槽式太阳能集热器自动跟踪聚焦方法

张玉霞，任丽琴（中广核太阳能开发有限公司，北京 100048）

槽式太阳能集热器自动跟踪聚焦方法

张玉霞，任丽琴
（中广核太阳能开发有限公司，北京 100048）

本文在分析太阳运行规律的基础上，提出了一种槽式集热器自动跟踪太阳光的方案。描述了槽式聚光器自动跟踪装置的具体结构和工作原理，推导了跟踪角度的计算公式并且阐明了控制系统的软硬件原理。实验结果表明，本文提出的方法跟踪精度高，整个系统结构简单、运行可靠。

槽式集热器；液压驱动跟踪装置；太阳法线跟踪角；自动控制

0　引言

随着地球人口增长、环境恶化，开发和利用清洁能源已被广泛关注。其中太阳能所具有的低密度、间歇性、空间分布不断变化的特点也给太阳热能的收集和利用提出了很高的要求。采用太阳热能进行大规模集中式发电，不仅将对我国电力的可持续发展和改变以煤为主的发电结构发挥重大作用，也是电力工业实现可持续发展的重要能源基础。

国外对太阳能的利用研究起步早于我国将近20多年，且20世纪初时已开始应用于工业。以色列鲁兹公司是槽式太阳能热发电技术应用的典范，在1985～1991年间，美国在南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量354MW，年发电总量10.8亿度，发出的电力可供50万人使用。经过一些发达国家的持续研究，目前已开发出多种形式的太阳能热发电系统，按集热器类型的不同，聚光式太阳能热发电系统（STPGS，Solar Thermal Power Generation System）可分为槽式系统、塔式系统和碟式系统3大类[1-2]。

槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统，在太阳能热发电领域中，涉及槽式太阳能热发电中的关键技术是聚光集热装置，其中聚光镜片、跟踪驱动装置、线聚焦集热管是实现槽式太阳能顺利发电的三项核心技术。为有效利用太阳能，除了要保证聚光镜片及集热管等相关设备的性能参数外，提高太阳能能流密度也是重要途径之一，经研究采用聚焦、跟踪技术能有效地提高太阳能能流密度。（能流密度是在一定空间范围内，单位面积所能取得的或单位重量能源所能产生的某种能源的能量或功率，是评价能源的主要指标之一。）因此，本文针对聚焦跟踪技术设计出一种利用液压系统驱动集热器跟踪太阳的装置，以提高太阳能能流密度[3-5]。

1　集热器自动跟踪装置结构及工作原理

整个装置包括槽式集热器、集热管、液压驱动跟踪装置、驱动控制器四部分，装置结构如图1所示。

槽式聚光器将投射来的太阳光聚焦到集热管上，集热管将此热量传递给导热介质，装置3、4、5、6、7用于跟踪太阳，以保证集热器的反射光线始终聚焦于集热管上。

系统控制原理[6-7]是采用闭环反馈控制原理：首先通过天文公式计算出太阳在聚光器所处地理位置的实时高度角和方位角，再由高度角及方位角推算出对应的集热器最佳聚焦位置对应的法线角度值（具体定义见太阳角度推算），同角度传感器测量得到聚光器实际的法线角度相比较，计算出聚光器需要转动的角度值，最后控制液压驱动系统来实现集热器跟踪太阳。本装置采用了一个角度传感器，角度传感器用于测量集热器的法线角度。

2　跟踪角度公式推算

太阳在空间的位置可以用两个空间角度来表示，即太阳的高度角和方位角。太阳高度角指太阳光线与地平面之间的夹角，太阳方位角是太阳光线在地平面的投影与当地子午线的夹角。子午线是指通过当地的经线（即正南方与正北方的连线即Y轴方向）。太阳能集热器跟踪角度的解算模型如图2所示，其中A表示太阳所在的位置，C为太阳在地平面的投影，OC为太阳光线AO在地平面的投影。太阳高度角为β，太阳方位角为γ，角度α即为所求法线跟踪角。

图2　跟踪角度解算图Fig.2 The solution of the tracking angle

因为太阳法线跟踪角的计算方法取决于槽式集热器的布置方式，而槽式集热器通常为南北布置，故下面以槽式南北方向布置为例进行论述。

追踪面的法线对准太阳时与地平面的夹角定义为法线追踪角，追踪平面是沿Y轴南北固定。如图2所示，当法线与AB重合时即对准太阳，从投影C点做Y轴的垂线垂足为B，连接AB两点，因为AC垂直水平面，而CB又垂直Y轴，根据三垂定理可知AB垂直Y轴，所以法线抬起的角度就是α（α角为法线跟踪角）。

首先通过直角三角形OBC计算BC边，其次利用直角三角形OCA计算AC边，最后通过直角三角形ACB就可以计算角度α的值。从图中可知：

此外，从图2中可以看出，当太阳的投影C点在不同的象限，OC与Y轴的夹角δ与太阳方位角γ的关系是不同的，法线追踪角α在西南和西北象限的值为180-∠ABC，因此要先确定C点所在的象限。太阳高度角在0～90度之间是白天，方位角0～90度表示太阳投影在东北方向δ = γ，90～180度表示太阳投影在东南方向度表示太阳投影在西南方向度表示太阳投影在西北方向

3　跟踪方案

槽式太阳能自动跟踪方案[8-10]，主要有两种：角度传感器与光线传感相结合跟踪、角度传感器闭环反馈控制跟踪。

角度传感器与光线传感器相结合的跟踪方案：利用光线传感器及角度传感器相结合的方式。利用角度传感器粗略定位集热器的角度位置，角度偏差值需要在光线传感器的测量范围内，再由光线传感器精确定位角度值进行跟踪。此种跟踪方式对光线传感器的安装要求很高。

