朱國棟,王成龍,馬 軍,張 娜

(蘭州交通大學(xué)國家綠色鍍膜技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,蘭州 730070)

由于化石燃料的大量使用,人類自身居住的生態(tài)環(huán)境遭受了嚴(yán)重的污染和破壞[1]。因此人們對新能源的開發(fā)利用越來越重視,從低碳、環(huán)保、綠色的角度綜合考慮,太陽能具有無可爭議的優(yōu)勢,世界各國正把太陽能的開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展方向[2-5]。

在太陽能發(fā)電過程中對于如何提高太陽能的利用率是研究的主要難題之一[6]。提高太陽跟蹤系統(tǒng)精度是提高太陽能利用率的有效方法[7]。由于單軸跟蹤結(jié)構(gòu)存在著跟蹤精度不高,誤差累積的問題對收集太陽能的效果并不理想。所以采用雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)自動化程度高,能夠最大效率的利用太陽能輻射量[8-9]?；诠饪嘏c程控的雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)使用太陽能跟蹤系統(tǒng)能夠保持太陽光線實時垂直照射太陽能接收器,這樣能夠大大的提高太陽能利用率[10]。理論分析采用雙軸跟蹤系統(tǒng)的比不采用跟蹤系統(tǒng)的可以提高37.7%的能量接收率[11-13]。太陽能的跟蹤效果嚴(yán)重影響著太陽能的利用率。然而,針對太陽跟蹤技術(shù)的應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究,Salah Abdallah等學(xué)者對太陽能發(fā)電采用雙軸太陽自動跟蹤,發(fā)電效率比固定式發(fā)電效率提高很多。Al-Soud M S等學(xué)者對太陽灶的自動跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與應(yīng)用,其效果可以使集熱器達(dá)到600 ℃以上[14]。那么基于現(xiàn)有太陽能發(fā)電站中其跟蹤裝置通常采用開環(huán)控制方式,單軸太陽能自動跟蹤裝置以及步進(jìn)式太陽能自動跟裝置,普遍存在跟蹤精度低、成本高、累積誤差大等缺點[15-16]。

本文提出了一種高精度太陽跟蹤控制裝置以及對其硬件傳感器設(shè)計、工作原理和控制策略的介紹。跟蹤裝置基于傳統(tǒng)雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)的光電式太陽跟蹤模式和視日軌跡跟蹤模式相互結(jié)合,兩種控制模式并存。根據(jù)環(huán)境狀況,在晴朗天氣、太陽輻照度較強(qiáng)時,采用光電式傳感器跟蹤模式;在陰雨天氣、太陽光線較弱時,自動切換為視日軌跡跟蹤模式。兩種控制模式相互配合,彌補(bǔ)不足。然而重要的是本設(shè)計將已有的光電式太陽跟蹤器進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)上的設(shè)計,采用錐狀筒體的接收器本體大口端朝向太陽,可避免筒體的邊沿在光電池上產(chǎn)生陰影并影響輸出;在十字交叉遮光板頂端加上十字交叉隔板與之對應(yīng),這樣的十字交叉遮光板增大了陽光傾斜照射時對應(yīng)在光電池上的面積差,有效地增大了光電池輸出的模擬量。因此在功能上減少了系統(tǒng)本身帶來的積累誤差、改善了跟蹤器接收信號的靈敏度、提高了系統(tǒng)控制精度。從而提高系統(tǒng)的跟蹤精度且能夠?qū)崿F(xiàn)全天候自動跟蹤,有效地提高了太陽能的利用率。

1 太陽能跟蹤系統(tǒng)工作原理

1.1 太陽能跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

太陽能跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用樹形階梯式的控制方式,由工控機(jī)IPC(Industrial Personal Computer)和可編程控制器PLC(Programmable Logic Controller)構(gòu)成。可編程控制器PLC分主PLC和子PLC,用以實現(xiàn)樹形階梯式控制,太陽能跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其相互之間通過以太網(wǎng)或者無線WIFI連接,①工控機(jī)IPC連接多組主PLC;②每組主PLC連接多組子PLC;③每組子PLC控制連接驅(qū)動兩臺驅(qū)動電機(jī)的定日鏡[17];④采用放大譯碼器精確控制每臺驅(qū)動電機(jī)。

