基于配方功能的太陽能光熱跟蹤控制系統(tǒng)研究

張 寶 鄭琍莉

上海驕英能源科技有限公司上海

1 引言

近年來，太陽能光熱技術(shù)的發(fā)展有了很大的進(jìn)步，特別是在太陽能光熱發(fā)電方面的發(fā)展已取得了很大的成果，國內(nèi)和國外已經(jīng)實(shí)施和完成了諸多太陽能光熱發(fā)電項(xiàng)目，且效果顯著。但是，如何將太陽能光熱利用率最大化，目前仍是世界各國研究的重要課題。

太陽光跟蹤控制技術(shù)可以有效的提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，是太陽能光熱效率提高的重要手段之一。本文主要從基于配方功能的太陽能光熱跟蹤控制技術(shù)進(jìn)行研究。

2 目前的主要跟蹤控制方式

2.1 光強(qiáng)比較方式

這個方法主要是依靠光敏元件隨光照強(qiáng)度變化，其阻值響應(yīng)跟著變化的原理做成的感光元件，其特點(diǎn)是可以根據(jù)太陽光照強(qiáng)度的變化，自動調(diào)整光能組件的位置，但是其跟蹤方式是被動的，并且受天氣等自然環(huán)境影響較大，一般主要用于光伏項(xiàng)目中。

2.2 視日運(yùn)行軌跡同步方式

為了最大限度的從太陽獲取能量，處理需從材料的選擇上考慮外，太陽的方位角和高度角的選擇也是考慮的因素。其計(jì)算精度高，并且具有很好的適應(yīng)性，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度計(jì)算出當(dāng)?shù)氐奶栠\(yùn)行軌跡，并最終推算出實(shí)際的角度，以實(shí)現(xiàn)精確控制。大多數(shù)太陽能光熱系統(tǒng)均采用此種跟蹤控制技術(shù)，特別是在線性菲涅爾太陽能光熱跟蹤控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。但是其數(shù)據(jù)計(jì)算的復(fù)雜性，導(dǎo)致一般的控制器很難實(shí)現(xiàn)，如采用可以處理復(fù)雜計(jì)算的控制器，其控制系統(tǒng)的成本將大大提高，為了解決這一問題，引入了配方功能。

3 基于配方功能的線性菲涅爾太陽能光熱跟蹤控制系統(tǒng)分析

3.1 數(shù)據(jù)處理功能分析

線性菲涅爾太陽能光熱跟蹤控制模式是由多個排列于同一水平面的平面反射鏡場組成，可以跟蹤太陽運(yùn)行軌跡并將太陽光線始終反射到一固定的長目標(biāo)接收器上。若要實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，其對控制器的數(shù)據(jù)處理要求較高。目前使用較多的控制器一般為單片機(jī)和可編程控制器等幾種。（下面的分析以可編程控制器為例）

(1)不使用配方功能：采用可編程控制器，計(jì)算實(shí)時跟蹤數(shù)據(jù)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和時間來推算一天的太陽運(yùn)行軌跡，計(jì)算過程比較復(fù)雜，計(jì)算量較大。計(jì)算過程有一組數(shù)據(jù)存在問題，其計(jì)算結(jié)果將導(dǎo)致設(shè)備偏離其預(yù)期的運(yùn)行軌跡，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。如圖1所示：

(2)采用配方功能：計(jì)算過程全部通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并將計(jì)算后的數(shù)據(jù)通過配方功能來實(shí)現(xiàn)，將大大簡化控制程序的復(fù)雜度和提高控制精度，采用配方功能后的程序，詳見圖2：

3.2 控制精度分析（以可編程控制器為例）

(1)不使用配方功能：由于在計(jì)算太陽高度角和方位角時，會用到大量的三角函數(shù)，而可編程控制器只能識別弧度，又必須將角度轉(zhuǎn)化成弧度，在這個計(jì)算過程中，存在一定的計(jì)算誤差，并且，可編程控制器在處理復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算時，對其運(yùn)行速度存在一定的影響，直接導(dǎo)致其控制輸出會比實(shí)際滯后，具體影響見圖3：

(2)采用配方功能后，上述需要計(jì)算的數(shù)據(jù)預(yù)先通過計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件精確的計(jì)算出來（試驗(yàn)時保留到小數(shù)點(diǎn)后5位），然后通過配方功能讀取數(shù)據(jù)，直接使用，既節(jié)省了可編程控制器的處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的時間，又提高了控制精度，具體影響見圖4：

圖1 未采用配方功能的編程實(shí)例圖

圖2 采用配方功能的編程實(shí)例圖

圖3 未采用配方功能的跟蹤效果

圖4 采用配方功能的跟蹤效果

4 基于配方功能的控制系統(tǒng)組成

4.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由HMI（觸摸屏）、PLC（可編程控制器）、驅(qū)動設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。主要是從成本、可行性及控制精度等幾個方面考慮選擇此方案的。