角度传感器闭环反馈控制跟踪：根据美国国家可再生能源实验室提出的天文公式（美国国家可再生能源实验室（NREL）是美国能源部主要的可再生能源和能源效率研发国家实验室，NREL由可持续能源联盟（The Alliance for Sustainable Energy，LLC.）为美国能源部管理），推算出太阳的实时入射角度，再控制液压驱动系统进行跟踪，当集热器停止转动后由角度传感器测量出的实时角度值与计算值比较，确定需要跟踪的角度，当差值小于要求精度时，保持不动，当大于精度值时则做相应的调整。

4　控制系统

4.1控制系统硬件部分

槽式集热器驱动控制系统硬件部分主要是CPU处理单元、电源转换模块、信号传输模块、通讯模块、操作按钮、断路器、接触器等组成，控制器完成对传感器（角度/光线/温度）实时数据的采集及计算，发送数字信号来控制液压驱动单元电磁阀的动作，控制电机的启停动作，对上位系统可实现数据的远程传输，存储重要事件和操作状态信息，具有手动定位及检修的操作模式。整个控制原理如图3所示。

4.2控制系统软件设计

系统控制流程说明如下：系统开机启动，首先读取时钟信号得到系统日期和时间，在CPU软件平台完成对天文公式及集热器法线跟踪角的编程，将当地的经纬度参数、大气参数、海拔、年平均温度、气象参数、时钟信号等相关信号输入到CPU完成法线跟踪角的计算，法线跟踪计算值与角度传感器的实时测量值进行比较，得到集热器偏离法线跟踪位置的差值，如果差值大于所要求的跟踪精度即进行校正，反之则保持位置不动。在初始角度调整时使用角度粗定位，当到达光线传感器的测量范围后再进行精确定位。其中，大气参数、气象参数、时钟信号为非固定参数，气象参数需由气象站给出并实时更新，大气参数需要由待集热器初调完成后由光线传感器进行精确调整，至此完成集热器的一次追踪过程。

通过计算得出太阳入射角度，在气象条件允许的前提下，当入射角度大于15°时开始跟踪，当跟踪角度大于150°时停止跟踪，系统回到收藏位置（暂定法线角度-33°）。避免能源的浪费，可以同时参考天气状况及单位面积辐射值来判断系统是否进行逐日跟踪。

图3　控制原理图Fig. 3 The principle of control

5　数据分析及结论

当所有参数设定到合适的值时，对两种不同的追踪方案进行实验，以横轴为时间轴，纵轴为角度轴绘图，如图4所示。曲线1代表倾角及光线传感器相结合装置太阳入射角理论跟踪值；曲线2表示倾角及光线传感器相结合装置集热器实时角度值；曲线3代表倾角传感器闭环控制装置太阳入射角理论跟踪值；曲线4表示倾角传感器闭环控制装置集热器实时角度值。实验数据从早晨10：23到下午14：23，图中曲线表示不同组合的跟踪理论值及集热器实时角度值。从曲线图中可以看出，两种方案跟踪精度存在一定的差距，传感器与角度传感器相结合的方案中，利用天文公式理论计算值实时曲线与实时跟踪角度值曲线基本重合，而只用传感器作为跟踪测量的方案中，实时计算值曲线与实时跟踪曲线始终存在一定的差值，跟踪精度不高。

图4　跟踪曲线图Fig.4 The tracking curve

本文设计的槽式太阳能液压驱动跟踪控制系统采用粗定位倾角传感器及精确定位光线传感器相结合的方式，不仅能实现太阳入射角度在180范围的跟踪，也同时满足了集热器高精度定位的要求，定位精度可达到0.1°。此种结合的定位方式避免在云遮的情况下无法跟踪的缺点，并且运行安全可靠。整个系统结构简单、运行可靠、跟踪精度高、成本低廉。此跟踪系统的缺点是，对于测量系统的安装精度提出了较高的要求，倾角传感器及光线传感器的安装精度将直接影响到整个系统的跟踪精度。

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An Automatic Tracking and Focusing Method of Trough Solar Collector

ZHANG Yu-xia, REN Li-qin
(CGN Solar Energy Development Co., Ltd, Beijing 100048, China)

Based on the analysis of the law of the sun’s movement, this paper puts forward a scheme of automatic tracking of the sun’s light by the trough type collector. The specific structure and working principle of the automatic tracking device of trough solar concentrator are described. The calculation formula of the tracking angle is deduced and the software and hardware of the control system are described. The experimental results show that the tracking precision is high, the whole system has the advantages of simple structure, reliable operation, and can avoid the shortcomings in the cloud cannot track. The experimental results show that the method proposed in this paper has high tracking accuracy and the whole system is simple and reliable.

The trough type collector;The hydraulic drive tracking device;Normal tracking angle of the sun; Automatic control

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.005

ZHANG Yu-xia, REN Li-qin. An Automatic Tracking and Focusing Method of Trough Solar Collector[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）: 27-31.

国家863计划（2012AA050603）

张玉霞（1979-），女，助理工程师，本科，主要研究方向：热工自动化；任丽琴（1979-），女，工程师，主要研究方向：电力工程及自动化

本文引用格式：张玉霞，任丽琴.槽式太阳能集热器自动跟踪聚焦方法[J]. 新型工业化，2015，5（10）：27-31.