利用地下淺層土壤溫度跟蹤太陽赤緯角的裝置及調節方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于太陽能利用技術。
【背景技術】
[0002]在地球某一點處的太陽直射入射光線隨時在變化著，為了盡可能多地利用太陽直射輻射能，太陽能利用裝置要求配備能夠跟蹤太陽位置的裝置，多數太陽能跟蹤裝置以電驅動裝置為主，這類裝置跟蹤精度高，但跟蹤過程中耗能，運行和維護成本高，本發明實現了利用地下淺層土壤溫度的規律性變化跟蹤太陽赤瑋角的變化，該跟蹤裝置不耗能、成本低、易維護，具有很高的應用前景和市場價值。
[0003]關于利用地下淺層土壤溫度跟蹤太陽赤瑋角的裝置及調節方法的文獻還未找到。有一項技術成為與本專利技術較為類似的最新技術。該項技術是已公開的“利用溫度變化自動跟蹤太陽能的方法”的發明專利技術，其專利申請號為201110286643.3，該技術以環境溫度的日變化規律來跟蹤太陽高度角的變化，利用早晨光照補償來減小吸熱遲滯，以提高跟蹤精度。該項技術明顯存在著以下問題:1、太陽高度角從日出到日落都是在時刻變化著的，從日出時的只有幾度到正午時分的七八十度隨瑋度的增高而降低，再到日落時又回到幾度的高度角，變化幅度大，變化速度快，并且隨著季節的不同而不同，因此對太陽高度角的跟蹤要求響應速度快，而膨脹罐內流體的溫度變化由于受傳熱熱阻及裝置本身的熱慣性的影響和限制，溫度變化速率較慢，由膨脹罐內流體溫度變化驅動的踴躍裝置難于及時跟蹤太陽能高度角的變化速率，造成較大的跟蹤誤差。
[0004]2、太陽高度角與環境溫度的變化一致性差。環境溫度的變化存在短周期性在一天內、中期周期性在兩個強對流天氣變化期間，長周期性一年內，在短周期內，環境溫度與太陽高度角的變化規律也存在時間上和變化特征上的差異；在中周期內，每次強降溫天氣過后，即使是在相近的幾天內，環境溫度將隨著天氣晴好而迅速上升，前后幾天內的環境溫度變化較大，而太陽高度角的變化規律基本不變；在長周期內，夏季平均氣溫很高，而冬季平均氣溫很低，夏季早晚的環境溫度較冬季中午的溫度還高，但夏季早晚的太陽高度角比冬季中午的太陽高度角低很多，因此太陽高度角與環境溫度的變化一致性差，利用環境溫度跟蹤太陽赤瑋角的精度就會較低。
[0005]3、天氣因素對該技術跟蹤精度的影響大，在晴朗且無風的天氣條件下，環境溫度與太陽高度角存在一定的相關性，該技術尚可跟蹤，但在大風、霧天、或多云天氣條件下，環境溫度與太陽高度角的相關關系減弱，此時利用環境溫度跟蹤太陽高度角就變得不可能。
[0006]4、跟蹤目標角度與所使用的環境溫度之間存在時間遲滯效應，光照補償法在解決上升段問題的同時，增加了下降段的跟蹤誤差，同時在天氣較差的條件下，本方法不能使用。在天氣晴朗且無風的條件下，環境溫度隨太陽高度角的升高而上升，隨太陽高度角的降低而下降，但并非同步變化，而是有一個相位差，也即時間遲滯，通過環境溫度跟蹤太陽高度角需要解決時間遲滯問題，而通過光照補償法解決時間遲滯問題時，太陽高度角上升段通過光照加快了膨脹罐內的溫升速率，解決了一部分上升段的時間遲滯問題，但在太陽高度角下降段由于光照的存在，反而使膨脹罐內的溫降速率減慢，使問題更嚴重，跟蹤誤差加大。如果在有云層遮擋或太陽直射較弱時，本方法不能發揮應有的作用。
[0007]5、太陽高度角與日環境溫度之間每天都存在時間遲滯效應，因此通過環境溫度跟蹤太陽高度角時必須每天都進行溫度補償調節器節，調節頻次高，如果手動調節則需要專人負責，費時費力且成本高；如果光照調節，則很難上升段與下降段兼顧，因此這種跟蹤裝置精確跟蹤成本高，非精確跟蹤則誤差大。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是利用地下淺層土壤溫度的變化規律驅動裝置跟蹤太陽赤瑋角的位置變化，提高跟蹤精度，降低跟蹤成本。
