基于PLC的槽式聚光集热器跟踪系统的设计

皇明太阳能股份有限公司技术研发中心 ■ 赵彦堂 刘培先 崔正军 肖成珍 林超 张继磊

一 引言

随着人类素质不断的自我发展，人们对于能源危机和环境问题的认识日益清晰，不断通过各种途径寻找能源替代的途径。而太阳能作为一种最为清洁、丰富的能源，现阶段已经成为新能源研发的突破点。聚光类太阳能热发电在太阳能利用的研发中占有重要的一席之地。该系统通过聚焦太阳光汇聚热量，经换热系统将热量导出后带动发电机发电。聚光类太阳能热发电的形式种类繁多，因为技术成熟，可操作性强，槽式太阳能热发电在太阳能热发电行业中脱颖而出，逐渐受到国内外研发机构和太阳能公司的青睐，但因其太阳利用率低阻碍了大规模推广和商业化应用的道路。如何最大限度地提高太阳利用率成为了研究的关键，而追日跟踪系统则是解决这一问题的关键所在。提高追日跟踪系统的精度可极大地提高槽式反射镜场的聚光效率，进而提高槽式聚光集热器的太阳利用率[1]。

本文提出的基于PLC的槽式太阳能聚光集热器跟踪系统结合天文学公式(太阳位置公式)与高精度倾角传感器控制液压传动系统驱动槽式聚光集热器自动跟踪太阳。该系统具有跟踪精度高、控制方便等特点，为槽式太阳能热利用提供了有力的技术支持，提高了其市场竞争力。

二 控制系统设计

1 电气控制系统总体方案及硬件设计

控制系统采用的PLC，内置模拟输入输出模块，可直接接收模拟量信号，通信功能通过RS458完成本地控制器到远程监控计算机的监控通信，实现现场控制。为了操作人员监控及操作方便，本系统采用远程监控计算机进行人机对话，实现远程在线监控和及时处理系统异常。本系统中，远程计算机为监控机，PLC为下位机。系统具有倾角传感器现场数据采集、数据比对、定日跟踪、手/自动切换、系统正反转控制等功能。倾角传感器采用模拟量给定方式，PLC直接对模拟量进行MD转化并运算；数据比对通过设定在PLC程序中的天文学公式(太阳位置公式)进行运算，计算此时太阳的高度角、方位角，再由太阳位置与槽式集热器的物理位置根据几何关系计算此时槽式集热器的理论倾角值，将结果与PLC采集的倾角传感器的数据进行数值大小比较；将定日跟踪根据数据对比后的结果输出数字信号控制电磁阀的开闭来控制液压传动系统驱动槽式聚光集热器跟日转动；手/自动切换、系统正反转控制是通过设定在远程计算机内的外部变量与PLC实现数据交互完成。控制系统结构如图l所示。

图1 控制系统结构

控制系统的工作过程为：上电、数据采集、数据对比、液压缸电机启动、电磁阀1、3开/闭(电磁阀2、4闭/开)、液压缸左右臂伸/缩、集热器跟日转动。本系统通过控制电磁阀的开闭来控制液压缸的伸缩，以此控制槽式聚光集热器的正反转跟日转动。远程监控计算机通过手/动按钮可对系统进行手动或者自动控制。当手/自动按钮切换到自动状态时，系统自动跟踪太阳，此时正转、反转按钮不起作用；当切换到手动状态时，正转、反转按钮可控制系统的正反转。远程监控计算机通过RS485与PLC通信。远程监控计算机的操作界面如图2所示。

图2 远程监控计算机的操作界面

远程监控计算机可操控槽式集热器的启动，正、反转，原点返回，还可通过相对转角差及相对转角的数值输入对槽式集热器的运行状况进行调试及修正，方便了槽式集热器初始安装时的程序调试及运行后的数据修正。

