槽式太陽能溫差發(fā)電裝置跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

梁秋艷 張曉玲 潘佳琦 牛國玲 張艷麗 姜永成

摘要：為提高太陽能發(fā)電裝置的太陽能利用率及輸出功率，以槽式太陽能溫差發(fā)電裝置為研究對象，設(shè)計一種以PLC為控制器，MCGS觸摸屏為組態(tài)界面的跟蹤控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過光照度傳感器反饋信息，步進電機控制聚光鏡，使得聚光鏡繞南北東西兩側(cè)旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的高度角和方位角，以此提高太陽能發(fā)電裝置的光電轉(zhuǎn)換效率。為驗證槽式太陽能溫差發(fā)電裝置跟蹤控制系統(tǒng)的可行性，對裝置的發(fā)電量進行測量，試驗結(jié)果表明：裝置連續(xù)10天給日光溫室負載供電，總發(fā)電時間為52.01 h，共發(fā)電2.74 kW·h，可滿足日光溫室育苗的日常用電。裝置結(jié)構(gòu)靈活，可通過增加串并混合連接溫差發(fā)電片的數(shù)目，進一步提高該裝置的發(fā)電量。

關(guān)鍵詞：槽式聚光；溫差發(fā)電；雙軸太陽能跟蹤；人機交互

中圖分類號：TM615

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0156-07

Abstract： In order to improve the solar energy utilization rate and output power of the solar power generation device， this paper takes the parabolic trough thermoelectric generation device as the research object， it proposes a new type of solar power generation device， which uses PLC as the controller and MCGS touch screen as the configuration interface. Through the feedback information of the illumination sensor， the step motor controls the concentrator， so that the condenser rotates around the north， south， east and west sides to track the suns height angle and azimuth angle， so as to improve the photoelectric conversion efficiency of the solar power generation device. In order to verify the feasibility of the tracking control system of the trough type solar thermal power generation device， the power generation capacity of the device was measured. The test results showed that the device supplied power to the load of the solar greenhouse for 10 consecutive days， the total power generation time was 52.01 h， and the total power generation was 2.74 kW·h， which could meet the daily power consumption of the solar greenhouse seedlings. The structure of the device is flexible， and the power generation of the device can be further improved by increasing the number of series parallel hybrid connected thermoelectric generators.

Keywords： solar parabolic trough concentration; thermoelectric generation; biaxial solar tracking; the humancomputer interaction

0引言

在工業(yè)革命背景下，由于過度開采化石能源，導(dǎo)致自然資源的嚴重浪費，面臨著能源利用率低的問題，同時化石能源燃燒產(chǎn)生有害氣體，加重環(huán)境污染和溫室效應(yīng)［13］。太陽能發(fā)電的原理是將光能轉(zhuǎn)換成電能，與常規(guī)能源相比，太陽能作為清潔可再生能源，具有儲量大、污染少、維護成本低等優(yōu)點，充分地開發(fā)利用新能源，可有效地緩解當下能源緊缺的問題，適合大規(guī)模發(fā)電，提高發(fā)電效率，達到節(jié)能減排目的［45］。太陽能光熱發(fā)電主要分為塔式、槽式、碟式、線性菲涅爾式四種，相比較而言，槽式發(fā)電技術(shù)是目前最為成熟的聚光太陽能技術(shù)，具有較為廣闊的應(yīng)用前景，提高太陽能的發(fā)電效率具有十分重要的意義［6］。

目前國內(nèi)學者對于太陽光線跟蹤技術(shù)研究，主要分為主動跟蹤和被動跟蹤兩種方式，其中主動跟蹤方式主要以掌握的天文知識為理論依據(jù)，搭建數(shù)學模型，將其運算結(jié)果傳到控制器的方式對太陽位置判定，而被動跟蹤方式通過光照傳感器、步進電機組成的單軸或者雙軸的追日裝置，得到采集數(shù)據(jù)分析判定太陽所處的位置。

