皇明太陽(yáng)能股份有限公司技術(shù)研發(fā)中心 ■ 趙彥堂 劉培先 崔正軍 肖成珍 林超 張繼磊

一 引言

隨著人類素質(zhì)不斷的自我發(fā)展，人們對(duì)于能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的認(rèn)識(shí)日益清晰，不斷通過(guò)各種途徑尋找能源替代的途徑。而太陽(yáng)能作為一種最為清潔、豐富的能源，現(xiàn)階段已經(jīng)成為新能源研發(fā)的突破點(diǎn)。聚光類太陽(yáng)能熱發(fā)電在太陽(yáng)能利用的研發(fā)中占有重要的一席之地。該系統(tǒng)通過(guò)聚焦太陽(yáng)光匯聚熱量，經(jīng)換熱系統(tǒng)將熱量導(dǎo)出后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。聚光類太陽(yáng)能熱發(fā)電的形式種類繁多，因?yàn)榧夹g(shù)成熟，可操作性強(qiáng)，槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電在太陽(yáng)能熱發(fā)電行業(yè)中脫穎而出，逐漸受到國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)能公司的青睞，但因其太陽(yáng)利用率低阻礙了大規(guī)模推廣和商業(yè)化應(yīng)用的道路。如何最大限度地提高太陽(yáng)利用率成為了研究的關(guān)鍵，而追日跟蹤系統(tǒng)則是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵所在。提高追日跟蹤系統(tǒng)的精度可極大地提高槽式反射鏡場(chǎng)的聚光效率，進(jìn)而提高槽式聚光集熱器的太陽(yáng)利用率[1]。

本文提出的基于PLC的槽式太陽(yáng)能聚光集熱器跟蹤系統(tǒng)結(jié)合天文學(xué)公式(太陽(yáng)位置公式)與高精度傾角傳感器控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)槽式聚光集熱器自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。該系統(tǒng)具有跟蹤精度高、控制方便等特點(diǎn)，為槽式太陽(yáng)能熱利用提供了有力的技術(shù)支持，提高了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

二 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 電氣控制系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用的PLC，內(nèi)置模擬輸入輸出模塊，可直接接收模擬量信號(hào)，通信功能通過(guò)RS458完成本地控制器到遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)的監(jiān)控通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。為了操作人員監(jiān)控及操作方便，本系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控和及時(shí)處理系統(tǒng)異常。本系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)為監(jiān)控機(jī)，PLC為下位機(jī)。系統(tǒng)具有傾角傳感器現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)比對(duì)、定日跟蹤、手/自動(dòng)切換、系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)控制等功能。傾角傳感器采用模擬量給定方式，PLC直接對(duì)模擬量進(jìn)行MD轉(zhuǎn)化并運(yùn)算；數(shù)據(jù)比對(duì)通過(guò)設(shè)定在PLC程序中的天文學(xué)公式(太陽(yáng)位置公式)進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算此時(shí)太陽(yáng)的高度角、方位角，再由太陽(yáng)位置與槽式集熱器的物理位置根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算此時(shí)槽式集熱器的理論傾角值，將結(jié)果與PLC采集的傾角傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值大小比較；將定日跟蹤根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比后的結(jié)果輸出數(shù)字信號(hào)控制電磁閥的開閉來(lái)控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)槽式聚光集熱器跟日轉(zhuǎn)動(dòng)；手/自動(dòng)切換、系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)控制是通過(guò)設(shè)定在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)內(nèi)的外部變量與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互完成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的工作過(guò)程為：上電、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)對(duì)比、液壓缸電機(jī)啟動(dòng)、電磁閥1、3開/閉(電磁閥2、4閉/開)、液壓缸左右臂伸/縮、集熱器跟日轉(zhuǎn)動(dòng)。本系統(tǒng)通過(guò)控制電磁閥的開閉來(lái)控制液壓缸的伸縮，以此控制槽式聚光集熱器的正反轉(zhuǎn)跟日轉(zhuǎn)動(dòng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)手/動(dòng)按鈕可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)或者自動(dòng)控制。當(dāng)手/自動(dòng)按鈕切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)，此時(shí)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕不起作用；當(dāng)切換到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕可控制系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)。遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)RS485與PLC通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)的操作界面如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)的操作界面

遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)可操控槽式集熱器的啟動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)，原點(diǎn)返回，還可通過(guò)相對(duì)轉(zhuǎn)角差及相對(duì)轉(zhuǎn)角的數(shù)值輸入對(duì)槽式集熱器的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)試及修正，方便了槽式集熱器初始安裝時(shí)的程序調(diào)試及運(yùn)行后的數(shù)據(jù)修正。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了保證跟蹤系統(tǒng)定日跟蹤的精度，跟蹤系統(tǒng)采用天文學(xué)公式(太陽(yáng)位置公式)與傾角傳感器相結(jié)合的控制方式。而計(jì)算太陽(yáng)位置天文公式的精度是精度控制的關(guān)鍵精度因素之一。常用的太陽(yáng)位置計(jì)算公式有：Cooper、Spencer、Walraven、Michalsky、Meeus以及我國(guó)氣象科學(xué)院王柄忠研究員所提出的計(jì)算方法，本文選用的是王柄忠的計(jì)算方法[2]。

