槽式光熱系統的太陽位置追蹤及控制方法研究

北京電影機械研究所 ■ 何文強 錢思遠 鄭兆文 齊曉慶

0 引言

隨著全球化石能源的日益減少，新能源的開發利用已成為各國能源戰略的重點。太陽能中高溫熱利用是一種新能源的發展方向，可廣泛用于光熱發電、海水淡化、室內空調等。槽式光熱系統作為太陽能中高溫熱利用的一種有效設備，已經逐步被人們認識和使用。該類系統通過拋物型反光鏡將太陽光匯聚到焦點位置處的集熱管上，將集熱管內的工質加熱。槽式光熱系統的工作前提是必須正面接收平行光，一般采用一維追蹤系統時刻對準太陽，追蹤系統的性能直接影響系統集熱效率。現已報道的槽式光熱系統中，絕大部分采用日歷追蹤法，即根據當地經緯度、當地標準時間及太陽能集熱槽的安裝方位，計算出太陽集熱槽應處位置。該方法易受大氣壓、空氣層折射率等不確定氣象條件的影響，導致追蹤出現偏差，難以保證最佳集熱效率。因而，太陽位置追蹤及控制方法是槽式太陽能集熱領域的一個重要研究方向。

目前，有關太陽位置追蹤及控制方面的研究已有一定積累。如利用成一定角度的電池板構成探測器[1]，可根據電池板受光角度不一致引起電位差驅動電機進行有限范圍內的太陽位置追蹤；利用四象限光電探測器或其他光敏元件進行太陽位置追蹤[2-4]，但須配合一定成像裝置；利用PSD可實現高精度太陽位置追蹤[5-6]，但又有造價昂貴、結構復雜的局限。因而，實現一種便捷、高精度、大范圍的太陽位置追蹤和控制系統具有重要意義。

本文提出一種能滿足大范圍太陽光強變化且跟蹤精度高的一維太陽位置追蹤及控制系統。根據集熱管陰影在太陽電池組上移動引起的電流電壓變化計算太陽位置偏離角度并產生控制信號，實現太陽位置的精確追蹤。

1 系統設計

太陽位置追蹤及控制系統包括呈直線排列的太陽電池組及相應控制電路，如圖1所示。該系統工作過程可描述為：當太陽能集熱槽開口正對太陽時，入射的集熱槽反射鏡上的太陽光(近似平行光)匯聚到集熱管上，此時集熱管在圖1所示裝置上的投影恰好位于太陽電池組中部(如圖2所示)，太陽電池組UG產生的電壓之和與太陽電池組DG輸出的電壓之和相等；若集熱槽開口與太陽位置存在偏差，則集熱管的投影將發生上下移動，太陽電池組UG產生的電壓之和與太陽電池組DG輸出的電壓之和不等，其差值剛好與集熱槽開口與太陽位置存在偏差角度相對應，可根據該電壓差值產生驅動控制信號，轉動集熱槽到達正對太陽的位置，達到最高的太陽能集熱效率。

圖1 系統結構示意圖

圖2 太陽位置傳感器與集熱管陰影位置關系示意圖

1.1 太陽電池組的設計及安裝

考慮到太陽能集熱槽開口正對太陽時，集熱管陰影的上邊界應正好落在太陽電池組UG的中心線UL處，同時下邊界應正好落在太陽電池組DG的中心線DL處。也就是說，中心線UL與中心線DL間的距離應為集熱管的直徑。由圖2可看出，位于最上部和最下部的太陽電池1和太陽電池6被太陽全照射，接收的光包含直射光和雜散光，其輸出電壓最高；位于電池組中間的太陽電池3和太陽電池4被集熱管陰影全遮蔽，只接收雜散光，其輸出電壓最低；而太陽電池2和太陽電池5被太陽半照射和被集熱管陰影半遮蔽，其輸出電壓介于上述兩者之間。

另考慮到，當太陽被云層完全遮擋時，集熱管不產生明顯陰影，太陽電池1與太陽電池3輸出的電壓差或太陽電池6與太陽電池4輸出的電壓差將會減小，當低于設定閾值時啟動日歷追蹤程序；而當太陽正常照射情況下，集熱管在太陽電池組UG和DG上產生陰影，則可實時依據太陽電池組上的電壓輸出情況產生閉環追蹤信號，追蹤太陽位置。即當太陽能集熱槽的開口正對太陽時，被集熱管陰影遮擋的太陽電池組UG的面積與被集熱管陰影遮擋的太陽電池組DG相等，太陽電池組UG內3塊太陽電池輸出的電壓之和與太陽電池組DG內3塊太陽電池輸出的電壓之和相等；當太陽位置相對于太陽能集熱槽的開口方向發生偏移時，將會引起集熱管在太陽電池組上的陰影發生移動，如陰影向上移動時，集熱管陰影遮擋的太陽電池組UG的面積會增大，使其輸出的電壓之和減小，而集熱管陰影遮擋的太陽電池組DG的面積會減小，使其輸出的電壓之和增大；反之亦然。

