槽式太陽能集熱器自動跟蹤聚焦方法

張玉霞，任麗琴（中廣核太陽能開發有限公司，北京 100048）

槽式太陽能集熱器自動跟蹤聚焦方法

張玉霞，任麗琴
（中廣核太陽能開發有限公司，北京 100048）

本文在分析太陽運行規律的基礎上，提出了一種槽式集熱器自動跟蹤太陽光的方案。描述了槽式聚光器自動跟蹤裝置的具體結構和工作原理，推導了跟蹤角度的計算公式并且闡明了控制系統的軟硬件原理。實驗結果表明，本文提出的方法跟蹤精度高，整個系統結構簡單、運行可靠。

槽式集熱器；液壓驅動跟蹤裝置；太陽法線跟蹤角；自動控制

0　引言

隨著地球人口增長、環境惡化，開發和利用清潔能源已被廣泛關注。其中太陽能所具有的低密度、間歇性、空間分布不斷變化的特點也給太陽熱能的收集和利用提出了很高的要求。采用太陽熱能進行大規模集中式發電，不僅將對我國電力的可持續發展和改變以煤為主的發電結構發揮重大作用，也是電力工業實現可持續發展的重要能源基礎。

國外對太陽能的利用研究起步早于我國將近20多年，且20世紀初時已開始應用于工業。以色列魯茲公司是槽式太陽能熱發電技術應用的典范，在1985～1991年間，美國在南加州先后建成9座槽式太陽能熱發電站，總裝機容量354MW，年發電總量10.8億度，發出的電力可供50萬人使用。經過一些發達國家的持續研究，目前已開發出多種形式的太陽能熱發電系統，按集熱器類型的不同，聚光式太陽能熱發電系統（STPGS，Solar Thermal Power Generation System）可分為槽式系統、塔式系統和碟式系統3大類[1-2]。

槽式發電是最早實現商業化的太陽能熱發電系統，在太陽能熱發電領域中，涉及槽式太陽能熱發電中的關鍵技術是聚光集熱裝置，其中聚光鏡片、跟蹤驅動裝置、線聚焦集熱管是實現槽式太陽能順利發電的三項核心技術。為有效利用太陽能，除了要保證聚光鏡片及集熱管等相關設備的性能參數外，提高太陽能能流密度也是重要途徑之一，經研究采用聚焦、跟蹤技術能有效地提高太陽能能流密度。（能流密度是在一定空間范圍內，單位面積所能取得的或單位重量能源所能產生的某種能源的能量或功率，是評價能源的主要指標之一。）因此，本文針對聚焦跟蹤技術設計出一種利用液壓系統驅動集熱器跟蹤太陽的裝置，以提高太陽能能流密度[3-5]。

1　集熱器自動跟蹤裝置結構及工作原理

整個裝置包括槽式集熱器、集熱管、液壓驅動跟蹤裝置、驅動控制器四部分，裝置結構如圖1所示。

槽式聚光器將投射來的太陽光聚焦到集熱管上，集熱管將此熱量傳遞給導熱介質，裝置3、4、5、6、7用于跟蹤太陽，以保證集熱器的反射光線始終聚焦于集熱管上。

系統控制原理[6-7]是采用閉環反饋控制原理：首先通過天文公式計算出太陽在聚光器所處地理位置的實時高度角和方位角，再由高度角及方位角推算出對應的集熱器最佳聚焦位置對應的法線角度值（具體定義見太陽角度推算），同角度傳感器測量得到聚光器實際的法線角度相比較，計算出聚光器需要轉動的角度值，最后控制液壓驅動系統來實現集熱器跟蹤太陽。本裝置采用了一個角度傳感器，角度傳感器用于測量集熱器的法線角度。

2　跟蹤角度公式推算

太陽在空間的位置可以用兩個空間角度來表示，即太陽的高度角和方位角。太陽高度角指太陽光線與地平面之間的夾角，太陽方位角是太陽光線在地平面的投影與當地子午線的夾角。子午線是指通過當地的經線（即正南方與正北方的連線即Y軸方向）。太陽能集熱器跟蹤角度的解算模型如圖2所示，其中A表示太陽所在的位置，C為太陽在地平面的投影，OC為太陽光線AO在地平面的投影。太陽高度角為β，太陽方位角為γ，角度α即為所求法線跟蹤角。

圖2　跟蹤角度解算圖Fig.2 The solution of the tracking angle

因為太陽法線跟蹤角的計算方法取決于槽式集熱器的布置方式，而槽式集熱器通常為南北布置，故下面以槽式南北方向布置為例進行論述。

追蹤面的法線對準太陽時與地平面的夾角定義為法線追蹤角，追蹤平面是沿Y軸南北固定。如圖2所示，當法線與AB重合時即對準太陽，從投影C點做Y軸的垂線垂足為B，連接AB兩點，因為AC垂直水平面，而CB又垂直Y軸，根據三垂定理可知AB垂直Y軸，所以法線抬起的角度就是α（α角為法線跟蹤角）。