王革等［7］研制多曲面聚光器，其內(nèi)部由6段聚光面組成，采用大型全玻璃真空管集熱，經(jīng)反射面反射吸收太陽光，大大地提升了聚光效率。何宇［8］通過光感傳感器，收集到來自光傳感元件反饋的信息，利用連桿傳動裝置控制太陽能電池板，以此判斷太陽的方位角，實現(xiàn)對太陽的自動跟蹤。陳澤［9］采用視日運動軌跡跟蹤方式，通過MATLAB軟件建模，計算當日太陽的位置角度，使得光電轉(zhuǎn)化率提高。王哲等［10］以51型單片機作為主控制器，四周放置光敏電阻感應(yīng)光強變化，采用單軸反饋控制步進電機，向光照較強的方向轉(zhuǎn)動，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，具有很好的應(yīng)用價值。王金平等［11］采用光電傳感器和視日運動軌跡相結(jié)合的閉環(huán)控制策略，驅(qū)動槽式聚光器單軸跟蹤太陽角度變化，提高太陽跟蹤精度。張曉軍等［12］使用GPS模塊測量經(jīng)緯度和時間，并計算出跟蹤角度，結(jié)合傾角傳感器實現(xiàn)單軸追蹤，并通過無線模塊在云平臺上遠程監(jiān)測。余佳煥等［13］設(shè)計一種雙軸跟蹤裝置，包括以蝸輪和螺旋升降機的絲桿為目標執(zhí)行件，通過全站儀裝置驅(qū)動，對目標棱鏡進行太陽高度角和方位角的跟蹤測量，獲得不同時刻棱鏡位置，大幅提高了系統(tǒng)的太陽能利用率。趙惠等［14］利用4個光電傳感器構(gòu)成正交測光傳感器模塊，實時檢測電池板與入射光線的方位角和高度角偏差，將運算結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C，發(fā)送輸出信號驅(qū)動雙軸跟蹤傳動裝置，使電池板始終保持和光線垂直的位置。董必文［15］以PLC為控制部件，采用伺服控制系統(tǒng)中的多段速控制系統(tǒng)方式和PTO脈沖控制方式控制旋轉(zhuǎn)臺跟蹤太陽的高度角和方位角，使用觸摸屏遠程監(jiān)控系統(tǒng)。關(guān)華強［16］以Arduino作為控制系統(tǒng)核心，結(jié)合模糊PID算法控制伺服電機，能夠?qū)崟r跟蹤太陽光照偏移情況，從而更大程度獲取光照能量。張智博［17］考慮到外界環(huán)境的干擾，使用風速傳感器模塊實時測量當前的風速大小，以便太陽能跟蹤系統(tǒng)提前進入保護狀態(tài)。朱正林等［18］考慮多云狀態(tài)下太陽輻照度較低情況，提出模糊推理方法，對視日軌跡跟蹤方式進行改進，通過對輸入變量太陽輻照變化度的模糊化、制定模糊推理規(guī)則、去模糊化等處理過程構(gòu)建隸屬函數(shù)，得到系統(tǒng)出口氣溫為輸出值，控制當前系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

本文通過設(shè)計一種由集熱裝置、水冷裝置、傳動裝置構(gòu)成的溫差發(fā)電裝置，并結(jié)合雙軸跟蹤的優(yōu)勢，進一步地搭建該裝置跟蹤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以下位機PLC為控制器，上位機MCGS觸摸屏為組態(tài)界面，其中PLC根據(jù)光照度傳感器采集數(shù)據(jù)，控制東西方向、南北方向步進電機，帶動傳動裝置做俯仰和東西運動，以便實時調(diào)節(jié)聚光鏡的高度角和方位角，而MCGS觸摸屏界面包括手動模式、自動模式以及數(shù)據(jù)顯示界面設(shè)計，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的人機交互。

1溫差發(fā)電裝置總體設(shè)計

1.1溫差發(fā)電原理

如圖1所示為溫差發(fā)電原理，將P型與N型的半導(dǎo)體組成的熱電器件構(gòu)成熱電偶，通過聚光器形成的焦平面，接收太陽光輻射形成熱源，另一端加入冷源，處于高溫狀態(tài)中的熱源，在熱激發(fā)作用下，空穴和電子濃度向冷端進行擴散，從而形成電勢差，達到為負載RL供電的目的［19］。