值得注意的是，圖2中設置的太陽電池數量可有所變化。如圖3a所示，設置8塊太陽電池，太陽電池之間可不設置間隔，連續排列在一起；如圖3b所示，設置4塊太陽電池，可分為兩部分。無論太陽電池的數量如何變化，當太陽能集熱槽的開口正對太陽時，集熱管陰影的中心線恰與整個太陽電池組的中心線重合，且太陽電池組的中心線兩側各自有且至少有1塊太陽電池被太陽全照射，至少有1塊太陽電池被集熱管陰影全遮擋。

圖3 光電池組其他設計方式示意圖

假設系統總共使用N塊太陽電池，工作過程中每塊太陽電池輸出電壓分別為V1，V2，…，Vn。那么，被太陽全照射的太陽電池輸出的電壓為Vmax(該太陽電池接收的光包含直射光和雜散光)；而被集熱管的陰影全遮擋的太陽電池輸出的電壓為Vmin(該太陽電池接收的光只有雜散光)，即：

進而可知，全直射光產生的電壓Vz為：

若單個太陽電池的面積為l×l(l為單個太陽電池邊長)，則太陽電池單位面積上的直射光產生電壓為：

以圖2b中的太陽電池排布情況為例，假設太陽電池組UG輸出的電壓之和為VU，太陽電池組DG輸出的電壓之和為VD；若集熱管距太陽電池組的垂直距離為d，集熱管陰影在偏離整個太陽電池組中心的距離為Δd，則

由式(4)～式(6)整理可得：

式中，Δd的正負代表集熱管在太陽電池組上的陰影移動方向；Δd的絕對值代表集熱管在太陽電池組上陰影移動的距離。

而集熱槽的中心轉軸需轉動的角度α滿足：

由式(7)和式(8)整理可得：

根據式(9)即可計算出集熱槽的中心轉軸需要轉動的角度α。

綜上所述，系統實際工作過程中只需將各塊太陽電池輸出的電壓V1、V2，…，Vn輸入至CPU模塊，在CPU模塊內利用式(1)～(9)便可分析得出集熱管在太陽電池組上的陰影移動方向和移動量，以及太陽能集熱槽的中心轉軸需要轉動的角度，從而產生相應驅動控制信號。

1.2 追蹤控制電路的設計

追蹤控制電路主要包括：電流電壓轉換電路、8選1模擬開關電路、可變倍運算放大電路和一個帶有A/D轉換電路的CPU模塊，如圖4所示。每一個太陽電池輸出的電流信號分別經過各自電流電壓轉換電路，轉換成與太陽電池輸出電流成比例的電壓，并輸送到模擬開關電路上，然后經過運算放大電路放大后，輸入帶有A/D轉換電路的CPU模塊，CPU模塊根據各太陽電池輸出的電壓值計算出太陽能集熱槽的中心轉軸需轉動的角度后，將中心轉軸的轉角信號發給執行機構，以實現對太陽位置的跟蹤。

圖4 追蹤控制電路結構圖

該系統中，通過引入可變倍數運算放大電路來適應太陽光強的大范圍變化。當太陽光強過強時，被太陽全照射的太陽電池輸出電壓過高，以至超過A/D轉換電路輸入電壓閾值上限，此時可控制運算放大電路降低放大倍數；當太陽光強過弱時，被集熱管陰影全遮蔽的太陽電池輸出的最低電壓與被太陽全照射的太陽電池輸出的最高電壓差值就會很小，這時可控制運算放大電路提高放大倍數。

1.3 實驗情況

在我單位承擔的北京市科委“MW 級混合新能源發電系統開發”項目中，已采用以上方法實現太陽位置的準確追蹤。系統實物如圖5所示，其中，圖5a為圖5b的局部放大。

圖5 太陽位置追蹤系統實物圖

在系統實際運行過程中，我們進行了相應的追蹤測試和驗證。在太陽直射輻射強度(DNI)高于300 W/m2時，此太陽位置追蹤系統即可啟動工作。系統運行過程中，我們長時間反復觀測并記錄集熱管陰影在太陽位置追蹤傳感器上的偏移狀態，發現集熱管陰影偏離太陽位置傳感器中心的最大距離約為2 ～3 mm(系統中集熱管距太陽位置傳感器的垂直距離為1517 mm)；同時讀取追蹤系統中傾角傳感器的讀數，得出太陽位置追蹤系統每次追蹤過程的調節角度均控制在 0.1°以內。

2 結論

本文提出了一種適用于槽式光熱系統的太陽位置追蹤及控制方法。該方法通過建立太陽位置與太陽能集熱槽相對偏移與投射在太陽電池上的集熱管陰影間的對應關系，經過一系列電信號的轉換與分析，產生驅動信號實現太陽位置的精確追蹤；同時，引入可變倍數運算放大電路配合A/D轉換，實現系統在太陽光強發生大范圍變化時仍能正常工作。該方法能精確地跟蹤太陽位置，并能適應太陽光強的大范圍變化，可廣泛用于各種太陽能集熱槽一維太陽位置追蹤系統中，并已取得國家實用新型發明專利授權(專利號：ZL 2012 2 0293568.3)。

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