首先通過直角三角形OBC計算BC邊，其次利用直角三角形OCA計算AC邊，最后通過直角三角形ACB就可以計算角度α的值。從圖中可知：

此外，從圖2中可以看出，當太陽的投影C點在不同的象限，OC與Y軸的夾角δ與太陽方位角γ的關系是不同的，法線追蹤角α在西南和西北象限的值為180-∠ABC，因此要先確定C點所在的象限。太陽高度角在0～90度之間是白天，方位角0～90度表示太陽投影在東北方向δ = γ，90～180度表示太陽投影在東南方向度表示太陽投影在西南方向度表示太陽投影在西北方向

3　跟蹤方案

槽式太陽能自動跟蹤方案[8-10]，主要有兩種：角度傳感器與光線傳感相結合跟蹤、角度傳感器閉環反饋控制跟蹤。

角度傳感器與光線傳感器相結合的跟蹤方案：利用光線傳感器及角度傳感器相結合的方式。利用角度傳感器粗略定位集熱器的角度位置，角度偏差值需要在光線傳感器的測量范圍內，再由光線傳感器精確定位角度值進行跟蹤。此種跟蹤方式對光線傳感器的安裝要求很高。

角度傳感器閉環反饋控制跟蹤：根據美國國家可再生能源實驗室提出的天文公式（美國國家可再生能源實驗室（NREL）是美國能源部主要的可再生能源和能源效率研發國家實驗室，NREL由可持續能源聯盟（The Alliance for Sustainable Energy，LLC.）為美國能源部管理），推算出太陽的實時入射角度，再控制液壓驅動系統進行跟蹤，當集熱器停止轉動后由角度傳感器測量出的實時角度值與計算值比較，確定需要跟蹤的角度，當差值小于要求精度時，保持不動，當大于精度值時則做相應的調整。

4　控制系統

4.1控制系統硬件部分

槽式集熱器驅動控制系統硬件部分主要是CPU處理單元、電源轉換模塊、信號傳輸模塊、通訊模塊、操作按鈕、斷路器、接觸器等組成，控制器完成對傳感器（角度/光線/溫度）實時數據的采集及計算，發送數字信號來控制液壓驅動單元電磁閥的動作，控制電機的啟停動作，對上位系統可實現數據的遠程傳輸，存儲重要事件和操作狀態信息，具有手動定位及檢修的操作模式。整個控制原理如圖3所示。

4.2控制系統軟件設計

系統控制流程說明如下：系統開機啟動，首先讀取時鐘信號得到系統日期和時間，在CPU軟件平臺完成對天文公式及集熱器法線跟蹤角的編程，將當地的經緯度參數、大氣參數、海拔、年平均溫度、氣象參數、時鐘信號等相關信號輸入到CPU完成法線跟蹤角的計算，法線跟蹤計算值與角度傳感器的實時測量值進行比較，得到集熱器偏離法線跟蹤位置的差值，如果差值大于所要求的跟蹤精度即進行校正，反之則保持位置不動。在初始角度調整時使用角度粗定位，當到達光線傳感器的測量范圍后再進行精確定位。其中，大氣參數、氣象參數、時鐘信號為非固定參數，氣象參數需由氣象站給出并實時更新，大氣參數需要由待集熱器初調完成后由光線傳感器進行精確調整，至此完成集熱器的一次追蹤過程。

通過計算得出太陽入射角度，在氣象條件允許的前提下，當入射角度大于15°時開始跟蹤，當跟蹤角度大于150°時停止跟蹤，系統回到收藏位置（暫定法線角度-33°）。避免能源的浪費，可以同時參考天氣狀況及單位面積輻射值來判斷系統是否進行逐日跟蹤。

圖3　控制原理圖Fig. 3 The principle of control

5　數據分析及結論

當所有參數設定到合適的值時，對兩種不同的追蹤方案進行實驗，以橫軸為時間軸，縱軸為角度軸繪圖，如圖4所示。曲線1代表傾角及光線傳感器相結合裝置太陽入射角理論跟蹤值；曲線2表示傾角及光線傳感器相結合裝置集熱器實時角度值；曲線3代表傾角傳感器閉環控制裝置太陽入射角理論跟蹤值；曲線4表示傾角傳感器閉環控制裝置集熱器實時角度值。實驗數據從早晨10：23到下午14：23，圖中曲線表示不同組合的跟蹤理論值及集熱器實時角度值。從曲線圖中可以看出，兩種方案跟蹤精度存在一定的差距，傳感器與角度傳感器相結合的方案中，利用天文公式理論計算值實時曲線與實時跟蹤角度值曲線基本重合，而只用傳感器作為跟蹤測量的方案中，實時計算值曲線與實時跟蹤曲線始終存在一定的差值，跟蹤精度不高。

