基于PLC的槽式聚光集熱器跟蹤系統的設計

皇明太陽能股份有限公司技術研發中心 ■ 趙彥堂 劉培先 崔正軍 肖成珍 林超 張繼磊

一 引言

隨著人類素質不斷的自我發展，人們對于能源危機和環境問題的認識日益清晰，不斷通過各種途徑尋找能源替代的途徑。而太陽能作為一種最為清潔、豐富的能源，現階段已經成為新能源研發的突破點。聚光類太陽能熱發電在太陽能利用的研發中占有重要的一席之地。該系統通過聚焦太陽光匯聚熱量，經換熱系統將熱量導出后帶動發電機發電。聚光類太陽能熱發電的形式種類繁多，因為技術成熟，可操作性強，槽式太陽能熱發電在太陽能熱發電行業中脫穎而出，逐漸受到國內外研發機構和太陽能公司的青睞，但因其太陽利用率低阻礙了大規模推廣和商業化應用的道路。如何最大限度地提高太陽利用率成為了研究的關鍵，而追日跟蹤系統則是解決這一問題的關鍵所在。提高追日跟蹤系統的精度可極大地提高槽式反射鏡場的聚光效率，進而提高槽式聚光集熱器的太陽利用率[1]。

本文提出的基于PLC的槽式太陽能聚光集熱器跟蹤系統結合天文學公式(太陽位置公式)與高精度傾角傳感器控制液壓傳動系統驅動槽式聚光集熱器自動跟蹤太陽。該系統具有跟蹤精度高、控制方便等特點，為槽式太陽能熱利用提供了有力的技術支持，提高了其市場競爭力。

二 控制系統設計

1 電氣控制系統總體方案及硬件設計

控制系統采用的PLC，內置模擬輸入輸出模塊，可直接接收模擬量信號，通信功能通過RS458完成本地控制器到遠程監控計算機的監控通信，實現現場控制。為了操作人員監控及操作方便，本系統采用遠程監控計算機進行人機對話，實現遠程在線監控和及時處理系統異常。本系統中，遠程計算機為監控機，PLC為下位機。系統具有傾角傳感器現場數據采集、數據比對、定日跟蹤、手/自動切換、系統正反轉控制等功能。傾角傳感器采用模擬量給定方式，PLC直接對模擬量進行MD轉化并運算；數據比對通過設定在PLC程序中的天文學公式(太陽位置公式)進行運算，計算此時太陽的高度角、方位角，再由太陽位置與槽式集熱器的物理位置根據幾何關系計算此時槽式集熱器的理論傾角值，將結果與PLC采集的傾角傳感器的數據進行數值大小比較；將定日跟蹤根據數據對比后的結果輸出數字信號控制電磁閥的開閉來控制液壓傳動系統驅動槽式聚光集熱器跟日轉動；手/自動切換、系統正反轉控制是通過設定在遠程計算機內的外部變量與PLC實現數據交互完成。控制系統結構如圖l所示。

圖1 控制系統結構

控制系統的工作過程為：上電、數據采集、數據對比、液壓缸電機啟動、電磁閥1、3開/閉(電磁閥2、4閉/開)、液壓缸左右臂伸/縮、集熱器跟日轉動。本系統通過控制電磁閥的開閉來控制液壓缸的伸縮，以此控制槽式聚光集熱器的正反轉跟日轉動。遠程監控計算機通過手/動按鈕可對系統進行手動或者自動控制。當手/自動按鈕切換到自動狀態時，系統自動跟蹤太陽，此時正轉、反轉按鈕不起作用；當切換到手動狀態時，正轉、反轉按鈕可控制系統的正反轉。遠程監控計算機通過RS485與PLC通信。遠程監控計算機的操作界面如圖2所示。

圖2 遠程監控計算機的操作界面

遠程監控計算機可操控槽式集熱器的啟動，正、反轉，原點返回，還可通過相對轉角差及相對轉角的數值輸入對槽式集熱器的運行狀況進行調試及修正，方便了槽式集熱器初始安裝時的程序調試及運行后的數據修正。