太陽(yáng)高度角(h⊙)的計(jì)算公式為：

式中：δ為太陽(yáng)赤緯角 ；ˉ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋沪訛楫?dāng)時(shí)的太陽(yáng)時(shí)角。

太陽(yáng)方位角A的計(jì)算公式為

式中： h ⊙為太陽(yáng)高度；δ為太陽(yáng)赤緯角 ；ˉ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥取．?dāng)cosA≤0 時(shí)，90?≤A ≤180?；當(dāng)cos A ≥0 時(shí)，0 ≤A ≤90?。

傾角傳感器采用高精度系列傳感器。系統(tǒng)工作時(shí)，傾角傳感器完成對(duì)槽式聚光集熱器當(dāng)前位置的檢測(cè)，由本地控制器采集并與控制系統(tǒng)的計(jì)算參數(shù)相比較，以進(jìn)行位置確定。

為了追日跟蹤系統(tǒng)的操作方便及跟蹤過(guò)程中的安全可靠，PLC追日跟蹤系統(tǒng)的程序分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式在系統(tǒng)初次調(diào)試及控制系統(tǒng)檢修時(shí)使用，通過(guò)手動(dòng)控制調(diào)整槽式聚光集熱器至合理位置方便系統(tǒng)初始調(diào)試及系統(tǒng)檢修。自動(dòng)模式可實(shí)現(xiàn)槽式聚光集熱器追日跟蹤過(guò)程的自動(dòng)化。本文設(shè)計(jì)的PLC控制的主程序包括自動(dòng)程序和手動(dòng)程序，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

在自動(dòng)模式下，首先由PLC根據(jù)太陽(yáng)位置的天文學(xué)公式計(jì)算出此時(shí)槽式聚光集熱器應(yīng)處的位置(角度值)，同時(shí)通過(guò)傾角傳感器采集槽式聚光集熱器此時(shí)的實(shí)際所處位置(角度值)，根據(jù)兩者的差值與設(shè)定值比對(duì)的結(jié)果決定聚光集熱器的正反轉(zhuǎn)，使其跟日轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)兩者差值小于設(shè)定值時(shí)，槽式集熱器停止轉(zhuǎn)動(dòng)。由此完成控制系統(tǒng)對(duì)槽式集熱器的自動(dòng)定日跟蹤。

在手動(dòng)模式下，可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)槽式聚光集熱器的正反轉(zhuǎn)，達(dá)到所需位置。

3 控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果及測(cè)試數(shù)據(jù)分析

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能槽式集熱器跟蹤系統(tǒng)安裝于德州太陽(yáng)谷，從安裝至今系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 主程序結(jié)構(gòu)圖

圖4 槽式集熱器跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)物圖

為了得到跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際精度及其穩(wěn)定性的依據(jù)，分別在2011年12月和2012年3月選取晴朗天氣對(duì)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了多次測(cè)量。用鋁板代替真空管安裝在槽式集熱器的焦線處，根據(jù)照射在鋁板上光斑的偏移量來(lái)計(jì)算跟蹤系統(tǒng)的精度。光斑測(cè)試如圖5所示。

圖5 光斑測(cè)試

根據(jù)幾何關(guān)系，跟蹤系統(tǒng)精度采用式(3)計(jì)算：

其中：α為跟蹤系統(tǒng)精度(集熱器偏移角度)；d為光斑偏移量(光斑中心線到鋁板中心線的距離)；D為集熱器旋轉(zhuǎn)軸到鋁板中心線的距離。

測(cè)試數(shù)據(jù)為測(cè)試當(dāng)日上午或者下午的平均精度，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 槽式集熱器跟蹤系統(tǒng)測(cè)試

由表1可以得出系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，光斑的偏移量d始終保持在0.89～2.98mm范圍內(nèi)，跟蹤系統(tǒng)精度α始終維持在0.05?～0.1?。國(guó)內(nèi)槽式集熱器的跟蹤精度為0.1?，由此可見本文設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)精度達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，且穩(wěn)定性良好，在同等產(chǎn)品中有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

三 結(jié)論

本文針對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光集熱器跟蹤系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且經(jīng)過(guò)槽式集熱器的光斑測(cè)試，得出集熱器跟蹤精度≤0.1?，達(dá)到了聚光集熱器追日跟蹤過(guò)程中高精度、良好穩(wěn)定性的控制要求，并且跟蹤過(guò)程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，方便操作，為槽式太陽(yáng)能熱利用提供了有力的技術(shù)支持，提高了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]張順心, 宋開峰, 范順成. 基于并聯(lián)球面機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)跟蹤裝置研究[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 32(6): 44－47.

[2]王炳忠. 第一講太陽(yáng)能中天文參數(shù)的計(jì)算[J]. 太陽(yáng)能, 1999,(2):1－6.