碟式太陽能聚光器跟蹤系統研究(下)

湖南科技大學 湖南省機械設備健康維護省重點實驗室 ■ 彭長清 彭佑多 謝偉華 尹喜 黃軍衛

開、閉環相結合的混合控制結構結合了開、閉環的優點，克服了兩者的缺點，能得到最佳的控制效果。在一般無云的情況下使用閉環的傳感器跟蹤，但當云遮擋太陽時，立即變為開環跟蹤，直到云過后再重新使用閉環跟蹤。郭鐵錚等人[38]利用DSP2812控制器和復合控制算法，采用開、閉環相結合的混合控制方式，研制了一種跟蹤精度高、控制算法準確的用于塔式熱發電站中定日鏡跟蹤的新型跟蹤控制系統。許守平等人[26]利用四象限探測器作為太陽位置傳感器的靈敏元件，同時采用成本比較低的單片機驅動步進電機控制整個系統，設計了開、閉環相結合的混合跟蹤控制裝置。此裝置不但可控制整個系統的造價成本，同時還能減少不必要的跟蹤誤差，在最大限度之內修正跟蹤誤差，從而提高系統的跟蹤精度。

雖然以程控為主，采用傳感器瞬時測量值作為反饋的開、閉環控制相結合的混合方式，在任何氣候條件下都能得到穩定而可靠的跟蹤控制，但由于成本和可靠性等問題，一直未被規模化正式使用。目前，在太陽能熱發電系統中，國內外大多采用開、閉環的混合跟蹤來完成對太陽的跟蹤。這種混合方式是太陽能聚光器跟蹤控制系統的發展趨勢，應對其作進一步的研究。

2 主動、被動及其混合跟蹤控制結構

根據控制部件中控制信號產生的方式，太陽跟蹤系統也可分為主動、被動和混合跟蹤控制結構。

主動控制結構是將來自控制部件內預先存儲的當地經、緯度和太陽運行軌跡參數等控制信號去控制跟蹤系統運轉。主動跟蹤雖能提高太陽能利用率，但結構復雜，成本比被動跟蹤要高。劉四洋等人[39]研制了一種可根據任何地點的經、緯度等參數，并結合當地時間自動控制太陽光伏陣列的主動式雙軸太陽跟蹤控制器。此跟蹤控制器在西藏羊八井國家可再生能源實驗基地的實地運行中表現出了良好的性能，與固定式跟蹤相比，發電量提高了30%以上。王濤[40]利用主動式跟蹤，即預先計算好對應于某時刻的太陽位置，通過光電傳感器感受該太陽位置的光照，反饋回電信號，單片機根據該信號調用子程序發出脈沖對步進電動機的轉動角度和方向進行控制，使跟蹤裝置始終處于垂直于光照方向，達到了最大限度的能量接收。張曉霞等人[41]設計的碟式聚光主動式雙軸跟蹤器采用AT89C51單片機作為控制芯片，通過程序計算出聚光器所處地理位置，從而計算出聚光器需要轉動的角度，然后控制高度角和方位角的步進電機，驅動聚光器轉動相應的角度來跟蹤太陽，系統精度達到0.1?。Abdallah等人[42]開發了一種新的基于PLC控制的主動式單軸跟蹤系統，結果表明跟蹤式系統獲得能量比固定式高出22%。在主動式單軸跟蹤的基礎上Abdallah還設計了一種主動式雙軸跟蹤系統，與固定傾斜式相比其發電量高出41.34%。

