劉賢群，蔣逢靈

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

0 引言

不可再生能源對工業(yè)發(fā)展具有重要的作用，但是面臨消耗殆盡及造成環(huán)境嚴重污染，為了人類的發(fā)展與生存，各個國家非常重視新能源的開發(fā)與利用。太陽能作為新型能源，具有低碳、環(huán)保、清潔、可再生的特點，深受工程應(yīng)用的青睞，作為重點新能源開發(fā)之一[1-2]。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)作為太陽能新能源的重要裝置，承擔(dān)著太陽能的搜集、能源的轉(zhuǎn)換和點集熱發(fā)電效應(yīng)，是目前世界上使用太陽能裝置轉(zhuǎn)換效率最高的裝置[3]，因此，為了保證碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的高效率運行，需要更高精度的跟蹤控制系統(tǒng)。本文設(shè)計了一款太陽能混合式雙軸跟蹤控制系統(tǒng)，以PLC為核心控制器，最大限度地提高碟式太陽能熱發(fā)電裝置的跟蹤效率，提高太陽能的使用效率，確保太陽能發(fā)電裝置核心部件聚光器的全天候?qū)崟r自動跟蹤，極大地提高了對太陽光的接受率。

1 混合式雙軸自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

混合式雙軸自動跟蹤控制系統(tǒng)主要有核心控制器PLC、傳感器、AD轉(zhuǎn)換模塊及人機界面等組成。

第一種工作模式多云或陰天時，自動跟蹤系統(tǒng)以視日運動軌跡進行工作[4]，PLC從GPS模塊中讀取當(dāng)?shù)氐臅r間和經(jīng)緯度，以此來計算實時太陽的方位角和高度角的理論值，PLC 控制單元通過碟式太陽能聚光器的當(dāng)前姿態(tài)與理論值的誤差，計算出PLC 控制單元發(fā)出的脈沖數(shù)。根據(jù)脈沖數(shù)量的大小發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號控制伺服電機的轉(zhuǎn)動，精確控制方位角電機和高度角電機的工作，從而調(diào)整碟式太陽能聚光器的當(dāng)前姿態(tài)使其垂直對準太陽光。

第二種工作模式為晴朗天氣時則采用光電跟蹤方式[5]，這種系統(tǒng)根據(jù)太陽光照射到光電檢測模塊上，把太陽光信號通過AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過控制器實現(xiàn)太陽能的自動跟蹤控制。同理，控制器根據(jù)脈沖數(shù)量的大小發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號控制伺服電機的轉(zhuǎn)動，精確控制方位角電機和高度角電機的工作，保障碟式太陽能聚光器能實時對準太陽光。

跟蹤控制系統(tǒng)在工作的過程中通過人機界面實時顯現(xiàn)當(dāng)前太陽的高度角和方位角，便于實時觀察系統(tǒng)的工作狀態(tài)。同時為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還增加了風(fēng)速傳感器用于檢測風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速大于一定的設(shè)定值，PLC發(fā)出指令控制聚光器放平，防止風(fēng)速過大而使裝置損壞。

1.1 碟式太陽能雙軸驅(qū)動系統(tǒng)

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)采用立柱式主支撐+“Z”字形網(wǎng)架—懸臂桁架結(jié)構(gòu)，主要由聚光器、接收器、雙軸跟蹤機構(gòu)和固定支撐四個部分，其雙軸跟蹤系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分，最為重要的組成主要有兩部分，方位角調(diào)節(jié)機構(gòu)和高度角調(diào)節(jié)機構(gòu)，分別由兩個伺服電機驅(qū)動控制。如圖1所示。

圖1 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

方位角驅(qū)動電機為交流伺服電機，太陽能集熱器裝置通過行星齒輪減速器、一級渦輪蝸桿減速器驅(qū)動做旋轉(zhuǎn)中心運動，減速器的總傳動比為1∶93 600。俯仰角的調(diào)節(jié)則是通過減速器帶動絲桿的運動實現(xiàn)俯仰角的控制，減速器總傳動比為1∶512。系統(tǒng)正常工作過程中，雙軸驅(qū)動裝置主要工作任務(wù)就是跟蹤太陽的運動軌跡而運動，通過方位軸轉(zhuǎn)動控制方位角，繞高度軸作俯仰運動控制系統(tǒng)的高度角，確保太陽光的光線垂直照射到太陽能裝置的聚光器上。

1.2 視日運動軌跡跟蹤原理

根據(jù)天文學(xué)運動規(guī)律計算當(dāng)?shù)啬骋粫r刻太陽的具體位置作為視日運動軌跡的跟蹤方式，而系統(tǒng)中使用的高度角和方位角就可以確定太陽位置。如圖2所示為地平坐標系，圖中h為高度角，β為方位角。