[0009]本發明是利用地下淺層土壤溫度跟蹤太陽赤瑋角的裝置及調節方法，利用地下淺層土壤溫度跟蹤太陽赤瑋角的裝置南北向放置，設有北支撐桿3和南支撐桿12，在南支撐桿12或者北支撐桿3上串接有伸縮式液壓缸6及其活塞桿11，液壓缸6的內腔與埋在地下淺層土壤10中的熱膨脹罐8的內腔聯通，在液壓缸6和熱膨脹罐8的內腔中充滿有熱膨脹流體介質9，在由太陽能接收器I下面的托架18、北支撐桿3、南支撐桿12和基座13所組成的多邊形結構中，至少有三個旋轉活動節點，本裝置設有干預式溫度補償調節裝置16，或者設有自動溫度補償調節裝置19，干預式溫度補償調節裝置16設在北支撐桿3上，或者在南支撐桿12上，或者在托架18上，或者在液壓缸6上，或者在導壓軟管7上，或者在熱膨脹罐8上，自動溫度補償調節裝置19設在北支撐桿3上，或者在南支撐桿12上。
[0010]利用地下淺層土壤溫度跟蹤太陽赤瑋角的裝置的調節方法，所述的干預式溫度補償調節裝置16，其調節方法為:在每年的6月I日之8月31之間，通過干預式溫度補償調節裝置16分I?5次逐次縮短南支撐桿12或者伸長北支撐桿3，以便調大太陽能接收器I的傾角，總共調大5?20度；在每年的12月I日之2月28之間，通過干預式溫度補償調節裝置16分I?5次逐次加長南支撐桿12，或者縮短北支撐桿3，調小太陽能接收器I的傾角，總共調小5?20度。
[0011]本發明的有益效果為:
1、本發明專利不再跟蹤太陽高度角轉而跟蹤太陽赤瑋角，太陽赤瑋角以一年為周期，從冬至的南回歸線到夏至的北回歸線，再到南回歸線，年總計變化幅度為47度，每24小時變化0.26度，因此跟蹤太陽赤瑋角的裝置在某一天中幾乎可以一動不動，其跟蹤誤差也小于0.26度，因此太陽赤瑋角跟蹤裝置所要求的響應速度慢，適合以膨脹罐內液體的溫度變化進行跟蹤，并且跟蹤精度高。
[0012]2、太陽赤瑋角與地下淺層土壤溫度的變化一致性好。首先，地下淺層土壤溫度在一年中隨太陽赤瑋角的變化作有規律的變動，在北半球，當太陽能赤瑋角升高時北正南負，地下淺層土壤溫度也隨之上升，當太陽能赤瑋角降低時，地下淺層土壤溫度也隨之下降；其次，地下淺層土壤溫度每天的變化幅度很小，這點變化特性與太陽赤瑋角的變化特性非常一致；因此，太陽赤瑋角與地下淺層土壤溫度的變化一致性好，利用地下淺層土壤溫度跟蹤太陽赤瑋角精度高。
[0013]3、天氣變化對本裝置跟蹤精度的影響小。由于土壤的導熱系數小及大地巨大的熱慣性的存在，像刮風、下雨、降溫等短期強對流天氣對地下淺層土壤溫度的影響很小，因此即使在這種惡劣的天氣條件下，本裝置也能很好地跟蹤太陽赤瑋角。
[0014]4、本發明采用的干預式溫度補償調節裝置或者自動溫度補償調節裝置都較好地解決了跟蹤目標角度與所使用溫度之間存在的時間遲滯效應。本發明在北支撐桿、或者是南支撐桿、或者是液壓缸、或者是導壓軟管、或者是熱膨脹罐上設有干預式溫度補償調節裝置，在每年夏至前后調大太陽能接收器的傾角，在冬至前后調小太陽能接收器的傾角的方式解決了跟蹤目標角度與所使用溫度之間存在的時間遲滯效應，因為調節次數少，手動調節，調節方便，采用上升段前后和下降段前后兩頭調節，因此能同時在太陽赤瑋角的上升段和下降段調整時滯效應，使得全年跟蹤精度都較高；另一方面，本發明在北支撐桿、或者是南支撐桿上安裝的凸輪式自動溫度補償調節裝置，可以根據裝置應用地區太陽赤瑋角與地下淺層土壤溫度變化規律之間的不一致性，特別加工出凸輪的外形形狀，一次性解決太陽赤瑋角與地下淺層土壤溫度變化曲線之間存在的時間遲滯效應，全自動運行，盡管前期加工成本稍高，但跟蹤精度高，不需人工干預調節，方便高效。兩種溫度補償調節裝置各有優點，都能較好地解決跟蹤目標角度與所使用溫度之間存在的時間遲滯效應。
[0015]5、太陽赤瑋角與地下淺層土壤溫度之間的時間遲滯效應每年只有一次，對于干預式溫度補償調節裝置，只需在夏至和冬至前后各調節I?5次即可，因時間遲滯效應所引起的調節次數少，調節后跟蹤精度高如果在夏至和冬至前后各調節4次，年跟蹤最大誤差可減小到2度，在部分裝置中手動調節即可滿足要求，因此跟蹤裝置成本低；對于自動溫度補償調節裝置，因無需人工調整，省時省力，因此總跟蹤成本也較低。
【附圖說明】
[0016]下面根據實施例和附圖對本發明專利作進一步詳細說明；
圖1是本發明專利的跟蹤裝置側視圖；
圖2是安裝有手動液壓調節型調節裝置的跟蹤裝置側視圖；
圖3是膨脹罐與液壓缸一體化的跟蹤