被動控制結構是利用光敏傳感器接收太陽光信號控制跟蹤系統運轉。被動跟蹤思路簡單，控制器設計容易，但一般的光敏器件都具有較寬的感光角度，由于陽光的散射，被動跟蹤對太陽光角度的偏離并不敏感。Kalogirou[43]設計了一種基于三個光敏電阻探測太陽位置的被動單軸式跟蹤系統。三個光敏電阻用來探測光線是否垂直入射，天空的云量以及是白天還是夜間，探測結果的信號反饋到控制系統，系統控制電機通過減速箱轉動調整跟蹤器。跟蹤的精度取決于太陽輻射強度，當輻射強度為100 W/m2和600 W/m2時，跟蹤精度分別為0.2?和0.05?。Lynch[44]設計了基于兩個光電傳感器，跟蹤精度為0.1?的被動式雙軸跟蹤系統，一個傳感器安裝在跟蹤面上，另一個固定在朝南的方向。郭忠文[45]設計了由兩臺電動機與減速機構組成的被動雙軸式跟蹤器。跟蹤系統的光電傳感器與太陽能板垂直安裝，通過信號偏差調節使光線垂直照射，方位角和高度角的跟蹤精度分別為0.5?和1.0?。劉振起[46]設計的跟蹤精度為0.35?的被動式雙軸跟蹤器，其高度角和方位角的跟蹤分別用兩個光電二極管進行信號調節。當太陽光偏離垂直方向時，兩個光電二極管接收的光照度會出現差值信號，該信號經放大處理后送入控制器進行調整直到達到跟蹤目的。Khalifa等人[47]設計了一種基于光強比較法的被動式雙軸跟蹤系統，該系統采用的拋物面聚焦跟蹤方式比固定式可多獲得75%的能量。陳敏等人[48]以ARM技術為核心，通過嵌人式操作系統UC/OS-II的多任務操作，實現對太陽的主動式有效跟蹤，最終提高發電效率。

混合控制結構是將主、被動結合在一起的跟蹤控制系統。混合跟蹤結合了兩者的優點并克服了兩者的缺點，主動和被動跟蹤交替控制的混合跟蹤能夠得到最佳的控制效果，但系統的成本較高。呂文華等人[49]設計了一種根據太陽光照強度變化情況使主動與被動跟蹤交替使用的混合式跟蹤器。當太陽輻照度較弱時，系統自行切換到太陽運行軌跡跟蹤方式，以便實現更高精度的太陽跟蹤。Rubio等人[50]設計了一種混合式跟蹤系統，主動跟蹤是通過電腦計算高度角和方位角進行跟蹤，被動跟蹤是通過采用傳感器進行跟蹤反饋。通過一些對比試驗可得出采用混合式跟蹤比采用單一的主動式跟蹤可多獲得55%電能。Bakos[51]設計了一種混合式雙軸跟蹤系統，該系統與Rubio等設計的混合跟蹤系統相似。測得的實驗數據顯示，雙軸式比固定傾斜式多發電46.46%，混合跟蹤與單一的傳感器被動式跟蹤相比發電量明顯增加。可見，采用混合跟蹤可有效改善發電效率。

3 光電式和機械式跟蹤控制結構

光電式為被動跟蹤，受環境影響較大，尤其在多云或陰雨天。目前，國內常用的光電跟蹤有重力式、電磁式和電動式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器，光電跟蹤的光感元器件可以是光電池、CMOS 器件、光電二極管等，其后續信號處理單元通常是單片機或PLC等控制器。

機械式為主動跟蹤，其原理是通過程序計算出太陽位置，控制步進電機跟蹤太陽。目前國內大多數采用機械式的方式[52]。但這種跟蹤方式會存在累積誤差，主要原因是采用的太陽位置坐標模型不夠精確，由于是開環控制，機械結構變形及電機在執行過程中產生的誤差難以消除，跟蹤的精度隨運行時間的增加而降低。

目前我國國內的跟蹤器基本有純機械式的和機電一體化的跟蹤器兩大類[53]。根據跟蹤維數機械式有機械式單軸和機械式雙軸跟蹤控制結構。機械式單軸跟蹤是將固定在極軸上的太陽能集熱器以15?/h 的地球自轉角速度轉動來跟蹤太陽。該方法控制簡單，但安裝調整困難，初始角度很難確定和調節，受季節等因素影響較大，控制精度較差。機械式雙軸跟蹤主要是通過電機帶動跟蹤系統以15?/h的恒速繞日軸轉動，以每天15'的恒速繞季軸轉動，從而使太陽能集熱器全年與入射陽光相垂直，達到跟蹤太陽的目的。主要優點是結構簡單，便于制造，且控制系統也十分簡單，由于太陽高度角隨季節的變化是不均勻的，因而跟蹤精度較低。此外機構采用串聯結構，剛度難以保證，且運動空間比較小。

在眾多跟蹤器中，純機械式的跟蹤器和時鐘式的機電跟蹤器精度偏低。跟蹤的目的在于提高能量密度，如果精度低，跟蹤效率低，還額外提高了成本，在設備中添加跟蹤器就失去了原來的意義。所以，精度相對較高的光敏電阻控制的光電式跟蹤器與機械式跟蹤器相比在跟蹤精度上具有一定的優勢，但同時也存在很多值得改進的問題。