2 控制系统软件设计

为了保证跟踪系统定日跟踪的精度，跟踪系统采用天文学公式(太阳位置公式)与倾角传感器相结合的控制方式。而计算太阳位置天文公式的精度是精度控制的关键精度因素之一。常用的太阳位置计算公式有：Cooper、Spencer、Walraven、Michalsky、Meeus以及我国气象科学院王柄忠研究员所提出的计算方法，本文选用的是王柄忠的计算方法[2]。

太阳高度角(h⊙)的计算公式为：

式中：δ为太阳赤纬角 ；¯为当地的地理纬度；τ为当时的太阳时角。

太阳方位角A的计算公式为

式中： h ⊙为太阳高度；δ为太阳赤纬角 ；¯为当地的地理纬度。当cosA≤0 时，90¡≤A ≤180¡；当cos A ≥0 时，0 ≤A ≤90¡。

倾角传感器采用高精度系列传感器。系统工作时，倾角传感器完成对槽式聚光集热器当前位置的检测，由本地控制器采集并与控制系统的计算参数相比较，以进行位置确定。

为了追日跟踪系统的操作方便及跟踪过程中的安全可靠，PLC追日跟踪系统的程序分为手动模式和自动模式。手动模式在系统初次调试及控制系统检修时使用，通过手动控制调整槽式聚光集热器至合理位置方便系统初始调试及系统检修。自动模式可实现槽式聚光集热器追日跟踪过程的自动化。本文设计的PLC控制的主程序包括自动程序和手动程序，结构图如图3所示。

在自动模式下，首先由PLC根据太阳位置的天文学公式计算出此时槽式聚光集热器应处的位置(角度值)，同时通过倾角传感器采集槽式聚光集热器此时的实际所处位置(角度值)，根据两者的差值与设定值比对的结果决定聚光集热器的正反转，使其跟日转动；当两者差值小于设定值时，槽式集热器停止转动。由此完成控制系统对槽式集热器的自动定日跟踪。

在手动模式下，可通过手动调节槽式聚光集热器的正反转，达到所需位置。

3 控制系统实际运行结果及测试数据分析

本文设计的太阳能槽式集热器跟踪系统安装于德州太阳谷，从安装至今系统运行良好，实物图如图4所示。

图3 主程序结构图

图4 槽式集热器跟踪系统运行实物图

为了得到跟踪系统的实际精度及其稳定性的依据，分别在2011年12月和2012年3月选取晴朗天气对跟踪系统进行了多次测量。用铝板代替真空管安装在槽式集热器的焦线处，根据照射在铝板上光斑的偏移量来计算跟踪系统的精度。光斑测试如图5所示。

图5 光斑测试

根据几何关系，跟踪系统精度采用式(3)计算：

其中：α为跟踪系统精度(集热器偏移角度)；d为光斑偏移量(光斑中心线到铝板中心线的距离)；D为集热器旋转轴到铝板中心线的距离。

测试数据为测试当日上午或者下午的平均精度，具体数据见表1。

表1 槽式集热器跟踪系统测试

由表1可以得出系统运行过程中，光斑的偏移量d始终保持在0.89～2.98mm范围内，跟踪系统精度α始终维持在0.05¡～0.1¡。国内槽式集热器的跟踪精度为0.1¡，由此可见本文设计的跟踪系统精度达到了国内先进水平，且稳定性良好，在同等产品中有较强的市场竞争力。

三 结论

本文针对槽式太阳能聚光集热器跟踪系统电气控制系统进行设计，并且经过槽式集热器的光斑测试，得出集热器跟踪精度≤0.1¡，达到了聚光集热器追日跟踪过程中高精度、良好稳定性的控制要求，并且跟踪过程实现远程监控，方便操作，为槽式太阳能热利用提供了有力的技术支持，提高了其市场竞争力。

[1]张顺心, 宋开峰, 范顺成. 基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究[J]. 河北工业大学学报, 2003, 32(6): 44－47.

[2]王炳忠. 第一讲太阳能中天文参数的计算[J]. 太阳能, 1999,(2):1－6.