利用地下浅层土壤温度跟踪太阳赤纬角的装置及调节方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能利用技术。
【背景技术】
[0002]在地球某一点处的太阳直射入射光线随时在变化着，为了尽可能多地利用太阳直射辐射能，太阳能利用装置要求配备能够跟踪太阳位置的装置，多数太阳能跟踪装置以电驱动装置为主，这类装置跟踪精度高，但跟踪过程中耗能，运行和维护成本高，本发明实现了利用地下浅层土壤温度的规律性变化跟踪太阳赤玮角的变化，该跟踪装置不耗能、成本低、易维护，具有很高的应用前景和市场价值。
[0003]关于利用地下浅层土壤温度跟踪太阳赤玮角的装置及调节方法的文献还未找到。有一项技术成为与本专利技术较为类似的最新技术。该项技术是已公开的“利用温度变化自动跟踪太阳能的方法”的发明专利技术，其专利申请号为201110286643.3，该技术以环境温度的日变化规律来跟踪太阳高度角的变化，利用早晨光照补偿来减小吸热迟滞，以提高跟踪精度。该项技术明显存在着以下问题:1、太阳高度角从日出到日落都是在时刻变化着的，从日出时的只有几度到正午时分的七八十度随玮度的增高而降低，再到日落时又回到几度的高度角，变化幅度大，变化速度快，并且随着季节的不同而不同，因此对太阳高度角的跟踪要求响应速度快，而膨胀罐内流体的温度变化由于受传热热阻及装置本身的热惯性的影响和限制，温度变化速率较慢，由膨胀罐内流体温度变化驱动的踊跃装置难于及时跟踪太阳能高度角的变化速率，造成较大的跟踪误差。
[0004]2、太阳高度角与环境温度的变化一致性差。环境温度的变化存在短周期性在一天内、中期周期性在两个强对流天气变化期间，长周期性一年内，在短周期内，环境温度与太阳高度角的变化规律也存在时间上和变化特征上的差异；在中周期内，每次强降温天气过后，即使是在相近的几天内，环境温度将随着天气晴好而迅速上升，前后几天内的环境温度变化较大，而太阳高度角的变化规律基本不变；在长周期内，夏季平均气温很高，而冬季平均气温很低，夏季早晚的环境温度较冬季中午的温度还高，但夏季早晚的太阳高度角比冬季中午的太阳高度角低很多，因此太阳高度角与环境温度的变化一致性差，利用环境温度跟踪太阳赤玮角的精度就会较低。
[0005]3、天气因素对该技术跟踪精度的影响大，在晴朗且无风的天气条件下，环境温度与太阳高度角存在一定的相关性，该技术尚可跟踪，但在大风、雾天、或多云天气条件下，环境温度与太阳高度角的相关关系减弱，此时利用环境温度跟踪太阳高度角就变得不可能。
[0006]4、跟踪目标角度与所使用的环境温度之间存在时间迟滞效应，光照补偿法在解决上升段问题的同时，增加了下降段的跟踪误差，同时在天气较差的条件下，本方法不能使用。在天气晴朗且无风的条件下，环境温度随太阳高度角的升高而上升，随太阳高度角的降低而下降，但并非同步变化，而是有一个相位差，也即时间迟滞，通过环境温度跟踪太阳高度角需要解决时间迟滞问题，而通过光照补偿法解决时间迟滞问题时，太阳高度角上升段通过光照加快了膨胀罐内的温升速率，解决了一部分上升段的时间迟滞问题，但在太阳高度角下降段由于光照的存在，反而使膨胀罐内的温降速率减慢，使问题更严重，跟踪误差加大。如果在有云层遮挡或太阳直射较弱时，本方法不能发挥应有的作用。
[0007]5、太阳高度角与日环境温度之间每天都存在时间迟滞效应，因此通过环境温度跟踪太阳高度角时必须每天都进行温度补偿调节器节，调节频次高，如果手动调节则需要专人负责，费时费力且成本高；如果光照调节，则很难上升段与下降段兼顾，因此这种跟踪装置精确跟踪成本高，非精确跟踪则误差大。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是利用地下浅层土壤温度的变化规律驱动装置跟踪太阳赤玮角的位置变化，提高跟踪精度，降低跟踪成本。
