智能型太陽能接收系統的設計

□ 王其偲 □ 劉建宏

1.南京理工大學 機械工程學院 南京 210094 2.電子科技大學成都學院 電子工程系 成都 611731

1 設計背景

能源是人類經濟社會發展的物質基礎。隨著社會的發展,人們對于生態環境的保護意識逐漸增強,對清潔能源的研究也越來越受到重視。作為可持續能源之一的太陽能,是未來社會的研究重點。目前,將太陽能作為動力源的產品較多,但由于受到天氣的影響,如何提高陽光的利用率是一個關鍵問題。可見,開發自動跟蹤陽光的裝置勢在必行。近年來,人們在這一領域做了較多研究[1]。許芷毓等[2]探討了自動獨立式太陽能光伏發電系統的可能性。黃和平[3]在硬件層面上指明了研究方向。張應林、黃和平等[4]在軟件方面細化了相關程序設計,提高了陽光的利用率,也達到了良好的陽光追蹤效果。然而,上述研究裝置存在結構復雜、陽光接收效率不高等問題。影響陽光接收效率的因素有設備能量轉換率、太陽能接收效率。筆者將提高太陽能的接收率作為設計的方向,并應用紅外探測系統中的調制盤和光學系統進行系統改進,設計出以調制盤為核心,高接收率且自動跟蹤陽光的智能型太陽能接收系統。

2 系統極限位置定義

智能型太陽能接收系統的設計目標為,在感光條件下,設備可以根據與太陽的相對方位,對陽光方位的數字信息進行調整,達到長時間跟蹤陽光的效果,從而使太陽能系統的功率轉化率最佳。

在系統設計時,首先要考慮系統的極限位置,即系統在無光照工況下,如夜晚和陰天時所處的狀態。此時,系統板面接收的光照強度所觸發的能流信號低于閾值,無法啟動智能型太陽能接收系統工作,對應狀態稱為停機狀態。智能型太陽能接收系統如圖1所示。在極限位置,智能型太陽能接收系統的控制回路不起作用,光照很微弱,系統保持姿態盡量積累太陽光照,仍具有一定的實用價值。

▲圖1 智能型太陽能接收系統

3 系統運行原理

對智能型太陽能接收系統運動原理進行分析[5]。這一系統的主要功能是對陽光進行追蹤,在太陽升起前和落下后,系統板面分別處于垂直地平線位置,即兩個極限位置。在晴天中,太陽自東向西運動,假定這一運動過程在12 h內完成,而從一個極限位置運動至另一個極限位置所經過的角度為180°,由此可以計算得出智能型太陽能接收系統的運動規律為15(°)/h或0.004 2(°)/s,平均運動角速度為7.33×10-5rad/s。可見,系統板面在全天候工作過程中運動角速度很小,可以近似認為智能型太陽能接收系統的工作將系統板面對焦太陽微調。根據系統的運行規律,可以選擇舵機類型。通常情況下,舵機必須克服系統板面的重力做功,因此要求舵機具有較佳的承重能力。當然,承重能力較強的舵機,角度調整的精度不高。由于平均運動角速度很小,允許在角度調整過程中存在稍許誤差,并且系統板面只需要在大致方位上和太陽方位對準即可,因此角度上的誤差并不會影響智能型太陽能接收系統的正常使用。

4 調制盤

在設計智能型太陽能接收系統時,原設想利用日晷的工作原理實現,在測量陰影的同時調整方向,可是實現困難。于是擬應用紅外點源制導系統的紅外探測原理,通過陽光中的紫外波段來使智能型太陽能接收系統識別太陽特征,并進行跟蹤。由此,需要用到調制盤。調制盤的作用在于明確太陽相對于智能型太陽能接收系統的位置,抑制天空背景的干擾。

旋轉掃描式調制盤如圖2所示[6]。調制盤中黑色部分為防紫外線鋼化玻璃,紫外光波能量無法穿過。調制盤上半圓部分是由可透過紫外光波部分和不可透過紫外光波部分交替組成的12個扇形區域,下半圓部分為調制區,等距設置防紫外線鋼化玻璃,允許一半紫外光波能量透過。調制盤圓心處為盲區。

▲圖2 旋轉掃描式調制盤

目標像點位于調制盤不同位置處,調制盤隨陀螺高速旋轉,紫外光波能量被切割交替透過和不透過,產生的能流信號,其波形相位反映方位角θ的大小,幅值反映失調角的大小,可見,能流信號波形可以表征太陽相對于智能型太陽能接收系統所處的位置。因此,將能流信號傳輸至智能型太陽能接收系統，用于對系統板面進行控制。

