对独立驱动的示意图，例如，通过连杆3按箭头方向移动控制日跟踪时，反射镜1以支撑轴20为转轴偏转，通过摇杆21按垂直画面的方向移动控制反射镜1以支撑轴AB为转轴偏转实现年跟踪。两种方向的控制相对独立，但仍然存在干扰，因为当连杆3移动时，摇杆21末端控制点相对反射镜1的垂直距离(图中虚线所示)会改变，但是这种影响只是平面直角关系，对跟踪计算可以简化许多，实用性大大增强。
附图20为采用立轴支撑的反射镜偏转机构示意图，其最大的特点是可以实现年跟踪与日跟踪两种方向的控制互不干扰，当连杆3移动时带动滑块机构沿立轴上下移动进而控制反射镜1的偏转。反射镜通过立轴的转动可以以立轴为转轴可以自由偏转(图中未显示立轴转动的连动机构)。图21是增加了补偿机构的立轴支撑的反射镜偏转机构示意图，因为年跟踪与日跟踪的控制互不影响使连动机构补偿设计更加简化，更容易实现精确控制。
空间聚光的连动跟踪控制是最复杂的跟踪控制，在一些精度要求不高的实际工程中，如中低温的太阳能集热可以采用近似的空间定点聚光方案简化设计降低成本，可以采用以下的一种或多种补偿措施满足各种太阳能工程的需要：
a)反射镜按不同的初装相位差安装，类似于平面聚光的相位差的影响；
b)反射镜连动机构增加补偿环节；
c)接收器接收面积与反射镜面积之比采用大比值设计，每个反射镜面积越小或者反射到接收器的光斑越小，接收器受热面积越大，则允许的跟踪误差范围就越大，需要的控制精度要求越小。
同样的，反光镜一般采用平面镜反光，为了获得更高的聚光倍率，反光镜也可以采用连续的凹面镜，或由更小的平面镜组成一个组合凹面的反光镜。空间聚光也可以采用附图11与附图12所示的二次反射方法满足相应工程需要。
本发明因应用领域广泛，连动机构灵活多样，因此不局限于实施例所描述内容。