4 單軸和雙軸跟蹤控制結構

根據機械執行機構的維數太陽跟蹤系統可分為單軸(一維)和雙軸(二維)跟蹤控制結構。

單軸跟蹤控制結構有三種方式：①焦線南北向傾斜布置，東西向進行方位角跟蹤；②焦線南北向水平布置，東西向進行方位角跟蹤；③焦線東西向水平布置，南北向進行高度角跟蹤。單軸結構的優點是機構簡單，能耗和故障率較少。但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想，且存在著跟蹤精度不高、誤差累積、繞線等一些問題。在太陽跟蹤方面，單軸結構初期投資相對較少，跟蹤設備結構簡單。目前，單軸跟蹤裝置在國外的太陽能熱發電系統中主要應用于槽式集熱系統[54]。美國的Blackace在1997年研制了單軸跟蹤器，完成東西方向的自動跟蹤，但南北方向通過手動調節，接收器的熱接收率提高了15%[55]。

太陽是以兩個坐標方向運動的，為了完成精確跟蹤，必須使用兩個電機在兩個方向上同時動作，即雙軸跟蹤控制結構。雙軸結構有極軸式和高度角－方位角式跟蹤控制結構。雙軸結構能夠最大效率地利用太陽輻射能量，自動化程度高，但同時有控制復雜、成本高、耗電量大、系統維護費用高等缺點。雙軸跟蹤裝置可應用于槽式集熱系統來提高其運行效率，但在國外的太陽熱發電系統中，主要用于塔式和碟式集熱系統[56,57]。目前，光控或程控的雙軸跟蹤控制結構被普遍采用。在美國加州建造的發電功率約為300～600MW的太陽能斯特林電廠中，所有太陽能集熱器都采用雙軸跟蹤控制結構。在有些太陽能設備中，如點聚焦式接收裝置，則只能采用雙軸結構。1998年美國加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的菲涅耳透鏡，這樣可使小塊的太陽能面板收集更多的能量，使熱接收率進一步提高[58]。

很多學者對固定式、單軸、雙軸跟蹤控制結構做了對比分析研究。Nevile[59]通過理論計算對比了分別采用雙軸跟蹤、單軸東西跟蹤和不跟蹤的三套控制結構所獲得的熱接收量，發現采用雙軸跟蹤比采用單軸東西跟蹤和不跟蹤所獲得的熱接收量分別高5.10%和50%。Khalifa[60]通過實驗研究了雙軸跟蹤對復合拋物面聚光器的影響，結果表明：采用跟蹤結構比不采用跟蹤結構，系統的熱接收量高75%。Abdallah[61]研究了采用不同的跟蹤方式對FPPT系統的影響，分別采用雙軸跟蹤、單軸東西跟蹤和單軸南北跟蹤比固定放置的電池板收集到的能量高43.87%、37.53%和15.69%。

綜上可知，單軸跟蹤系統比固定安裝的系統得到的太陽輻射利用率高；雙軸跟蹤系統能夠最大效率地利用太陽輻射能量。但單軸跟蹤系統的成本和耗電量都很低，后期維護方便；雙軸跟蹤系統成本高、耗電量大、系統維護費用高。

四 碟式太陽能聚光器跟蹤系統的研究關鍵

太陽跟蹤系統是太陽能熱發電系統的關鍵，要開發出具有跟蹤范圍廣、精度高、價格低廉、結構簡單、能連續對太陽跟蹤等特點的碟式太陽能跟蹤系統，還需開展如下方面的研究。

1 太陽跟蹤系統控制方式的改進和創新

由于現有太陽跟蹤系統存在精度不高、適應性不強、成本高等一系列問題，而跟蹤太陽又需根據實際情況不斷改進和創新跟蹤方式。當太陽輻照度低時可選擇程控方式，在晴天多、陽光強的地區可選擇光控方式，在天氣情況復雜的區域最好采用混合跟蹤控制方式。目前，對太陽跟蹤系統中光控和程控的混合跟蹤的實現還需要進行大量研究。碟式太陽能中光控+時控+GPS控制方式更是在太陽跟蹤系統研究領域的一個嘗試，應用前景廣闊，是未來太陽跟蹤控制技術研究的一種新的探索思路，是未來太陽跟蹤系統發展的主流趨勢。但是，現在光控+時控+GPS控制方式還不夠成熟，研究顯著迫切。