圖1 太陽能跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用高度角-方位角式的雙軸跟蹤。實驗中系統(tǒng)主PLC-中央控制器一般選型為歐姆龍(CJ2H-CPU64-EIP);與子PLC選型為歐姆龍(CP1L-60D);子PLC連接的調(diào)節(jié)方位角的24 V直流電機(jī)及傳動比為1∶35 000的蝸輪蝸桿和調(diào)節(jié)高度角的24 V直流電機(jī)傳動比為1∶35 000的蝸輪蝸桿;LED顯示器;光電式跟蹤接收器及視日運動軌跡跟蹤控制模塊等。經(jīng)過傳感器采集到的光的數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)貢r間、地理位置等信號,通過一些功能模塊的轉(zhuǎn)換后送入PLC中央控制器并經(jīng)過處理計算得到太陽位置的偏差,進(jìn)而發(fā)出命令驅(qū)動電機(jī)并對太陽進(jìn)行跟蹤。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)模型

光電傳感器作為光控重要的核心部件,它能夠達(dá)到的精確度會直接影響整個系統(tǒng)的跟蹤精度。而系統(tǒng)的跟蹤精度也是直接影響太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵因素之一。決定傳感器性能的因素包括跟蹤精度、可感應(yīng)范圍、抗干擾能力等幾個方面[18-19]。

目前最常用的光電傳感器有以下幾種:(1)隔板式光電傳感器,其結(jié)構(gòu)是兩隔板垂直安裝于底座上,對應(yīng)隔板的兩側(cè)均安裝光敏元件。工作時,當(dāng)太陽入射光線垂直于底座入射時,此時為平衡狀態(tài)即傳感器沒有動作;當(dāng)入射光線與隔板呈一定夾角時,兩側(cè)光敏元件由于光照強(qiáng)度不同,會輸出一定的電信號差,并對此信號放大進(jìn)而控制裝置調(diào)整跟蹤位置。該光電傳感器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便,但是其傳感精度不高,運行穩(wěn)定性較低。(2)金字塔式光電傳感器,在金字塔式裝置的4個側(cè)面位置上均安裝光敏元件。工作時,當(dāng)裝置4個側(cè)面的光照強(qiáng)度相同時,即太陽光垂直于金字塔式裝置的底座,此時為平衡狀態(tài)即傳感器沒有動作;當(dāng)裝置4個側(cè)面上的光照強(qiáng)度不同時,則相對的兩個側(cè)面位置上的光敏元件就會輸出一定的電信號差,并對此信號放大進(jìn)而控制裝置調(diào)整跟蹤位置。金字塔式光電傳感器結(jié)構(gòu)簡單、造價低,但它容易受外界光源或其他物體散射光的影響,運行穩(wěn)定性不高[20]。

本文結(jié)合以上兩種方式采用錐型筒狀的接收器具有結(jié)構(gòu)簡單、跟蹤穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點。當(dāng)光電池的轉(zhuǎn)換精確時,可以完成很高精度的跟蹤控制,并可以通過這種方式依據(jù)光電池輸出量來求出太陽的具體位置,達(dá)到快速、準(zhǔn)確的跟蹤效果。此外錐筒結(jié)構(gòu)的透光擋板采用自凈材料,可以保證透光要求,筒體的設(shè)計會解決了外界光源或其他物體散射光的影響,降溫裝置可以減少溫度對光電池影響,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,保證系統(tǒng)的跟蹤精度。

本文提出的傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示,在十字擋板中心有光敏元件用來檢測日照強(qiáng)度來選擇器對應(yīng)的跟蹤模式。跟蹤傳感器裝置上的4組光電池,其中兩組東西方向上對稱、另兩組南北方向上對稱。當(dāng)太陽垂直照射在光電池上時則系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)太陽非垂直即有一定的偏離照射時通過十字交叉遮光板和十字交叉隔板的作用影響陽光其在光電池上的投影面積即影響光電池所產(chǎn)生的電位信號,從而影響系統(tǒng)的跟蹤精度。

