更全的杂志信息网

基于日晷投影的小规模太阳能追踪系统设计

更新时间:2009-03-28

太阳能作为未来人类重要的能源供应,仍然亟待提升其能量转化率,目前除了在材料上进行升级改进外,控制上提高现有系统的转换效率,也是重要的研究方向[1,2]。本文设计的追光系统,主体分为阳光定向和平台控制两部分,利用日晷投影计时的思想来定位太阳[3],同时利用相邻两组信号比对的方法能够有效排除空间中其他点光源的干扰,另一方面,各支撑杆两端采用不同方式与平台连接,从而实现了通过调节杆长来改变平台方向的功能,相比过去双轴式的机械结构,只需要传递一维的信号,不用再分解为方位角和俯仰角两部分[4],仅由阳光相对平台法向的方位角控制平台的方向,具有信号可靠、算法简洁的优势。

传统教育政策的制定是在一定的调研和有限的调查基础上,结合经验,形成决策者的有限理解,进而去推测教育的现实,从而具有一定的主观性。同时,由于这样调查只能是管中窥豹,通常没有考虑全面的现实。在大数据提供的海量数据支持下,通过让数据发声,决策者完全可以全面了解教育的现实,从传统的调研转向寻求决策的多元丰富证据。按照这样的过程进行创新培养决策更科学,由此形成的教育决策更能发挥创新人才培养的引导作用。更重要的是,得益于从主观转变为客观,大数据支撑的教育政策从人的有限理性变为以事实为中心,也有利于保证教育决策的持续性。

1 阳光定向装置

1.1 投影定位原理

位于平台原点垂直树立一个投影杆,作为“晷针”,用做平行投影的投影物体,投影光线则为平行日光束,则会在平台表面即“晷面”上形成狭长的一束投影[5],以平台原点为参考,该投影由平台原点指向太阳所在的反方向,此时测量该投影相对原点的方位角,即可求得太阳所在方向。

  

图1 太阳张角的影响

由于太阳张角约为32’的约束,使得投影杆截面直径存在最小极限dmin(如图1所示),若此时本影区长度为l,则极限直径:

 

比如我们需要将影子缩短至30mm以内,则投影杆截面直径应不小于0.28mm。当小于极限直径时,投影将在本影区末端错开分为两束,应当避免这种情况的发生,因为当投影不在具有唯一性时将无法准确判断阳光方位。

  

图2 追踪精度的理论误差

不管是应用软件显示界面还是工控[17]、核电[18]、雷达监视界面[19]以及飞行器显控界面,其某一时刻的静态界面通常包含比较丰富的信息,这些信息往往会被划分为不同类别区或者不同功能区,不同区域需要被分配操作者不同时刻的视觉注意.视觉任务有时要求操作者监视整个界面,掌握全局态势,有时则要求操作者针对特定任务区域进行精细跟踪,获得局部准确信息.

式中 ρ(X,Y)表示 X、Y 两点的欧式距离,计算求得 A(ra,θa,φa)和 B(rb,θb,φb),设此时投影所在方位角为 φ,则 A、B 伸缩比:

 

如图3所示装置示意图,三杆连接点形成一个等腰直角三角形以简化计算。初始状态时,工作平台位于水平位置,三杆长度相等且均位于垂直方向,活动杆使用电机控制其长度,在单片机的控制下,以不同的速度调整两杆伸长或者收缩,从而实现工作平台向太阳所在方向调整。精确计算两杆伸缩速率需要读取两杆当前长度l1,l2,同时需要结合设计时的平台高度h和三杆水平间距r列解方程组:

为了提高定位的抗干扰能力,需要尽可能减小点光源对传感器造成误判的可能,应将方位角相邻的两组传感器收集到的信号进行求差,这时如果再让投影的宽度小于传感器间的切向距离,则可以通过这样的求差,找到信号差超过设定阈值的传感器对的所在方位。考虑投影最多同时遮挡两个传感器Pk和Pk+1,有三种差值信号 Pk-Pk-1、Pk+1-Pk和 Pk+2-Pk+1,或是三种均取相反的结果,不论哪种求差方法,每次均会产生一个正值、一个负值和一个近似零值,其他没有投影存在的传感器进行求差之后均产生近似零值,此时我们只需根据阳光与传感器的敏感度设定合适的阈值,将近似零值和负值信号滤除,留下正值信号,获得投影所在的方位角。若以投影移动方向为正,考虑追踪的滞后性,应将Pk和Pk+1中方位角超前的作为求差的前一项,使正值信号提早出现,超前半个传感器进行追踪。

1.2 投影信号处理

为了获得当前投影的方位,需要在投影杆的四周均匀密布光敏传感器,同时传感器尺寸应尽可能小,有利于提高定位精度。由于距离平台原点越近时,圆周距离越小,所以当光敏传感器密集在该点附近时会使相邻传感器角度间隔过大,导致定位精度急剧降低,所以距离平台原点过近的位置无需布置光敏传感器。另外,如果某传感器与平台原点连线上存在其他传感器距离原点更近,则可以用较近的传感器信号进行位置标定,所以合理密布传感器可以有效节约器件成本。

在设备频率确定后,正确选择比功率值,对满足零件的技术要求是十分重要的。如上所述,频率、比功率确定后,加热速度也就随之而定,经过某一时间后,零件表面一定的厚层就被加热到淬火温度。此时进行淬火冷却,加热淬火层的深度也就完全确定了。实际上,在透入式加热条件下因表面升温速度相对较小,大都是用调整时间的方法来满足要求的加热深度。过多地延长加热时间,将引起表面的严重过热。因此,此时就要重新选择较低的比功率。相反,如要求加热层深度很小时,就需要选用较大的比功率进行加热。

此外如图2所示,由于影子长度不能保持在恒为0的状态,且投影杆的长度为有限长L,所以定位精度存在理论误差:

2 平台控制装置

控制装置采用三杆支撑设计,其中一个作为固定支撑杆,下端垂直固定,上端用万向节与平台原点O连接,万向节保证了固定支撑杆拥有空间各个方向的弯曲自由度,同时也约束了其沿轴向的转动自由度。另外两个可调支撑杆的上端连接点选择同一圆周上的两点即可,可调支撑杆两端均采用球关节连接。

  

图3 装置结构示意图

由(1)式和(2)式可以看出,投影杆的最小直径dmin和装置的定位精度δ与投影杆的长度L与本影区长度l有关。设计时首先应根据投影识别长度得到投影的本影区长度,以此来确定投影杆的直径下限,其次,确定所需要的定位精度,从而确定投影杆的长度下限。

 

本机制动管充风,平均管压力排空,制动作用缓解。补机(重联机车)接收制动管压力增高的变化,通过DBTV模块将16TV作用管风压排空,同时给补机副风缸充风;补机接收平均管压力排空的变化,通过BCCP将制动缸压力排空,补机缓解。

 

3 系统主体设计

3.1 硬件结构设计

考虑到系统所需实现的功能,选用意法半导体公司生产的STM32103FVET6单片机主控芯片。STM32F103VET6有100个数字I/O引脚,512K字节的闪存,三种低功耗工作模式——睡眠、停机和待机,所有引脚都耐5V电压,2个12位模数转换器,3个16位模数转换器[6]。光敏传感器阵列产生的信号,经过比较器求差后放大,获得的电压信号传递给单片机,单片机采集当前杆长计算出两杆伸缩比,对电机加以控制,从而实现自动跟踪。利用CH451实现对键盘的控制,使得可以手动控制两杆伸缩速率。

  

