碟式太阳能聚光器跟踪系统研究(下)

湖南科技大学 湖南省机械设备健康维护省重点实验室 ■ 彭长清 彭佑多 谢伟华 尹喜 黄军卫

开、闭环相结合的混合控制结构结合了开、闭环的优点，克服了两者的缺点，能得到最佳的控制效果。在一般无云的情况下使用闭环的传感器跟踪，但当云遮挡太阳时，立即变为开环跟踪，直到云过后再重新使用闭环跟踪。郭铁铮等人[38]利用DSP2812控制器和复合控制算法，采用开、闭环相结合的混合控制方式，研制了一种跟踪精度高、控制算法准确的用于塔式热发电站中定日镜跟踪的新型跟踪控制系统。许守平等人[26]利用四象限探测器作为太阳位置传感器的灵敏元件，同时采用成本比较低的单片机驱动步进电机控制整个系统，设计了开、闭环相结合的混合跟踪控制装置。此装置不但可控制整个系统的造价成本，同时还能减少不必要的跟踪误差，在最大限度之内修正跟踪误差，从而提高系统的跟踪精度。

虽然以程控为主，采用传感器瞬时测量值作为反馈的开、闭环控制相结合的混合方式，在任何气候条件下都能得到稳定而可靠的跟踪控制，但由于成本和可靠性等问题，一直未被规模化正式使用。目前，在太阳能热发电系统中，国内外大多采用开、闭环的混合跟踪来完成对太阳的跟踪。这种混合方式是太阳能聚光器跟踪控制系统的发展趋势，应对其作进一步的研究。

2 主动、被动及其混合跟踪控制结构

根据控制部件中控制信号产生的方式，太阳跟踪系统也可分为主动、被动和混合跟踪控制结构。

主动控制结构是将来自控制部件内预先存储的当地经、纬度和太阳运行轨迹参数等控制信号去控制跟踪系统运转。主动跟踪虽能提高太阳能利用率，但结构复杂，成本比被动跟踪要高。刘四洋等人[39]研制了一种可根据任何地点的经、纬度等参数，并结合当地时间自动控制太阳光伏阵列的主动式双轴太阳跟踪控制器。此跟踪控制器在西藏羊八井国家可再生能源实验基地的实地运行中表现出了良好的性能，与固定式跟踪相比，发电量提高了30%以上。王涛[40]利用主动式跟踪，即预先计算好对应于某时刻的太阳位置，通过光电传感器感受该太阳位置的光照，反馈回电信号，单片机根据该信号调用子程序发出脉冲对步进电动机的转动角度和方向进行控制，使跟踪装置始终处于垂直于光照方向，达到了最大限度的能量接收。张晓霞等人[41]设计的碟式聚光主动式双轴跟踪器采用AT89C51单片机作为控制芯片，通过程序计算出聚光器所处地理位置，从而计算出聚光器需要转动的角度，然后控制高度角和方位角的步进电机，驱动聚光器转动相应的角度来跟踪太阳，系统精度达到0.1¡。Abdallah等人[42]开发了一种新的基于PLC控制的主动式单轴跟踪系统，结果表明跟踪式系统获得能量比固定式高出22%。在主动式单轴跟踪的基础上Abdallah还设计了一种主动式双轴跟踪系统，与固定倾斜式相比其发电量高出41.34%。