1.2溫差發(fā)電裝置組成

溫差發(fā)電裝置（圖2）主要包括集熱裝置、水冷裝置、傳動裝置，其中集熱裝置主要由槽式拋物面反射聚光鏡、熱管、TEG（多個溫差發(fā)電片構(gòu)成）、集熱體組成，水冷裝置主要包括進水口、水箱、出水口組成，轉(zhuǎn)動裝置主要包括托架、轉(zhuǎn)軸、步進電機。

如圖3所示，槽式拋物面反射聚光呈橢球形的焦斑區(qū)域，太陽光以32°的張角垂直入射到拋物鏡面邊緣M點處，此時焦斑寬度W最大，以同樣的角度匯聚到焦點A處，拋物面鏡中心點O與其構(gòu)成的垂直距離為焦距f，焦距f決定太陽光成像的大小，經(jīng)過多次鏡面的反射，光線會充滿整個區(qū)域。

拋物面聚光器的聚光比C主要取決于相對光孔，并與接收器的形狀有關(guān)，聚光器開口寬度即為光孔b，其大小決定了聚光器的輸入［20］。本裝置的拋物面反射鏡光孔b為900 mm，長方形集熱體作為接收器，集熱體寬度D為60 mm，假設(shè)聚光器是理想的反射鏡面，接收器的截面積遠遠小于聚光器的光孔，對于平面接收器，聚光計算如式（2）所示。

如圖4所示，熱管由熱管管芯和吸液芯兩部分組成，工作時屬于被動傳熱，無需外力作用，從蒸發(fā)段進行熱量輸入，熱流穿過熱管內(nèi)壁傳遞至熱管管芯，將受熱的流體工質(zhì)變?yōu)檎羝?jīng)由絕熱段中的蒸汽在壓力差的作用下，向著壓力較低一側(cè)運動，最后傳遞到冷凝段，水蒸汽遇冷則凝聚成液態(tài)進行熱量輸出，利用吸液芯中的毛細作用凝結(jié)成流體介質(zhì)驅(qū)使至蒸發(fā)段部分，循環(huán)往復(fù)完成相變傳熱過程。

單個溫差發(fā)電模塊的輸出電壓是有限的，即使在80 ℃的溫差推動下，其開路電壓在3.2 V左右，多個溫差發(fā)電模塊采用串聯(lián)方式增大輸出電壓，而各個模塊之間則采用并聯(lián)的方式增大輸出電流［21］。為了達到溫差發(fā)電模塊實際應(yīng)用的目的，兼有上述二者連接的優(yōu)點，本裝置選用多個TEC1-12706型半導(dǎo)體溫差發(fā)電片采用串并混合方式進行連接，效果如圖5所示。

2溫差發(fā)電裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1.1下位機主控制器設(shè)計

主控制器的設(shè)計流程如圖6所示。

PC端安裝USB轉(zhuǎn)RS-485驅(qū)動，在設(shè)備管理器下查看驅(qū)動連接的COM口號，通過廠家傳感器自帶的參數(shù)調(diào)試工具配置站號、波特率等信息，檢查傳感器是否正常讀取周圍環(huán)境數(shù)值，完成傳感器調(diào)試操作。在臺達PLC的編譯環(huán)境WPLSoft2.51下，采用梯形圖編寫的方式配置通訊協(xié)議，結(jié)合串口通訊傳輸速度快、抗干擾性強等優(yōu)點，使得傳感器更好地采集數(shù)據(jù)。根據(jù)太陽光照射的實際情況，控制東西方向、南北方向步進電機，帶動傳動裝置做俯仰和東西運動，以便實時調(diào)節(jié)聚光鏡的高度角和方位角。

2.1.2上位機組態(tài)界面設(shè)計

上位機組態(tài)選用MCGS觸摸屏，組態(tài)界面（圖7）設(shè)計包括設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫，其中用戶窗口包括自動模式、手動模式、數(shù)據(jù)顯示。設(shè)備窗口作為觸摸屏與外部設(shè)備進行聯(lián)系的媒介，拖拽工具箱中的設(shè)備構(gòu)件，通過實時數(shù)據(jù)庫連接的變量與PLC的輸入以及輸出一一對應(yīng)，實現(xiàn)觸摸屏和PLC之間的數(shù)據(jù)通訊，在自動模式下采集數(shù)據(jù)，手動模式主要調(diào)整兩路步進電機的啟停，最終采集數(shù)據(jù)以輸出框形式顯示出來。