2 太陽跟蹤系統控制結構的發展與研究

主動跟蹤依賴于數據存儲技術和控制器的發展以及器件成本的降低，光電式和被動式跟蹤控制結構依賴于光電傳感器精度的提高和制造成本的降低。開環結構結構簡單、成本低，但存在累積誤差，跟蹤精度低；閉環結構跟蹤精度高，但受環境影響大，基于此一般選擇開、閉環相結合的混合控制結構。由于碟式太陽能熱發電系統精度要求高，不可選擇單軸結構，自動化程度要求較高，通常選用雙軸混合式跟蹤系統，而對這種控制系統的研究還有待深入，這也使得全自動、高精度聚光式雙軸混合跟蹤系統將成為研究熱點。

3 提高太陽位置光電傳感器的跟蹤范圍、跟蹤精度、抗干擾能力

光電傳感器作為光控的核心部件，其可達到的精度直接影響跟蹤系統的跟蹤精度，而其跟蹤精度的高低是直接影響太陽能熱發電系統發電效率的關鍵因素之一。而目前反應速度快、精度高的光電傳感器造價高，跟蹤系統成本的控制依賴于低成本、高性能的光電傳感器的研制和開發。決定傳感器性能的因素包括可感應范圍、跟蹤精度、抗干擾能力等。一般傳感器在保證高精度情況下往往忽略了跟蹤范圍，導致傳感器經常出現因跟蹤范圍小而搜索不到太陽的情況。而一些改進技術，如兩級傳感器光電跟蹤雖然提高了跟蹤范圍，但是跟蹤精度仍不能令人滿意。所以，保證光電傳感器在跟蹤范圍、跟蹤精度等方面同時滿足要求成為影響光電跟蹤技術發展的瓶頸。如何設計一個既能準確反應太陽位置又能克服干擾的太陽位置光電傳感器就成為一個關鍵。比如光敏電阻光強比較法雖然電路比較簡單，但光敏電阻的個性差異(光敏電阻阻值、圓筒的長度)及時間長老化等原因，導致控制準確度不夠。對光敏電阻的結構設置進行改進優化是改進光敏電阻光強比較法的研究關鍵之一。雖然近年來有人提出以圖像傳感器代替光電傳感器(光敏電阻)的圖像處理跟蹤方法對太陽的定位準確度較高，也提高了跟蹤精度，但增加了硬件。在圖像處理跟蹤方法的研究過程中，比如可選用高分辨率的圖像傳感器來進一步提高太陽的定位精度，在這個方面也值得做些研究。

總之，跟蹤太陽是提高碟式太陽能熱發電利用率的有效手段。對于太陽自動跟蹤技術，人們已經做了許多研究，很多專利和文章介紹了利用各種類型傳感器設計的跟蹤控制方案，設計各種機械執行結構來實現提高太陽能跟蹤裝置精度的目的。雖然太陽跟蹤系統的精度是直接影響設備利用太陽能效率的核心問題，但同時還存在跟蹤系統的自身能耗過大等其他造成太陽能熱發電不經濟的問題，現有報道很少涉及由跟蹤系統而附加的電力消耗。另外，跟蹤系統的穩定性還跟控制系統的軟硬件情況有關，硬件系統本身的穩定性以及軟件控制策略都能影響整個系統跟蹤過程中的穩定性。在太陽能跟蹤系統應用中跟蹤精度、系統成本、耗電量和后期維護費用等因素應綜合考慮，所以在太陽跟蹤系統研究領域還存在很多值得深入研究的問題，相關方面的研究工作需予以特別關注。

五 總結與展望

目前碟式太陽能發電相對于其他比較成熟的可再生能源利用技術還不具備競爭力，但其改進的潛力和降低成本的空間還很大。太陽跟蹤裝置作為核心設備，提高其穩定性和跟蹤精度及降低其成本是今后碟式太陽能熱發電技術研究的重要課題之一。全自動跟蹤控制系統的控制策略作為關鍵，至關重要。程控依賴于控制器件的發展以及成本的降低，光控依賴于光敏傳感器和圖像傳感器精度的提高和制造成本的降低，混合控制依賴于新組合思路和新技術的引入等。作為太陽能跟蹤技術的研究人員應經常關注太陽跟蹤相關領域的發展動態，及時汲取新科技發展成果，并將它們應用到太陽能跟蹤技術中，為碟式太陽能熱發電的開發和應用作出貢獻。希望有更多的人參與到這項研究中來，共同開發出性能好、精度高、成本低的太陽自動跟蹤裝置。

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