[0009]本发明是利用地下浅层土壤温度跟踪太阳赤玮角的装置及调节方法，利用地下浅层土壤温度跟踪太阳赤玮角的装置南北向放置，设有北支撑杆3和南支撑杆12，在南支撑杆12或者北支撑杆3上串接有伸缩式液压缸6及其活塞杆11，液压缸6的内腔与埋在地下浅层土壤10中的热膨胀罐8的内腔联通，在液压缸6和热膨胀罐8的内腔中充满有热膨胀流体介质9，在由太阳能接收器I下面的托架18、北支撑杆3、南支撑杆12和基座13所组成的多边形结构中，至少有三个旋转活动节点，本装置设有干预式温度补偿调节装置16，或者设有自动温度补偿调节装置19，干预式温度补偿调节装置16设在北支撑杆3上，或者在南支撑杆12上，或者在托架18上，或者在液压缸6上，或者在导压软管7上，或者在热膨胀罐8上，自动温度补偿调节装置19设在北支撑杆3上，或者在南支撑杆12上。
[0010]利用地下浅层土壤温度跟踪太阳赤玮角的装置的调节方法，所述的干预式温度补偿调节装置16，其调节方法为:在每年的6月I日之8月31之间，通过干预式温度补偿调节装置16分I?5次逐次缩短南支撑杆12或者伸长北支撑杆3，以便调大太阳能接收器I的倾角，总共调大5?20度；在每年的12月I日之2月28之间，通过干预式温度补偿调节装置16分I?5次逐次加长南支撑杆12，或者缩短北支撑杆3，调小太阳能接收器I的倾角，总共调小5?20度。
[0011]本发明的有益效果为:
1、本发明专利不再跟踪太阳高度角转而跟踪太阳赤玮角，太阳赤玮角以一年为周期，从冬至的南回归线到夏至的北回归线，再到南回归线，年总计变化幅度为47度，每24小时变化0.26度，因此跟踪太阳赤玮角的装置在某一天中几乎可以一动不动，其跟踪误差也小于0.26度，因此太阳赤玮角跟踪装置所要求的响应速度慢，适合以膨胀罐内液体的温度变化进行跟踪，并且跟踪精度高。
[0012]2、太阳赤玮角与地下浅层土壤温度的变化一致性好。首先，地下浅层土壤温度在一年中随太阳赤玮角的变化作有规律的变动，在北半球，当太阳能赤玮角升高时北正南负，地下浅层土壤温度也随之上升，当太阳能赤玮角降低时，地下浅层土壤温度也随之下降；其次，地下浅层土壤温度每天的变化幅度很小，这点变化特性与太阳赤玮角的变化特性非常一致；因此，太阳赤玮角与地下浅层土壤温度的变化一致性好，利用地下浅层土壤温度跟踪太阳赤玮角精度高。
[0013]3、天气变化对本装置跟踪精度的影响小。由于土壤的导热系数小及大地巨大的热惯性的存在，像刮风、下雨、降温等短期强对流天气对地下浅层土壤温度的影响很小，因此即使在这种恶劣的天气条件下，本装置也能很好地跟踪太阳赤玮角。
[0014]4、本发明采用的干预式温度补偿调节装置或者自动温度补偿调节装置都较好地解决了跟踪目标角度与所使用温度之间存在的时间迟滞效应。本发明在北支撑杆、或者是南支撑杆、或者是液压缸、或者是导压软管、或者是热膨胀罐上设有干预式温度补偿调节装置，在每年夏至前后调大太阳能接收器的倾角，在冬至前后调小太阳能接收器的倾角的方式解决了跟踪目标角度与所使用温度之间存在的时间迟滞效应，因为调节次数少，手动调节，调节方便，采用上升段前后和下降段前后两头调节，因此能同时在太阳赤玮角的上升段和下降段调整时滞效应，使得全年跟踪精度都较高；另一方面，本发明在北支撑杆、或者是南支撑杆上安装的凸轮式自动温度补偿调节装置，可以根据装置应用地区太阳赤玮角与地下浅层土壤温度变化规律之间的不一致性，特别加工出凸轮的外形形状，一次性解决太阳赤玮角与地下浅层土壤温度变化曲线之间存在的时间迟滞效应，全自动运行，尽管前期加工成本稍高，但跟踪精度高，不需人工干预调节，方便高效。两种温度补偿调节装置各有优点，都能较好地解决跟踪目标角度与所使用温度之间存在的时间迟滞效应。
[0015]5、太阳赤玮角与地下浅层土壤温度之间的时间迟滞效应每年只有一次，对于干预式温度补偿调节装置，只需在夏至和冬至前后各调节I?5次即可，因时间迟滞效应所引起的调节次数少，调节后跟踪精度高如果在夏至和冬至前后各调节4次，年跟踪最大误差可减小到2度，在部分装置中手动调节即可满足要求，因此跟踪装置成本低；对于自动温度补偿调节装置，因无需人工调整，省时省力，因此总跟踪成本也较低。
【附图说明】
[0016]下面根据实施例和附图对本发明专利作进一步详细说明；
图1是本发明专利的跟踪装置侧视图；
图2是安装有手动液压调节型调节装置的跟踪装置侧视图；
图3是膨胀罐与液压缸一体化的跟踪装