圖2 地平坐標系

1.2.1 高度角的計算

太陽高度角是指太陽照射光線與地平面之間的夾角，變化范圍為0°～90°。計算公式：

式中，φ為當(dāng)?shù)氐木暥?，δ為?dāng)?shù)爻嗑暎貫闀r角。

1.2.2 方位角的計算

太陽方位角是指太陽照射光線在地面上的投影與正南線的夾角，變化范圍為-90°～90°，正南以西為正值，正南以東為負值。計算公式如下：

1.3 光電跟蹤原理

自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計了以四象限光電探測器為核心元件的光電檢測模塊。系統(tǒng)進行光電跟蹤時，首先由分布在東、南、西、北的4 個光敏電阻進行跟蹤，輸出的電流信號經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)為數(shù)字信號[6]。當(dāng)4 個光敏電阻輸出信號不一致時，通過東、西方向的輸出電壓差用來調(diào)節(jié)太陽方位角的變化，南、北方向的輸出電壓差用于調(diào)節(jié)太陽能高度角的變化。然后再由放置在中間的四象限光電探測器進行精跟蹤，太陽光線通過透光罩經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)在遮光筒底部的四象限光電探測器上形成光斑，這時光電探測器的四個象限分別會對外輸出微弱的電流信號I1、I2、I3、I4。通過AD 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號為U1、U2、U3、U4。假設(shè)光斑在四象限光電探測器X軸和Y軸上的偏移量分別為△X和△為常數(shù)，其中R為光斑的半徑）[7]，則有：

式（3）中偏移量△X和△Y決定太陽方位角和高度角的偏移方向。當(dāng)偏移量△X＞0時，太陽在方位角方向上向東偏移，反之則向西偏移；當(dāng)偏移量△Y＞0 時，太陽在高度角方向上向南偏移，反之則向北偏移。通過判斷△X、△Y的幅值和正負，使裝置的聚光器跟蹤太陽位置的變化。

2 實驗驗證結(jié)果

當(dāng)為晴天時采用光電跟蹤模式，先由光敏電阻進行粗跟蹤，然后由四象限光電探測器進行精跟蹤，從而使聚光器實時跟蹤太陽光；陰雨天氣時采用視日運動軌跡跟蹤模式，通過GPS 獲取當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度以及時間信息，計算出當(dāng)前時刻太陽的方位角和高度角，根據(jù)方位角和高度角驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)，從而帶動聚光器追蹤太陽光。為了消除視日運動軌跡跟蹤的累計誤差，在聚光器上安裝了姿態(tài)傳感器，當(dāng)誤差大于2°時，立即驅(qū)動伺服電動機轉(zhuǎn)動減小誤差值。

以湘電集團開發(fā)的25 kW 碟式太陽能熱發(fā)電裝置為實驗載體，實驗地點：湘潭（東經(jīng)112°，北緯28°）；實驗時間：2020 年6 月21 日（夏至）和2020 年9 月22 日（秋分）的7：00—19：00，夏至日天氣：晴天，秋分日天氣：陰天；實驗時，每間隔30 min記錄一次實驗數(shù)據(jù)，并將測試的方位角和高度角數(shù)據(jù)與天文算法計算出的方位角和高度角理論數(shù)據(jù)進行對比，夏至日方位角和高度角實驗數(shù)據(jù)與天文數(shù)據(jù)對比曲線以及角度誤差分析曲線如圖3所示，秋分日方位角和高度角實驗數(shù)據(jù)與天文數(shù)據(jù)對比曲線以及角度誤差分析曲線如圖4所示。

圖3 夏至日實驗數(shù)據(jù)與天文數(shù)據(jù)對比曲線及角度誤差曲線

圖4 秋分日實驗數(shù)據(jù)與天文數(shù)據(jù)對比曲線及角度誤差曲線

通過實驗數(shù)據(jù)與天文數(shù)據(jù)對比曲線和誤差曲線分析，得出如下實驗結(jié)論：高度角和方位角的實驗數(shù)據(jù)與天文數(shù)據(jù)的最大誤差為±0.1°，通過實驗數(shù)據(jù)對比說明本跟蹤控制系統(tǒng)很大程度上提高了碟式太陽能熱發(fā)電裝置跟蹤太陽光的精度。

3 結(jié)束語

本設(shè)計提出了一種以PLC 為控制核心的高精度跟蹤控制系統(tǒng)，將視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。陰雨天采用視日運動軌跡跟蹤，利用姿態(tài)傳感器可以將姿態(tài)反饋給控制器構(gòu)成閉環(huán)控制，從而消除累計誤差。晴天采用光電跟蹤，通過設(shè)計精粗結(jié)合的光電檢測模塊，大大提高了跟蹤精確度。