被动控制结构是利用光敏传感器接收太阳光信号控制跟踪系统运转。被动跟踪思路简单，控制器设计容易，但一般的光敏器件都具有较宽的感光角度，由于阳光的散射，被动跟踪对太阳光角度的偏离并不敏感。Kalogirou[43]设计了一种基于三个光敏电阻探测太阳位置的被动单轴式跟踪系统。三个光敏电阻用来探测光线是否垂直入射，天空的云量以及是白天还是夜间，探测结果的信号反馈到控制系统，系统控制电机通过减速箱转动调整跟踪器。跟踪的精度取决于太阳辐射强度，当辐射强度为100 W/m2和600 W/m2时，跟踪精度分别为0.2¡和0.05¡。Lynch[44]设计了基于两个光电传感器，跟踪精度为0.1¡的被动式双轴跟踪系统，一个传感器安装在跟踪面上，另一个固定在朝南的方向。郭忠文[45]设计了由两台电动机与减速机构组成的被动双轴式跟踪器。跟踪系统的光电传感器与太阳能板垂直安装，通过信号偏差调节使光线垂直照射，方位角和高度角的跟踪精度分别为0.5¡和1.0¡。刘振起[46]设计的跟踪精度为0.35¡的被动式双轴跟踪器，其高度角和方位角的跟踪分别用两个光电二极管进行信号调节。当太阳光偏离垂直方向时，两个光电二极管接收的光照度会出现差值信号，该信号经放大处理后送入控制器进行调整直到达到跟踪目的。Khalifa等人[47]设计了一种基于光强比较法的被动式双轴跟踪系统，该系统采用的抛物面聚焦跟踪方式比固定式可多获得75%的能量。陈敏等人[48]以ARM技术为核心，通过嵌人式操作系统UC/OS-II的多任务操作，实现对太阳的主动式有效跟踪，最终提高发电效率。

混合控制结构是将主、被动结合在一起的跟踪控制系统。混合跟踪结合了两者的优点并克服了两者的缺点，主动和被动跟踪交替控制的混合跟踪能够得到最佳的控制效果，但系统的成本较高。吕文华等人[49]设计了一种根据太阳光照强度变化情况使主动与被动跟踪交替使用的混合式跟踪器。当太阳辐照度较弱时，系统自行切换到太阳运行轨迹跟踪方式，以便实现更高精度的太阳跟踪。Rubio等人[50]设计了一种混合式跟踪系统，主动跟踪是通过电脑计算高度角和方位角进行跟踪，被动跟踪是通过采用传感器进行跟踪反馈。通过一些对比试验可得出采用混合式跟踪比采用单一的主动式跟踪可多获得55%电能。Bakos[51]设计了一种混合式双轴跟踪系统，该系统与Rubio等设计的混合跟踪系统相似。测得的实验数据显示，双轴式比固定倾斜式多发电46.46%，混合跟踪与单一的传感器被动式跟踪相比发电量明显增加。可见，采用混合跟踪可有效改善发电效率。

3 光电式和机械式跟踪控制结构

光电式为被动跟踪，受环境影响较大，尤其在多云或阴雨天。目前，国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器，光电跟踪的光感元器件可以是光电池、CMOS 器件、光电二极管等，其后续信号处理单元通常是单片机或PLC等控制器。

机械式为主动跟踪，其原理是通过程序计算出太阳位置，控制步进电机跟踪太阳。目前国内大多数采用机械式的方式[52]。但这种跟踪方式会存在累积误差，主要原因是采用的太阳位置坐标模型不够精确，由于是开环控制，机械结构变形及电机在执行过程中产生的误差难以消除，跟踪的精度随运行时间的增加而降低。

目前我国国内的跟踪器基本有纯机械式的和机电一体化的跟踪器两大类[53]。根据跟踪维数机械式有机械式单轴和机械式双轴跟踪控制结构。机械式单轴跟踪是将固定在极轴上的太阳能集热器以15¡/h 的地球自转角速度转动来跟踪太阳。该方法控制简单，但安装调整困难，初始角度很难确定和调节，受季节等因素影响较大，控制精度较差。机械式双轴跟踪主要是通过电机带动跟踪系统以15¡/h的恒速绕日轴转动，以每天15'的恒速绕季轴转动，从而使太阳能集热器全年与入射阳光相垂直，达到跟踪太阳的目的。主要优点是结构简单，便于制造，且控制系统也十分简单，由于太阳高度角随季节的变化是不均匀的，因而跟踪精度较低。此外机构采用串联结构，刚度难以保证，且运动空间比较小。

在众多跟踪器中，纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低。跟踪的目的在于提高能量密度，如果精度低，跟踪效率低，还额外提高了成本，在设备中添加跟踪器就失去了原来的意义。所以，精度相对较高的光敏电阻控制的光电式跟踪器与机械式跟踪器相比在跟踪精度上具有一定的优势，但同时也存在很多值得改进的问题。