5 光學系統

光學系統的作用在于接收和匯聚太陽輻射的紫外光波能量,將其聚焦成像于調制盤[7]。筆者設計采用反射式光學系統,太陽輻射的紫外線經過外殼罩投射到主反射鏡上,又反射至次反射鏡,經校正透鏡在調制盤上聚焦為像點。像點的紫外線照射至光敏元器件,由光敏元器件將光信號轉換為電信號。反射式光學系統如圖3所示。因為光學系統對外界粉塵雜質很敏感,因此應避免粉塵進入內部干擾電子線路工作。外殼罩具有保護內部光學系統和電子線路,阻止外界灰塵雜質進入的作用。外殼罩和系統板面用螺釘連接固定,系統板面和外殼罩整體一起運動。考慮到外殼罩能夠從多方向接收太陽發出的紫外光,將外殼罩設計為半球形最為理想。

▲圖3 反射式光學系統

6 電子控制線路

智能型太陽能接收系統電子控制線路的原理如圖4所示。紫外光進入反射式光學系統,采用光敏元器件輸出電信號表征位置誤差,由前置放大器放大和變換,經過推挽放大器推挽放大后輸出兩路信號。一路經閉環回路起到負反饋作用,作為陀螺運動的輸入信號。另一路在坐標轉換器的作用下成為控制智能型太陽能接收系統跟蹤太陽光的內部信號。坐標轉換器輸出的信號較弱,需要再經過磁放大器放大后轉接在智能型太陽能接收系統的傳動裝置上。考慮到經濟性和實用性,將磁放大器輸出的信號接入舵機。舵機廣泛應用于直升機、汽車、機器人等現代化工業設備中,是首選的角度或位置伺服驅動器,可用于筆者設計的智能型太陽能接收系統,實現角度實時變化,并保持所控制的狀態。

▲圖4 電子控制線路原理

7 雙通道電動舵機

為了使智能型太陽能接收系統能夠穩定地轉動,采用雙通道電動舵機,分別控制系統板面圍繞南北和東西方位轉動。舵機有一套獨特的自動控制系統,磁放大器信號接入舵機的脈沖寬度調制端,通過直流電機、減速齒輪組、傳感器、控制電路等裝置實現轉動。由調制盤切割形成的能流信號決定智能型太陽能接收系統的轉動方向和角度。當伺服器發出控制信號時,智能型太陽能接收系統轉動,傳動軸會運轉到指定的位置。當控制信號保持時,位置信息也將同步保持,此時智能型太陽能接收系統保持不動,直到控制信號發生改變。

筆者采用兩個MG995舵機,承載質量達20 kg,組合成雙通道電動舵機。兩個舵機排布在系統板面的橫軸和縱軸兩個方位上,舵機重力影響導致智能型太陽能接收系統質心和形心不重合,智能型太陽能接收系統旋轉調整角度時會受到偏心的影響。為使外殼罩上的受力均勻,在兩個舵機對稱點處排布兩個等質量的物塊,以平衡橫軸與縱軸方向上的受力。舵機和等質量物塊排布如圖5所示。

▲圖5 舵機與等質量物塊排布

8 系統機械結構

為了使系統板面能夠在不同時段均對準太陽方位,使智能型太陽能接收系統太陽能接收效率最高,要求控制裝置在能流信號作用下控制智能型太陽能接收系統與太陽隨動[8]。系統板面運行過程中,雖然運動角速度很小,但是位于極限位置處由彎矩引起的正應力過大,加之系統工作的往復性會引起嚴重的疲勞斷裂,造成傳統的機械連接方式明顯不滿足系統長期工作的需求。經研究后采用球鉸鏈部件進行傳動,并且設計了配套的球桿球套裝置,如圖6所示,使系統板面能夠在半球范圍內任意轉動。能流信號使舵機產生規律的隨動偏轉,球鉸鏈能夠支持各方位偏轉[9-10],所受交變應力小,不易導致疲勞失效,并且磨損較小。

▲圖6 球鉸鏈與球桿球套裝置

為了使舵機固定在系統中而不影響系統功能,筆外形上并非關于輸出轉動軸對稱,舵機的輸出轉動軸并不位于中心處,經研究后將舵機外殼加寬到62 mm,以達到舵機輸出轉動軸位于中央的效果,使輸出轉動軸能更好地與球桿連接,不會出現一側應力過大造成球桿受力不均而疲勞損壞的結果。舵機外殼和系統板面由螺紋連接,舵機外殼避免過多磨損,且安裝便利,并使輸出轉動軸軸線與短支架軸線垂直相交。

9 結束語

筆者設計了智能型太陽能接收系統,利用太陽發出的紫外光作為識別特征,輔以反射式光學系統和電子控制線路,達到全天候調整系統板面對準太陽的功能,可適用于不同天氣情況。