圖5 基于配方功能的系統(tǒng)組成

◆HMI（觸摸屏）：用來配置配方和校對時鐘及實(shí)時監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)；

◆PLC（可編程控制器）：用來編制控制邏輯和執(zhí)行配方下發(fā)的數(shù)據(jù)的處理及轉(zhuǎn)換為機(jī)器可識別的信號；

◆驅(qū)動設(shè)備：解讀PLC發(fā)送的脈沖信號，并將此信號放大，發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

◆執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行驅(qū)動設(shè)備發(fā)出的信號，帶動鏡陣轉(zhuǎn)動。

具體組成見圖5：

4.2 工作原理

采用Matlab編程軟件，利用光線追跡算法，對聚光場的聚光過程進(jìn)行建模，在計(jì)算建模時，將太陽形狀、遮擋陰影及余弦損失等的影響全部考慮進(jìn)去了，計(jì)算出了線性菲涅爾聚光器聚焦平面聚焦光斑能流密度分布的全年數(shù)據(jù)。并將這些經(jīng)過仿真驗(yàn)證過的數(shù)據(jù)，以配方的形式，輸入到觸摸屏或上位機(jī)中，并根據(jù)北京時間計(jì)算出真太陽時，將數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC（可編程控制器），PLC（可編程控制器）根據(jù)真太陽時及Matlab編程軟件計(jì)算所得數(shù)據(jù)，控制鏡場主動追蹤太陽，將光線實(shí)時反射到集熱器上。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)硬件設(shè)計(jì)

如圖6所示，本系統(tǒng)采用Smart700 HMI和s7-200PLC作為控制系統(tǒng)的主控制設(shè)備。通過HMI配方功能編制配方數(shù)據(jù)，并根據(jù)時間將每天的數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，還通過HMI制作實(shí)時運(yùn)行的反饋信號監(jiān)控畫面，來監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；PLC將HMI發(fā)送過來的數(shù)據(jù)存儲在V寄存器內(nèi)，并根據(jù)真太陽時計(jì)算公式，將北京時間轉(zhuǎn)換成真太陽時，再根據(jù)真太陽時來讀取存放在V寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，將V寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)發(fā)給驅(qū)動設(shè)備，具體轉(zhuǎn)化公式如下：

脈沖數(shù)=位移量×細(xì)分?jǐn)?shù)×360°/（步距角×減速比/絲杠螺距）

驅(qū)動設(shè)備（本系統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)備采用的是步進(jìn)驅(qū)動器HST884系列）將根據(jù)PLC發(fā)送的脈沖信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化放大，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（57系列步進(jìn)電機(jī)）轉(zhuǎn)動；再通過傳動裝置將直線位移轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)角位移，控制鏡陣聚光。

圖6 基于配方功能的硬件組成

(2)控制流程

根據(jù)所在地區(qū)的太陽升起和落下的時間，設(shè)定跟蹤系統(tǒng)的自動運(yùn)行和停止時間。系統(tǒng)啟動時，先進(jìn)行復(fù)位（定初始位置：零位），同時通過HMI向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)（有手動和自動兩種方式），復(fù)位完成后，并且PLC接收完一天運(yùn)行所需的全部數(shù)據(jù)后，啟動自動跟蹤；自動跟蹤時，會根據(jù)系統(tǒng)的開啟時間來判斷第一步的起始位置，然后會從這個起始位置開始跟蹤，接下來會每兩分鐘主動跟蹤一次，確保太陽光聚焦在集熱槽內(nèi)，具體運(yùn)行情況見圖4。當(dāng)?shù)竭_(dá)系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)置的停止時間時，系統(tǒng)完成一天的跟蹤，并進(jìn)行復(fù)位，為第二天運(yùn)行做準(zhǔn)備。具體流程見圖7。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

5 結(jié)語

太陽光自動跟蹤控制系統(tǒng)是太陽能光熱系統(tǒng)的控制核心，控制系統(tǒng)的精度直接影響太陽能光熱系統(tǒng)的效率，特別是線性菲尼爾太陽能光熱系統(tǒng)。

采用上述基于配方功能的控制策略可以有效的提高線性菲涅爾太陽能光熱系統(tǒng)的跟蹤精度和熱效率，為太陽能光熱系統(tǒng)的推廣和發(fā)展起到了很好的促進(jìn)作用，具有廣闊的應(yīng)用市場。

致謝：本研究得到國家工信廳2016年“綠色制造系統(tǒng)集成”項(xiàng)目、海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZDKJ2016010）的資金資助。

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