張 寶 鄭琍莉

上海驕英能源科技有限公司上海

1 引言

近年來，太陽能光熱技術的發(fā)展有了很大的進步，特別是在太陽能光熱發(fā)電方面的發(fā)展已取得了很大的成果，國內和國外已經實施和完成了諸多太陽能光熱發(fā)電項目，且效果顯著。但是，如何將太陽能光熱利用率最大化，目前仍是世界各國研究的重要課題。

太陽光跟蹤控制技術可以有效的提高太陽能的轉換效率，是太陽能光熱效率提高的重要手段之一。本文主要從基于配方功能的太陽能光熱跟蹤控制技術進行研究。

2 目前的主要跟蹤控制方式

2.1 光強比較方式

這個方法主要是依靠光敏元件隨光照強度變化，其阻值響應跟著變化的原理做成的感光元件，其特點是可以根據(jù)太陽光照強度的變化，自動調整光能組件的位置，但是其跟蹤方式是被動的，并且受天氣等自然環(huán)境影響較大，一般主要用于光伏項目中。

2.2 視日運行軌跡同步方式

為了最大限度的從太陽獲取能量，處理需從材料的選擇上考慮外，太陽的方位角和高度角的選擇也是考慮的因素。其計算精度高，并且具有很好的適應性，可以根據(jù)當?shù)氐慕浘暥扔嬎愠霎數(shù)氐奶栠\行軌跡，并最終推算出實際的角度，以實現(xiàn)精確控制。大多數(shù)太陽能光熱系統(tǒng)均采用此種跟蹤控制技術，特別是在線性菲涅爾太陽能光熱跟蹤控制系統(tǒng)中應用最為廣泛。但是其數(shù)據(jù)計算的復雜性，導致一般的控制器很難實現(xiàn)，如采用可以處理復雜計算的控制器，其控制系統(tǒng)的成本將大大提高，為了解決這一問題，引入了配方功能。

3 基于配方功能的線性菲涅爾太陽能光熱跟蹤控制系統(tǒng)分析

3.1 數(shù)據(jù)處理功能分析

線性菲涅爾太陽能光熱跟蹤控制模式是由多個排列于同一水平面的平面反射鏡場組成，可以跟蹤太陽運行軌跡并將太陽光線始終反射到一固定的長目標接收器上。若要實現(xiàn)精確跟蹤，其對控制器的數(shù)據(jù)處理要求較高。目前使用較多的控制器一般為單片機和可編程控制器等幾種。（下面的分析以可編程控制器為例）

(1)不使用配方功能：采用可編程控制器，計算實時跟蹤數(shù)據(jù)，需要根據(jù)當?shù)氐慕浘暥群蜁r間來推算一天的太陽運行軌跡，計算過程比較復雜，計算量較大。計算過程有一組數(shù)據(jù)存在問題，其計算結果將導致設備偏離其預期的運行軌跡，甚至導致設備損壞。如圖1所示：

(2)采用配方功能：計算過程全部通過計算機進行處理，并將計算后的數(shù)據(jù)通過配方功能來實現(xiàn)，將大大簡化控制程序的復雜度和提高控制精度，采用配方功能后的程序，詳見圖2：

3.2 控制精度分析（以可編程控制器為例）

(1)不使用配方功能：由于在計算太陽高度角和方位角時，會用到大量的三角函數(shù)，而可編程控制器只能識別弧度，又必須將角度轉化成弧度，在這個計算過程中，存在一定的計算誤差，并且，可編程控制器在處理復雜數(shù)據(jù)計算時，對其運行速度存在一定的影響，直接導致其控制輸出會比實際滯后，具體影響見圖3：

(2)采用配方功能后，上述需要計算的數(shù)據(jù)預先通過計算機相關軟件精確的計算出來（試驗時保留到小數(shù)點后5位），然后通過配方功能讀取數(shù)據(jù)，直接使用，既節(jié)省了可編程控制器的處理復雜數(shù)據(jù)的時間，又提高了控制精度，具體影響見圖4：

圖1 未采用配方功能的編程實例圖

圖2 采用配方功能的編程實例圖

圖3 未采用配方功能的跟蹤效果

圖4 采用配方功能的跟蹤效果

4 基于配方功能的控制系統(tǒng)組成

4.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由HMI（觸摸屏）、PLC（可編程控制器）、驅動設備和執(zhí)行機構組成。主要是從成本、可行性及控制精度等幾個方面考慮選擇此方案的。