2.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)的控制思路如圖8所示。

下位機主控制器采用臺達DVP16EC型PLC，控制三線制AS-20型光控開關(guān)元件，根據(jù)太陽光線信息，判斷白天或者黑夜狀態(tài)，決定控制系統(tǒng)的啟停，4個RS-485型光照度傳感器安裝在聚光鏡的上下左右對稱位置，實時采集光照強度信息，通過TB6600型步進電機驅(qū)動器驅(qū)動57型步進電機，控制脈沖的個數(shù)確定步進電機的速度，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，使得聚光鏡繞南北東西兩側(cè)旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的高度角和方位角。

2.2.2主控制器I/O表設(shè)計

PLC作為下位機主控制器，具有可靠性、響應(yīng)快等優(yōu)勢，集邏輯運算、編程存儲、順序控制于一體，是溫差發(fā)電裝置跟蹤控制系統(tǒng)的核心控制器件。系統(tǒng)動作的輸入信號采用按鈕、限位開關(guān)、光控制開關(guān)采用24V直流供電，與PLC輸入端口連接。系統(tǒng)動作的輸出信號主要是對設(shè)備實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)字運算以及數(shù)據(jù)采集等功能。溫差發(fā)電裝置控制系統(tǒng)為了滿足實際控制要求，系統(tǒng)共需要5個輸入和5個輸出等主要端點，系統(tǒng)的PLC輸入輸出端口分配如表1和表2所示。

2.2.3控制系統(tǒng)的電氣原理圖設(shè)計

結(jié)合485通訊協(xié)議，四個光照度傳感器與PLC進行數(shù)據(jù)傳輸，實時采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲到PLC中，通過控制器內(nèi)部程序設(shè)置的比較指令，發(fā)送控制信號給步進電機驅(qū)動器。如圖9所示，步進電機驅(qū)動器中的PUL-和DIR-控制步進電機的速度和方向，從而達到控制執(zhí)行元件步進電機目的。步進電機與減速傳動機構(gòu)通過聯(lián)軸器相連，帶動聚光鏡跟蹤東西、南北兩個方向跟蹤太陽。

2.3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.3.1控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)程序設(shè)計

在WPLSoft2.51軟件編寫PLC程序如圖10所示，通訊模式設(shè)置為ASCII，數(shù)據(jù)長為7，校驗位為偶校驗，停止位為1位，波特率為9 600，1號、2號傳感器采集太陽高度角，3號、4號傳感器采集太陽方位角，光照傳感器與PLC結(jié)合RS-485通訊協(xié)議，完成控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

2.3.2控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)程序設(shè)計

控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的梯形圖程序如圖11所示。

通過光電開關(guān)通斷對白晝或者黑夜進行判斷，當光電開關(guān)處于斷路狀態(tài)，即PLC采集不到信號時，裝置處于白晝狀態(tài)，分別對1號、2號傳感器采集數(shù)據(jù)大小進行比較，差值相差較大時南北方向步進電機轉(zhuǎn)動，帶動聚光鏡俯仰方向運動跟蹤太陽高度角數(shù)值的變化，差值相差不大或者大小相等時，步進電機不動，同理3號、4號傳感器采集是太陽方位角數(shù)值的變化，帶動聚光鏡東西方向運動。當裝置處于黑夜狀態(tài)，行程開關(guān)閉合，兩方向的步進電機不工作。

2.3.3控制系統(tǒng)組態(tài)界面設(shè)計

為了能夠?qū)崟r監(jiān)控槽式太陽能發(fā)電裝置跟蹤控制系統(tǒng)的運行情況，采用MCGS觸摸屏TPC7062Ti，如圖12所示，主界面包括手動模式、自動模式以及數(shù)據(jù)顯示，完成了上位機MCGS與PLC的數(shù)據(jù)傳輸。

