基于配方功能的太阳能光热跟踪控制系统研究

张 宝 郑琍莉

上海骄英能源科技有限公司上海

1 引言

近年来，太阳能光热技术的发展有了很大的进步，特别是在太阳能光热发电方面的发展已取得了很大的成果，国内和国外已经实施和完成了诸多太阳能光热发电项目，且效果显著。但是，如何将太阳能光热利用率最大化，目前仍是世界各国研究的重要课题。

太阳光跟踪控制技术可以有效的提高太阳能的转换效率，是太阳能光热效率提高的重要手段之一。本文主要从基于配方功能的太阳能光热跟踪控制技术进行研究。

2 目前的主要跟踪控制方式

2.1 光强比较方式

这个方法主要是依靠光敏元件随光照强度变化，其阻值响应跟着变化的原理做成的感光元件，其特点是可以根据太阳光照强度的变化，自动调整光能组件的位置，但是其跟踪方式是被动的，并且受天气等自然环境影响较大，一般主要用于光伏项目中。

2.2 视日运行轨迹同步方式

为了最大限度的从太阳获取能量，处理需从材料的选择上考虑外，太阳的方位角和高度角的选择也是考虑的因素。其计算精度高，并且具有很好的适应性，可以根据当地的经纬度计算出当地的太阳运行轨迹，并最终推算出实际的角度，以实现精确控制。大多数太阳能光热系统均采用此种跟踪控制技术，特别是在线性菲涅尔太阳能光热跟踪控制系统中应用最为广泛。但是其数据计算的复杂性，导致一般的控制器很难实现，如采用可以处理复杂计算的控制器，其控制系统的成本将大大提高，为了解决这一问题，引入了配方功能。

3 基于配方功能的线性菲涅尔太阳能光热跟踪控制系统分析

3.1 数据处理功能分析

线性菲涅尔太阳能光热跟踪控制模式是由多个排列于同一水平面的平面反射镜场组成，可以跟踪太阳运行轨迹并将太阳光线始终反射到一固定的长目标接收器上。若要实现精确跟踪，其对控制器的数据处理要求较高。目前使用较多的控制器一般为单片机和可编程控制器等几种。（下面的分析以可编程控制器为例）

(1)不使用配方功能：采用可编程控制器，计算实时跟踪数据，需要根据当地的经纬度和时间来推算一天的太阳运行轨迹，计算过程比较复杂，计算量较大。计算过程有一组数据存在问题，其计算结果将导致设备偏离其预期的运行轨迹，甚至导致设备损坏。如图1所示：

(2)采用配方功能：计算过程全部通过计算机进行处理，并将计算后的数据通过配方功能来实现，将大大简化控制程序的复杂度和提高控制精度，采用配方功能后的程序，详见图2：

3.2 控制精度分析（以可编程控制器为例）

(1)不使用配方功能：由于在计算太阳高度角和方位角时，会用到大量的三角函数，而可编程控制器只能识别弧度，又必须将角度转化成弧度，在这个计算过程中，存在一定的计算误差，并且，可编程控制器在处理复杂数据计算时，对其运行速度存在一定的影响，直接导致其控制输出会比实际滞后，具体影响见图3：

(2)采用配方功能后，上述需要计算的数据预先通过计算机相关软件精确的计算出来（试验时保留到小数点后5位），然后通过配方功能读取数据，直接使用，既节省了可编程控制器的处理复杂数据的时间，又提高了控制精度，具体影响见图4：

图1 未采用配方功能的编程实例图

图2 采用配方功能的编程实例图

图3 未采用配方功能的跟踪效果

图4 采用配方功能的跟踪效果

4 基于配方功能的控制系统组成

4.1 系统组成

本系统主要由HMI（触摸屏）、PLC（可编程控制器）、驱动设备和执行机构组成。主要是从成本、可行性及控制精度等几个方面考虑选择此方案的。

图5 基于配方功能的系统组成

◆HMI（触摸屏）：用来配置配方和校对时钟及实时监控运行状态；

◆PLC（可编程控制器）：用来编制控制逻辑和执行配方下发的数据的处理及转换为机器可识别的信号；

◆驱动设备：解读PLC发送的脉冲信号，并将此信号放大，发送给执行机构；

◆执行机构：执行驱动设备发出的信号，带动镜阵转动。

具体组成见图5：

4.2 工作原理

采用Matlab编程软件，利用光线追迹算法，对聚光场的聚光过程进行建模，在计算建模时，将太阳形状、遮挡阴影及余弦损失等的影响全部考虑进去了，计算出了线性菲涅尔聚光器聚焦平面聚焦光斑能流密度分布的全年数据。并将这些经过仿真验证过的数据，以配方的形式，输入到触摸屏或上位机中，并根据北京时间计算出真太阳时，将数据发送到PLC（可编程控制器），PLC（可编程控制器）根据真太阳时及Matlab编程软件计算所得数据，控制镜场主动追踪太阳，将光线实时反射到集热器上。

4.3 系统设计

(1)硬件设计

如图6所示，本系统采用Smart700 HMI和s7-200PLC作为控制系统的主控制设备。通过HMI配方功能编制配方数据，并根据时间将每天的数据发送至PLC，还通过HMI制作实时运行的反馈信号监控画面，来监控设备的运行状态；PLC将HMI发送过来的数据存储在V寄存器内，并根据真太阳时计算公式，将北京时间转换成真太阳时，再根据真太阳时来读取存放在V寄存器内的数据，将V寄存器内的数据转化成脉冲数发给驱动设备，具体转化公式如下：

脉冲数=位移量×细分数×360°/（步距角×减速比/丝杠螺距）

驱动设备（本系统的驱动设备采用的是步进驱动器HST884系列）将根据PLC发送的脉冲信号进行转化放大，控制执行机构（57系列步进电机）转动；再通过传动装置将直线位移转化为旋转角位移，控制镜阵聚光。

图6 基于配方功能的硬件组成

(2)控制流程

根据所在地区的太阳升起和落下的时间，设定跟踪系统的自动运行和停止时间。系统启动时，先进行复位（定初始位置：零位），同时通过HMI向PLC发送数据（有手动和自动两种方式），复位完成后，并且PLC接收完一天运行所需的全部数据后，启动自动跟踪；自动跟踪时，会根据系统的开启时间来判断第一步的起始位置，然后会从这个起始位置开始跟踪，接下来会每两分钟主动跟踪一次，确保太阳光聚焦在集热槽内，具体运行情况见图4。当到达系统运行设置的停止时间时，系统完成一天的跟踪，并进行复位，为第二天运行做准备。具体流程见图7。

图7 系统控制流程图

5 结语

太阳光自动跟踪控制系统是太阳能光热系统的控制核心，控制系统的精度直接影响太阳能光热系统的效率，特别是线性菲尼尔太阳能光热系统。

采用上述基于配方功能的控制策略可以有效的提高线性菲涅尔太阳能光热系统的跟踪精度和热效率，为太阳能光热系统的推广和发展起到了很好的促进作用，具有广阔的应用市场。

致谢：本研究得到国家工信厅2016年“绿色制造系统集成”项目、海南省重大科技计划项目（ZDKJ2016010）的资金资助。

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