4 单轴和双轴跟踪控制结构

根据机械执行机构的维数太阳跟踪系统可分为单轴(一维)和双轴(二维)跟踪控制结构。

单轴跟踪控制结构有三种方式：①焦线南北向倾斜布置，东西向进行方位角跟踪；②焦线南北向水平布置，东西向进行方位角跟踪；③焦线东西向水平布置，南北向进行高度角跟踪。单轴结构的优点是机构简单，能耗和故障率较少。但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想，且存在着跟踪精度不高、误差累积、绕线等一些问题。在太阳跟踪方面，单轴结构初期投资相对较少，跟踪设备结构简单。目前，单轴跟踪装置在国外的太阳能热发电系统中主要应用于槽式集热系统[54]。美国的Blackace在1997年研制了单轴跟踪器，完成东西方向的自动跟踪，但南北方向通过手动调节，接收器的热接收率提高了15%[55]。

太阳是以两个坐标方向运动的，为了完成精确跟踪，必须使用两个电机在两个方向上同时动作，即双轴跟踪控制结构。双轴结构有极轴式和高度角－方位角式跟踪控制结构。双轴结构能够最大效率地利用太阳辐射能量，自动化程度高，但同时有控制复杂、成本高、耗电量大、系统维护费用高等缺点。双轴跟踪装置可应用于槽式集热系统来提高其运行效率，但在国外的太阳热发电系统中，主要用于塔式和碟式集热系统[56,57]。目前，光控或程控的双轴跟踪控制结构被普遍采用。在美国加州建造的发电功率约为300～600MW的太阳能斯特林电厂中，所有太阳能集热器都采用双轴跟踪控制结构。在有些太阳能设备中，如点聚焦式接收装置，则只能采用双轴结构。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的菲涅耳透镜，这样可使小块的太阳能面板收集更多的能量，使热接收率进一步提高[58]。

很多学者对固定式、单轴、双轴跟踪控制结构做了对比分析研究。Nevile[59]通过理论计算对比了分别采用双轴跟踪、单轴东西跟踪和不跟踪的三套控制结构所获得的热接收量，发现采用双轴跟踪比采用单轴东西跟踪和不跟踪所获得的热接收量分别高5.10%和50%。Khalifa[60]通过实验研究了双轴跟踪对复合抛物面聚光器的影响，结果表明：采用跟踪结构比不采用跟踪结构，系统的热接收量高75%。Abdallah[61]研究了采用不同的跟踪方式对FPPT系统的影响，分别采用双轴跟踪、单轴东西跟踪和单轴南北跟踪比固定放置的电池板收集到的能量高43.87%、37.53%和15.69%。

综上可知，单轴跟踪系统比固定安装的系统得到的太阳辐射利用率高；双轴跟踪系统能够最大效率地利用太阳辐射能量。但单轴跟踪系统的成本和耗电量都很低，后期维护方便；双轴跟踪系统成本高、耗电量大、系统维护费用高。

四 碟式太阳能聚光器跟踪系统的研究关键

太阳跟踪系统是太阳能热发电系统的关键，要开发出具有跟踪范围广、精度高、价格低廉、结构简单、能连续对太阳跟踪等特点的碟式太阳能跟踪系统，还需开展如下方面的研究。

1 太阳跟踪系统控制方式的改进和创新

由于现有太阳跟踪系统存在精度不高、适应性不强、成本高等一系列问题，而跟踪太阳又需根据实际情况不断改进和创新跟踪方式。当太阳辐照度低时可选择程控方式，在晴天多、阳光强的地区可选择光控方式，在天气情况复杂的区域最好采用混合跟踪控制方式。目前，对太阳跟踪系统中光控和程控的混合跟踪的实现还需要进行大量研究。碟式太阳能中光控+时控+GPS控制方式更是在太阳跟踪系统研究领域的一个尝试，应用前景广阔，是未来太阳跟踪控制技术研究的一种新的探索思路，是未来太阳跟踪系统发展的主流趋势。但是，现在光控+时控+GPS控制方式还不够成熟，研究显著迫切。