1.十字交叉隔板;2.十字交叉遮光板;3.透光擋板;4.殼體;5.風(fēng)扇;6.進(jìn)氣口;7.出氣口;8.光電池;9.筒體;10.降溫裝置;11.接收器圖2 光電跟蹤傳感器裝置模型

降溫裝置上的風(fēng)扇設(shè)置在殼體中部,風(fēng)扇的上方對應(yīng)4組光電池。外部氣流由進(jìn)氣口進(jìn)入腔體并推動扇葉旋轉(zhuǎn),風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時可起到對光電池的散熱作用,減少溫度對其影響、增加信號的精確性。由于殼體內(nèi)只存在扇葉且扇葉并沒有直接與跟蹤器連接所以不會由于產(chǎn)生振動而影響跟蹤的精確度。采用進(jìn)氣口位于風(fēng)扇葉片上方,出氣口位于風(fēng)扇葉片下方的方式,利于氣流循環(huán),增加散熱效果。

加設(shè)的透光擋板采用自凈材料的透光玻璃板。自凈透光玻璃板的外表面設(shè)有無機(jī)納米硅涂層或是二氧化鈦自清潔涂層,可以使其表面污染物或灰塵顆粒在重力、雨水、風(fēng)力等外力作用下或是通過光催化降解而除去,從而降低外界因素帶來的干擾,提高系統(tǒng)的跟蹤精度。

本文是依據(jù)平面正交陣列布置方式經(jīng)過研究改進(jìn)的方案:采用錐狀筒體的接收器本體大口端朝向太陽,可避免筒體的邊沿在光電池上產(chǎn)生陰影;在十字交叉遮光板頂端加上十字交叉隔板與之對應(yīng)、且十字交叉遮光板的板臂水平寬度大于十字交叉隔板的板臂水平寬度,這樣的十字交叉遮光板增大了陽光傾斜照射時對應(yīng)在光電池上的面積差,同樣增大了光電池輸出的模擬量。當(dāng)太陽偏轉(zhuǎn)很小角度時跟蹤傳感器會有一定的模擬量輸出,進(jìn)而跟蹤裝置就會有相應(yīng)的動作并能夠?qū)崟r的跟蹤太陽,進(jìn)一步的提高跟蹤裝置的跟蹤精度。此模擬量作為太陽跟蹤裝置的偏轉(zhuǎn)信號,并實時反饋給跟蹤裝置太陽的位置信息,太陽能跟蹤控制器根據(jù)接收到反饋的太陽位置信息經(jīng)過處理并實時控制太陽跟蹤裝置工作。實驗數(shù)據(jù)表明當(dāng)太陽偏轉(zhuǎn)±0.5°時隔板式跟蹤傳感器輸出0.3 mA電流,而對于改進(jìn)后的跟蹤傳感器,當(dāng)太陽偏轉(zhuǎn)±0.1°則就會有0.3 mA的電流輸出。通過數(shù)據(jù)的比較可以看出本文中對跟蹤傳感器的設(shè)計改進(jìn)可改善跟蹤器接收信號的靈敏度、系統(tǒng)控制精度。而傳感器光電池的輸出量與其表面接受的光照能量成正比,當(dāng)其中一個為常量時,則光電池輸出量與另一個變量成為線性關(guān)系,而且受光照面積越大,短路電流也越大[21]。光生電動勢和光電流與光照強(qiáng)度關(guān)系如圖3所示。

圖3 光生電動勢和光電流與光照強(qiáng)度關(guān)系

圖4 四象限光電池光照分布圖

1.3 光電傳感器精度計算

當(dāng)光照強(qiáng)度在短時間內(nèi)看作一定值時,通過控制光電池光照面積來得到不同的輸出量。四象限光電池光照分布如圖4所示,四象限光電池分為X軸和Y軸兩個方向。當(dāng)光線偏離后,光電池就會相應(yīng)產(chǎn)生電流差,并通過計算可以得到太陽的實際偏差和入射角[22]。當(dāng)光電池接受光照的光斑沿著X軸向左偏離了ΔX,則光斑被Y軸所分的面積差為ΔS。光電池上的光斑半徑為R,光電池半徑為R,總面積為S,4個象限光電池上對應(yīng)產(chǎn)生的輸出量的值為I1、I2、I3、I4,輸出量的值之和為I。假設(shè)ΔX很小,則通過近似計算可以得到:

ΔS≈2RΔX

(1)

由于光電池材質(zhì)都一樣,則光電池輸出量與光照面積成正比,所以:

(S/2-ΔS)/S=ΔI/I

(2)

(3)

(4)

傳感器入射光線偏差如圖5所示,錐筒的高度為H,光線入射角為α,可得:

α=actan(ΔX/H)

(5)

同理,Y方向上的入射角也可以同樣求得。

(6)

圖5 傳感器入射光線偏差圖

如果光電池光照區(qū)域在X軸、Y軸方向上都有偏移量,則只須將其分解為X軸和Y軸方向上的偏差并分別計算即可求出太陽實際偏差。

傳感器精確度取決于自身結(jié)構(gòu)部分,由式(5)可知,在ΔX不變的條件下增加高度即可減小入射角α,從而提高了傳感器的精度。由于光電池的面積是一定的,則ΔX的最大值一定,如果高度H很大的話,會使得入射角α的范圍過小,而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而當(dāng)前這類傳感器的高度為80 mm～120 mm之間[23]。正因為本文提出的新型傳感器結(jié)構(gòu)同時能夠使其工作穩(wěn)定并可以達(dá)到更好的跟蹤效果以及節(jié)約成本,其中傳感器高度H=60 mm。傳感器入射光線偏差圖所示光斑中心與光電池中心之間的距離為ΔX=H×tan(0.1°)=60×tan(0.1°)=0.105 mm,可以表明其入射光最大偏差為0.105 mm,通過結(jié)果分析輸出量偏差滿足跟蹤精度要求且能夠使跟蹤精度能夠控制在±0.1°以內(nèi)。

2 太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 視日運動軌跡模型

視日運動軌跡跟蹤系統(tǒng)的控制方法基于復(fù)雜的天文數(shù)字算法[24-25]。通過復(fù)雜的天文公式計算,得出太陽相對跟蹤裝置的安放地點,并以不同的方式表示出它們位置關(guān)系。然后給出相對應(yīng)的控制信號來驅(qū)動伺服電機(jī)對太陽進(jìn)行跟蹤。

圖6 太陽運行軌跡跟蹤天體模型

太陽運行軌跡跟蹤天體模型如圖6所示,當(dāng)太陽跟蹤裝置所在的地理經(jīng)緯度確定后,給出一組此刻太陽所處的時角和赤緯角,就可以求解出觀測時刻該地點的太陽高度角δ和方位角ω的數(shù)據(jù)。其中,高度角δ=∠MOR,方位角ω=∠MOS,觀測地點的緯度γ=∠NOP(-90°≤γ≤90°),此刻太陽所處的時角為φ=∠QOT,太陽所處的赤緯角為Θ=∠TOR(-23.45°≤θ≤23.45°),n指一年中的第n天。

由Cooper提出對地球赤緯角的近似計算表達(dá)式:

(7)

根據(jù)地平坐標(biāo)和時坐標(biāo)之間的坐標(biāo)計算方法,可得太陽高度角計算表達(dá)式[26]:

sinδ=sinγsinθ+cosγcosθcosφ

(8)

sinδ=sinγsinθ+cosγcosθ

(9)

(10)

可以通過給定當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度得出太陽的高度角、方位角,最終能夠求解出日出時間和日落時間,然后通過程序控制給出相應(yīng)的信號,驅(qū)動伺服電機(jī)運作并對太陽進(jìn)行跟蹤。