3試驗結(jié)果分析

3.1試驗環(huán)境

為了驗證槽式太陽能溫差發(fā)電裝置跟蹤控制系統(tǒng)的可行性，搭建試驗平臺，對裝置的性能進行測試。跟蹤控制系統(tǒng)通過光電開關(guān)通斷對白晝或者黑夜進行判斷，當判斷為白晝狀態(tài)時滿足槽式太陽能溫差發(fā)電的自然條件，裝置開始工作，測量太陽輻射強度、集熱體表面、TEG熱端溫度、裝置輸出功率等關(guān)鍵參數(shù)。

3.2試驗方法

太陽輻射儀測量太陽輻射強度，T1～T3段熱電偶測量集熱體表面溫度，T4～T5段熱電偶放置集熱體背面，測量TEG熱端溫度，T6～T8段熱電偶放置熱管蒸發(fā)段，用于測量冷端溫度，冷卻水箱進口管道內(nèi)布置T9～T11段熱電偶，測量進口水溫度，連接冷卻水的管道上放置轉(zhuǎn)子流量計，測量冷卻水的流量。

3.3試驗數(shù)據(jù)分析

3.3.1太陽跟蹤效果分析

太陽跟蹤效果主要由輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率來評價，太陽跟蹤控制系統(tǒng)控制聚光鏡跟隨太陽轉(zhuǎn)動后，裝置輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率隨時間變化曲線如圖13所示。

從圖13可以看出，隨著時間的變化，太陽的軌跡發(fā)生變化，裝置輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率均是先增大后減小，與太陽輻照度變化趨勢一致。試驗過程中，TEG熱電轉(zhuǎn)換效率在1.1%～4.3%之間變化，轉(zhuǎn)化效率最大值發(fā)生在13 h左右。同時，在13 h左右該裝置最大輸出功率為58.6 W，試驗6 h內(nèi)平均輸出功率為56.7 W，發(fā)電量為340.2 W·h，與同類裝置相比［2223］，跟蹤效果明顯。

3.3.2連續(xù)發(fā)電試驗分析

裝置可用于冬季日光溫室中為茄子育苗供電，結(jié)合LED光源在植物補光育苗中的優(yōu)勢，選用藍光和紅光混合的育苗專用燈，功率為9 W，每日開燈時間為10 h左右，111個小時消耗1 kW·h電量［24］。連續(xù)10天內(nèi)直接供負載用電，試驗結(jié)果如表3所示，裝置10天內(nèi)總發(fā)電時間為52.01 h，共發(fā)電2.74 kW·h，可滿足育苗溫室中正常用電需求。若存在用電需求過高的情況，可采用串并聯(lián)混合的連接方式，增加溫差發(fā)電片數(shù)目，以此提高該裝置發(fā)電量。

4結(jié)論

本文針對太陽能溫差發(fā)電過程面臨的發(fā)電效率低、聚光差的問題，提出了一種基于PLC的太陽能追蹤方法，主要結(jié)論如下。

1） 該槽式太陽能溫差發(fā)電裝置，采用PLC作為控制器，觸摸屏作為人機交互界面，能夠完成太陽能跟蹤作業(yè)，通過光照度傳感器檢測太陽光的變化輸出電信號，步進電機控制聚光器，實現(xiàn)水平和垂直兩個方向分別對高度角和方位角追蹤，以此提高太陽能發(fā)電裝置的聚光效率。

2） 太陽跟蹤效果試驗表明，隨著時間的變化，太陽的軌跡發(fā)生變化，裝置輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率均是先增大后減小，與太陽輻照度變化趨勢一致。試驗6 h內(nèi)裝置平均輸出功率為56.7 W，發(fā)電量為340.2 W·h，與同類裝置相比，跟蹤效果明顯。

3） 為驗證槽式太陽能溫差發(fā)電裝置跟蹤控制系統(tǒng)的可行性，對裝置進行連續(xù)性能測試，試驗結(jié)果表明，裝置在連續(xù)10天內(nèi)直接供育苗燈用電，總發(fā)電時間為52.01 h，共發(fā)電2.74 kW·h，滿足日光溫室育苗正常用電需求。

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