2 太阳跟踪系统控制结构的发展与研究

主动跟踪依赖于数据存储技术和控制器的发展以及器件成本的降低，光电式和被动式跟踪控制结构依赖于光电传感器精度的提高和制造成本的降低。开环结构结构简单、成本低，但存在累积误差，跟踪精度低；闭环结构跟踪精度高，但受环境影响大，基于此一般选择开、闭环相结合的混合控制结构。由于碟式太阳能热发电系统精度要求高，不可选择单轴结构，自动化程度要求较高，通常选用双轴混合式跟踪系统，而对这种控制系统的研究还有待深入，这也使得全自动、高精度聚光式双轴混合跟踪系统将成为研究热点。

3 提高太阳位置光电传感器的跟踪范围、跟踪精度、抗干扰能力

光电传感器作为光控的核心部件，其可达到的精度直接影响跟踪系统的跟踪精度，而其跟踪精度的高低是直接影响太阳能热发电系统发电效率的关键因素之一。而目前反应速度快、精度高的光电传感器造价高，跟踪系统成本的控制依赖于低成本、高性能的光电传感器的研制和开发。决定传感器性能的因素包括可感应范围、跟踪精度、抗干扰能力等。一般传感器在保证高精度情况下往往忽略了跟踪范围，导致传感器经常出现因跟踪范围小而搜索不到太阳的情况。而一些改进技术，如两级传感器光电跟踪虽然提高了跟踪范围，但是跟踪精度仍不能令人满意。所以，保证光电传感器在跟踪范围、跟踪精度等方面同时满足要求成为影响光电跟踪技术发展的瓶颈。如何设计一个既能准确反应太阳位置又能克服干扰的太阳位置光电传感器就成为一个关键。比如光敏电阻光强比较法虽然电路比较简单，但光敏电阻的个性差异(光敏电阻阻值、圆筒的长度)及时间长老化等原因，导致控制准确度不够。对光敏电阻的结构设置进行改进优化是改进光敏电阻光强比较法的研究关键之一。虽然近年来有人提出以图像传感器代替光电传感器(光敏电阻)的图像处理跟踪方法对太阳的定位准确度较高，也提高了跟踪精度，但增加了硬件。在图像处理跟踪方法的研究过程中，比如可选用高分辨率的图像传感器来进一步提高太阳的定位精度，在这个方面也值得做些研究。

总之，跟踪太阳是提高碟式太阳能热发电利用率的有效手段。对于太阳自动跟踪技术，人们已经做了许多研究，很多专利和文章介绍了利用各种类型传感器设计的跟踪控制方案，设计各种机械执行结构来实现提高太阳能跟踪装置精度的目的。虽然太阳跟踪系统的精度是直接影响设备利用太阳能效率的核心问题，但同时还存在跟踪系统的自身能耗过大等其他造成太阳能热发电不经济的问题，现有报道很少涉及由跟踪系统而附加的电力消耗。另外，跟踪系统的稳定性还跟控制系统的软硬件情况有关，硬件系统本身的稳定性以及软件控制策略都能影响整个系统跟踪过程中的稳定性。在太阳能跟踪系统应用中跟踪精度、系统成本、耗电量和后期维护费用等因素应综合考虑，所以在太阳跟踪系统研究领域还存在很多值得深入研究的问题，相关方面的研究工作需予以特别关注。

五 总结与展望

目前碟式太阳能发电相对于其他比较成熟的可再生能源利用技术还不具备竞争力，但其改进的潜力和降低成本的空间还很大。太阳跟踪装置作为核心设备，提高其稳定性和跟踪精度及降低其成本是今后碟式太阳能热发电技术研究的重要课题之一。全自动跟踪控制系统的控制策略作为关键，至关重要。程控依赖于控制器件的发展以及成本的降低，光控依赖于光敏传感器和图像传感器精度的提高和制造成本的降低，混合控制依赖于新组合思路和新技术的引入等。作为太阳能跟踪技术的研究人员应经常关注太阳跟踪相关领域的发展动态，及时汲取新科技发展成果，并将它们应用到太阳能跟踪技术中，为碟式太阳能热发电的开发和应用作出贡献。希望有更多的人参与到这项研究中来，共同开发出性能好、精度高、成本低的太阳自动跟踪装置。

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