2 控制系統軟件設計

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

太陽高度角(h⊙)的計算公式為：

式中：δ為太陽赤緯角 ；ˉ為當地的地理緯度；τ為當時的太陽時角。

太陽方位角A的計算公式為

式中： h ⊙為太陽高度；δ為太陽赤緯角 ；ˉ為當地的地理緯度。當cosA≤0 時，90?≤A ≤180?；當cos A ≥0 時，0 ≤A ≤90?。

傾角傳感器采用高精度系列傳感器。系統工作時，傾角傳感器完成對槽式聚光集熱器當前位置的檢測，由本地控制器采集并與控制系統的計算參數相比較，以進行位置確定。

為了追日跟蹤系統的操作方便及跟蹤過程中的安全可靠，PLC追日跟蹤系統的程序分為手動模式和自動模式。手動模式在系統初次調試及控制系統檢修時使用，通過手動控制調整槽式聚光集熱器至合理位置方便系統初始調試及系統檢修。自動模式可實現槽式聚光集熱器追日跟蹤過程的自動化。本文設計的PLC控制的主程序包括自動程序和手動程序，結構圖如圖3所示。

在自動模式下，首先由PLC根據太陽位置的天文學公式計算出此時槽式聚光集熱器應處的位置(角度值)，同時通過傾角傳感器采集槽式聚光集熱器此時的實際所處位置(角度值)，根據兩者的差值與設定值比對的結果決定聚光集熱器的正反轉，使其跟日轉動；當兩者差值小于設定值時，槽式集熱器停止轉動。由此完成控制系統對槽式集熱器的自動定日跟蹤。

在手動模式下，可通過手動調節槽式聚光集熱器的正反轉，達到所需位置。

3 控制系統實際運行結果及測試數據分析

本文設計的太陽能槽式集熱器跟蹤系統安裝于德州太陽谷，從安裝至今系統運行良好，實物圖如圖4所示。

圖3 主程序結構圖

圖4 槽式集熱器跟蹤系統運行實物圖

為了得到跟蹤系統的實際精度及其穩定性的依據，分別在2011年12月和2012年3月選取晴朗天氣對跟蹤系統進行了多次測量。用鋁板代替真空管安裝在槽式集熱器的焦線處，根據照射在鋁板上光斑的偏移量來計算跟蹤系統的精度。光斑測試如圖5所示。

圖5 光斑測試

根據幾何關系，跟蹤系統精度采用式(3)計算：

其中：α為跟蹤系統精度(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為集熱器旋轉軸到鋁板中心線的距離。

測試數據為測試當日上午或者下午的平均精度，具體數據見表1。

表1 槽式集熱器跟蹤系統測試

由表1可以得出系統運行過程中，光斑的偏移量d始終保持在0.89～2.98mm范圍內，跟蹤系統精度α始終維持在0.05?～0.1?。國內槽式集熱器的跟蹤精度為0.1?，由此可見本文設計的跟蹤系統精度達到了國內先進水平，且穩定性良好，在同等產品中有較強的市場競爭力。

三 結論

本文針對槽式太陽能聚光集熱器跟蹤系統電氣控制系統進行設計，并且經過槽式集熱器的光斑測試，得出集熱器跟蹤精度≤0.1?，達到了聚光集熱器追日跟蹤過程中高精度、良好穩定性的控制要求，并且跟蹤過程實現遠程監控，方便操作，為槽式太陽能熱利用提供了有力的技術支持，提高了其市場競爭力。

[1]張順心, 宋開峰, 范順成. 基于并聯球面機構的太陽跟蹤裝置研究[J]. 河北工業大學學報, 2003, 32(6): 44－47.

[2]王炳忠. 第一講太陽能中天文參數的計算[J]. 太陽能, 1999,(2):1－6.