图4 系统硬件框图

系统由单片机、光敏传感器阵列、信号处理电路、驱动电路、按键、执行机构等组成,系统硬件框图如图4所示。

3.2 软件程序设计

设定系统仅于日间工作,白天太阳移动投影变长,与传感器阵列接触后产生信号,单片机找到处理之后的唯一低压信号,得到与之对应的方位角φ。同时获取当前两个可调支撑杆的各自长度,计算出工作平台朝对应方向调整的两杆伸缩比,产生信号控制驱动电路驱动电机,电机以对应速度比运转一个周期。然后单片机继续检测信号输入和两杆长度,再次调整工作平面方向。重复调整过程直至影子缩短至感光圈内,低压信号消失,系统进入待机,待机流程如图5所示。

  

图5 系统流程图

如果持续待机一段时间T0内没有信号输入,系统识别为阴天或夜间,进入睡眠状态,睡眠时间为适当的固定值t,如30分钟。之后系统重新唤醒,并使内置的T0减半,继续上述待机等待与睡眠唤醒过程。若待机过程中有信号输入则重置待机等待时间;若经过新的T0时间后,依旧没有信号输入,则继续重复上述的睡眠唤醒与T0减半策略,直至T0<0.5t之后,T0不再减小,若连续几天没有信号输入,系统将会返回严重故障的提示,提醒用户维修。上述时间值由所在地区天气情况确定,使误判出现的可能性小于1%即可。

4 其他光源的干扰分析

城市中存在的光源干扰主要为高亮度LED灯,单个LED的光通量最高约为0.1cd,除去特殊用途的投影灯与探照灯外的常规照明灯具,每平方米光通量仅为晴天户外直射阳光的0.1%~3%[7],只有使用强光LED灯组在距离检测装置1m以内时,会产生干扰投影。另一方面,由于大多数强光干扰很少在晴天出现,所以系统在日间工作时基本上可以忽略非阳光投影的存在。因此,时钟信号的设定可以使系统在傍晚和夜间规避大量光源干扰,同时时钟积累的误差也不会影响系统工作时的追踪精度。

5 结论

为使城市地区的小型用户也能高效的利用太阳能,改进了现有的日光追踪方式,设计了基于日晷投影的小规模日光追踪系统。通过模拟实验,系统的抗干扰性能和追踪的精度均在要求的范围之内。新型的杆式调整装置拥有足够的灵活度和转向范围,能够轻松应对追踪日光的要求。本系统在牺牲少量追踪精度的情况下,提出了一种新型的追踪方法,将日光近似平行光束进行处理,使得系统抗散射光干扰的能力大幅提高,从而系统可以正常工作在光污染较重的城市地区;同时新型的杆式平台控制,安装方便,操作简单,更加适合小型家庭用户使用。

天空中的白鹫在飞快地朝着土狼群的方向掠去。它们飞行带起的风,搅乱了山间的云雾。顺着这道飞行的轨迹,天葬场上的族人们终于发现了山下的一幕。但未等他们反应过来,一个宽大的黑影已从身侧掠过。

参考文献

[1]李文婷,刘宏,陈慧玲.国内外太阳能光伏发电发展综述[J].青海电力,2004(4):3-6.

[2]谌立新.法国建成能“追踪”太阳的太阳能电站[J].功能材料信息,2008(Z1):114.

[3]刘群.日晷投影原理及其应用[J].贵州师范大学学报(自然科学版),2003(3):109-112.

[4]陈舟.太阳能双轴自动跟踪系统设计与研究[D].武汉:湖北工业大学,2015.

[5]朱铎,符继红.试述地球表面日影的变化[J].云南地理环境研究,2001(S1):122-125.

[6]意法半导体推STM32系列微控制器[J].中国新通信,2009(12):91.

[7]刘宏,张晓晶.高亮度白光LED直流照明灯的研究[J].节能与环保,2005(8):5-7.

 
郭陟峰
《科学技术创新》 2018年第16期
《科学技术创新》2018年第16期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息 粤ICP备2023046998号