圖5 基于配方功能的系統(tǒng)組成

◆HMI（觸摸屏）：用來配置配方和校對時鐘及實時監(jiān)控運行狀態(tài)；

◆PLC（可編程控制器）：用來編制控制邏輯和執(zhí)行配方下發(fā)的數(shù)據(jù)的處理及轉換為機器可識別的信號；

◆驅動設備：解讀PLC發(fā)送的脈沖信號，并將此信號放大，發(fā)送給執(zhí)行機構；

◆執(zhí)行機構：執(zhí)行驅動設備發(fā)出的信號，帶動鏡陣轉動。

具體組成見圖5：

4.2 工作原理

采用Matlab編程軟件，利用光線追跡算法，對聚光場的聚光過程進行建模，在計算建模時，將太陽形狀、遮擋陰影及余弦損失等的影響全部考慮進去了，計算出了線性菲涅爾聚光器聚焦平面聚焦光斑能流密度分布的全年數(shù)據(jù)。并將這些經過仿真驗證過的數(shù)據(jù)，以配方的形式，輸入到觸摸屏或上位機中，并根據(jù)北京時間計算出真太陽時，將數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC（可編程控制器），PLC（可編程控制器）根據(jù)真太陽時及Matlab編程軟件計算所得數(shù)據(jù)，控制鏡場主動追蹤太陽，將光線實時反射到集熱器上。

4.3 系統(tǒng)設計

(1)硬件設計

如圖6所示，本系統(tǒng)采用Smart700 HMI和s7-200PLC作為控制系統(tǒng)的主控制設備。通過HMI配方功能編制配方數(shù)據(jù)，并根據(jù)時間將每天的數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，還通過HMI制作實時運行的反饋信號監(jiān)控畫面，來監(jiān)控設備的運行狀態(tài)；PLC將HMI發(fā)送過來的數(shù)據(jù)存儲在V寄存器內，并根據(jù)真太陽時計算公式，將北京時間轉換成真太陽時，再根據(jù)真太陽時來讀取存放在V寄存器內的數(shù)據(jù)，將V寄存器內的數(shù)據(jù)轉化成脈沖數(shù)發(fā)給驅動設備，具體轉化公式如下：

脈沖數(shù)=位移量×細分數(shù)×360°/（步距角×減速比/絲杠螺距）

驅動設備（本系統(tǒng)的驅動設備采用的是步進驅動器HST884系列）將根據(jù)PLC發(fā)送的脈沖信號進行轉化放大，控制執(zhí)行機構（57系列步進電機）轉動；再通過傳動裝置將直線位移轉化為旋轉角位移，控制鏡陣聚光。

圖6 基于配方功能的硬件組成

(2)控制流程

根據(jù)所在地區(qū)的太陽升起和落下的時間，設定跟蹤系統(tǒng)的自動運行和停止時間。系統(tǒng)啟動時，先進行復位（定初始位置：零位），同時通過HMI向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)（有手動和自動兩種方式），復位完成后，并且PLC接收完一天運行所需的全部數(shù)據(jù)后，啟動自動跟蹤；自動跟蹤時，會根據(jù)系統(tǒng)的開啟時間來判斷第一步的起始位置，然后會從這個起始位置開始跟蹤，接下來會每兩分鐘主動跟蹤一次，確保太陽光聚焦在集熱槽內，具體運行情況見圖4。當?shù)竭_系統(tǒng)運行設置的停止時間時，系統(tǒng)完成一天的跟蹤，并進行復位，為第二天運行做準備。具體流程見圖7。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

5 結語

太陽光自動跟蹤控制系統(tǒng)是太陽能光熱系統(tǒng)的控制核心，控制系統(tǒng)的精度直接影響太陽能光熱系統(tǒng)的效率，特別是線性菲尼爾太陽能光熱系統(tǒng)。

采用上述基于配方功能的控制策略可以有效的提高線性菲涅爾太陽能光熱系統(tǒng)的跟蹤精度和熱效率，為太陽能光熱系統(tǒng)的推廣和發(fā)展起到了很好的促進作用，具有廣闊的應用市場。

致謝：本研究得到國家工信廳2016年“綠色制造系統(tǒng)集成”項目、海南省重大科技計劃項目（ZDKJ2016010）的資金資助。

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