圖7 跟蹤控制系統(tǒng)流程圖

2.2 PLC控制程序流程

整個太陽能跟蹤系統(tǒng)通過IPC的人機(jī)界面語言程序進(jìn)行管理。驅(qū)動系統(tǒng)采用一組變換器連接兩臺驅(qū)動電機(jī),在保持高精度的條件下工作時間共享控制,從而減少系統(tǒng)設(shè)備成本。每臺驅(qū)動電機(jī)配有一個制動器和一個編碼器,用以控制驅(qū)動電機(jī)的位置。每一組PLC跟蹤控制鏡場中對應(yīng)一組的定日鏡位置?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)不同的信號給出不同的運算處理,并控制驅(qū)動電機(jī)以相應(yīng)的轉(zhuǎn)速來完成跟蹤。本設(shè)計首先通過光敏元件確定是否天晴及光強(qiáng)的檢測然后再根據(jù)判定的結(jié)果選擇主要的跟蹤模式[27],在光照強(qiáng)度良好的情況下以光電式太陽跟蹤為主,在天氣狀況不佳時輔之以視日運動軌跡跟蹤,夜間關(guān)閉系統(tǒng),通過光電池信號初始閾值進(jìn)行復(fù)位,能夠使系統(tǒng)節(jié)約能源而恢復(fù)到初始位置并停止運行,周而復(fù)始,待下一天繼續(xù)工作;跟蹤控制系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

3 實驗測試結(jié)果

時間:2016年6月21日(夏至)和9月22號(秋分)7:00～19:00;地點:蘭州(東經(jīng)103.82°,北緯36.05°);天氣:晴天,對太陽的高度和方位跟蹤進(jìn)行測試。

測試方法:①在IPC控制終端將當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度設(shè)定好(蘭州),從早上開始執(zhí)行跟蹤系統(tǒng)運作,首先通過傳感器采集到的光的數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)貢r間、地理位置等信號,通過一些功能模塊的轉(zhuǎn)換送入PLC中央控制器并經(jīng)過處理計算得到太陽位置的偏差,進(jìn)而發(fā)命令驅(qū)動伺服電機(jī)并對太陽進(jìn)行跟蹤。每隔30 min記錄一次太陽能跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動裝置的高度角、方位角和時間(如:時間9點整,此刻高度角是39.28°,方位角是87.54°)。

②將測試的實驗數(shù)據(jù)與天文算法計算理論數(shù)據(jù)通過對比分析法得到結(jié)果,并用Origin制圖軟件繪制時間曲線圖和絕對誤差圖,夏至?xí)r太陽高度角與系統(tǒng)傾角時間曲線關(guān)系及誤差分析如圖8所示,秋分時太陽高度角與系統(tǒng)傾角時間曲線關(guān)系及誤差分析如圖9所示。

圖8 夏至?xí)r太陽高度角與系統(tǒng)傾角時間曲線關(guān)系及誤差分析

圖9 秋分時太陽高度角與系統(tǒng)傾角時間曲線關(guān)系及誤差分析

③通過對數(shù)據(jù)和誤差圖的分析得出實驗結(jié)果。

結(jié)果分析與總結(jié):通過分析比較連續(xù)實驗的測試值與天文算法計算得出的理論值,得出二者的最大偏差為±0.1°。所得本設(shè)計的太陽能跟蹤系統(tǒng)能夠?qū)⒄`差控制在±0.1°以內(nèi),而現(xiàn)有的跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度在±1°度以內(nèi)[28],通過數(shù)據(jù)的對比說明本設(shè)計能夠有效地改善跟蹤精度。在實驗過程中對實驗數(shù)據(jù)的整理看出該跟蹤沒有出現(xiàn)大的誤差或者錯誤,則同時驗證了本文設(shè)計的太陽能跟蹤系統(tǒng)的精度高且運行穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文提出一種高精度太陽能跟蹤系統(tǒng),主要是將光電式太陽跟蹤和視日軌跡跟蹤相互結(jié)合、對光電式太陽傳感器進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計,以及通過光電池輸出量來求出太陽的具體位置,達(dá)到快速的、穩(wěn)定的、準(zhǔn)確的跟蹤效果。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以連續(xù)跟蹤太陽的角度變化,能夠達(dá)到較高的跟蹤精度;在晴天太陽輻照度較強(qiáng)時,采用光電傳感器跟蹤模式;而在光線較弱時,通過傳感器檢測自動切換為視日軌跡跟蹤模式,兩種控制模式相互配合,具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。該系統(tǒng)具有較低的日均功耗、較高的跟蹤精度和可靠性,結(jié)構(gòu)簡單輕便,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度全天候自動跟蹤,可應(yīng)用于多種太陽能跟蹤系統(tǒng),并對推動太陽能利用的發(fā)展起到了很大的作用。

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