圖4　跟蹤曲線圖Fig.4 The tracking curve

本文設計的槽式太陽能液壓驅動跟蹤控制系統采用粗定位傾角傳感器及精確定位光線傳感器相結合的方式，不僅能實現太陽入射角度在180范圍的跟蹤，也同時滿足了集熱器高精度定位的要求，定位精度可達到0.1°。此種結合的定位方式避免在云遮的情況下無法跟蹤的缺點，并且運行安全可靠。整個系統結構簡單、運行可靠、跟蹤精度高、成本低廉。此跟蹤系統的缺點是，對于測量系統的安裝精度提出了較高的要求，傾角傳感器及光線傳感器的安裝精度將直接影響到整個系統的跟蹤精度。

[1] 羅智慧，龍新峰. 槽式太陽能熱發電技術研究現狀與發展[J]. 電力設備，2006，7（11）：29-32.

Z H Luo，X F Long. State and trend of solar parabolic trough power generation technology [J]. Electrical Equipment， 2006，7（11）: 29-32.

[2] 范兵，陳步亮. 太陽能槽式熱發電技術綜述[J]. 電源技術應用，2010，13（4）：9-14.

B Fan，C L Chen. The overview of parabolic trough solar power technologies [J]. Power Supply Technologies and Applications，2010，13（4）: 9-14.

[3] 許守平，李斌，馬勝紅. 槽式太陽能熱發電跟蹤控制系統的研究[J]. 計算機測量與控制，2008，16（11）：1635-1637.

S P Xu，B Li，S H Ma. Research on tracking and control for solar parabolic trough thermal power system based on microcomputer[J]. Computer Measurement and Control，2008，16（11）: 1635-1637.

[4] 劉偉龍，劉建平. 槽式 DSG 型熱發電技術綜述[J]. 電力科學與工程，2014，30（10）：6-13.

W L Liu，J P Liu. A review of DSG solar thermal technology [J]. Electric Power Science and Engineering，2014，30（10）: 6-13.

[5] 羅承先. 太陽能發電的普及與前景[J]. 中外能源，2010，15（11）：33-39.

C X Luo. The deployment and prospect of solar power facilities [J]. Sino-Global Energy，2010，15（11）: 33-39.

[6] 魯瑾，李清巖. 新能源材料：硅基太陽能電池材料[J]. 新型工業化，2014，4（12）：36-45.

J Lu，Q Y Li. New energy materials: silicon based solar cells [J]. The Journal of New Industrialization，2014，4（12）: 36-45.

[7] 唐見茂. 新能源材料：風能材料[J]. 新型工業化，2014，4（12）：54-63.

J M Tang. New energy materials: wind energy materials [J]. The Journal of New Industrialization，2014，4（12）: 54-63.

[8] Qibin Liu，Minlin Yang，Jing Lei，et al. Modeling and optimizing parabolic trough solar collector systems using the least squares support vector machine method [J]. Solar Energy，2012，86（7）: 1973-1980.

[9] Guangjie Gong，Xinyan Huang. An optimized model and test of the China’s first high temperature parabolic trough solar receiver [J]. Solar Energy，2010，84（12）: 2230-2245.

[10] Ernst Kussul，Oleksandr Makeyev，Tatiana Baidyk，et al. The Problem of Automation of Solar Concentrator Assembly and Adjustment [J]. International Journal of Advanced Robotic Systems，2011，8（4）: 150-157.

An Automatic Tracking and Focusing Method of Trough Solar Collector

ZHANG Yu-xia, REN Li-qin
(CGN Solar Energy Development Co., Ltd, Beijing 100048, China)

Based on the analysis of the law of the sun’s movement, this paper puts forward a scheme of automatic tracking of the sun’s light by the trough type collector. The specific structure and working principle of the automatic tracking device of trough solar concentrator are described. The calculation formula of the tracking angle is deduced and the software and hardware of the control system are described. The experimental results show that the tracking precision is high, the whole system has the advantages of simple structure, reliable operation, and can avoid the shortcomings in the cloud cannot track. The experimental results show that the method proposed in this paper has high tracking accuracy and the whole system is simple and reliable.

The trough type collector;The hydraulic drive tracking device;Normal tracking angle of the sun; Automatic control

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.005

ZHANG Yu-xia, REN Li-qin. An Automatic Tracking and Focusing Method of Trough Solar Collector[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）: 27-31.

國家863計劃（2012AA050603）

張玉霞（1979-），女，助理工程師，本科，主要研究方向：熱工自動化；任麗琴（1979-），女，工程師，主要研究方向：電力工程及自動化

本文引用格式：張玉霞，任麗琴.槽式太陽能集熱器自動跟蹤聚焦方法[J]. 新型工業化，2015，5（10）：27-31.