碟式太陽能自動跟蹤系統的設計與研究＊

劉賢群，蔣逢靈

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006）

0 引言

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

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

第一種工作模式多云或陰天時，自動跟蹤系統以視日運動軌跡進行工作[4]，PLC從GPS模塊中讀取當地的時間和經緯度，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前姿態與理論值的誤差，計算出PLC 控制單元發出的脈沖數。根據脈沖數量的大小發送相應的脈沖信號控制伺服電機的轉動，精確控制方位角電機和高度角電機的工作，從而調整碟式太陽能聚光器的當前姿態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]，這種系統根據太陽光照射到光電檢測模塊上，把太陽光信號通過AD轉換模塊轉換為數字信號，通過控制器實現太陽能的自動跟蹤控制。同理，控制器根據脈沖數量的大小發送相應的脈沖信號控制伺服電機的轉動，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。

跟蹤控制系統在工作的過程中通過人機界面實時顯現當前太陽的高度角和方位角，便于實時觀察系統的工作狀態。同時為了確保系統的穩定性，還增加了風速傳感器用于檢測風速，當風速大于一定的設定值，PLC發出指令控制聚光器放平，防止風速過大而使裝置損壞。

1.1 碟式太陽能雙軸驅動系統

碟式太陽能熱發電系統采用立柱式主支撐+“Z”字形網架—懸臂桁架結構，主要由聚光器、接收器、雙軸跟蹤機構和固定支撐四個部分，其雙軸跟蹤系統是系統的核心部分，最為重要的組成主要有兩部分，方位角調節機構和高度角調節機構，分別由兩個伺服電機驅動控制。如圖1所示。

圖1 碟式太陽能熱發電系統結構圖

方位角驅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動做旋轉中心運動，減速器的總傳動比為1∶93 600。俯仰角的調節則是通過減速器帶動絲桿的運動實現俯仰角的控制，減速器總傳動比為1∶512。系統正常工作過程中，雙軸驅動裝置主要工作任務就是跟蹤太陽的運動軌跡而運動，通過方位軸轉動控制方位角，繞高度軸作俯仰運動控制系統的高度角，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

根據天文學運動規律計算當地某一時刻太陽的具體位置作為視日運動軌跡的跟蹤方式，而系統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為當地的緯度，δ為當地赤緯，ω為時角。

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

自動跟蹤系統設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，輸出的電流信號經過AD 轉為數字信號[6]。當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節太陽方位角的變化，南、北方向的輸出電壓差用于調節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光學系統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 轉換模塊轉換的數字信號為U1、U2、U3、U4。假設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，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 實驗驗證結果

當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 獲取當地的經緯度以及時間信息，計算出當前時刻太陽的方位角和高度角，根據方位角和高度角驅動伺服電機運轉，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傳感器，當誤差大于2°時，立即驅動伺服電動機轉動減小誤差值。

以湘電集團開發的25 kW 碟式太陽能熱發電裝置為實驗載體，實驗地點：湘潭（東經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記錄一次實驗數據，并將測試的方位角和高度角數據與天文算法計算出的方位角和高度角理論數據進行對比，夏至日方位角和高度角實驗數據與天文數據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據與天文數據對比曲線以及角度誤差分析曲線如圖4所示。

圖3 夏至日實驗數據與天文數據對比曲線及角度誤差曲線

圖4 秋分日實驗數據與天文數據對比曲線及角度誤差曲線

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

3 結束語

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