槽式太阳能跟踪控制系统的研制及应用

王宝文

阳光电源股份有限公司 安徽合肥 230088

式太阳能集热器一般是南北布置物跟踪或南北布置物跟踪，其特点是一维跟踪水平布置，大型槽式太阳能集热器不仅驱动扭矩大，而且驱动角度大。波谷集中器采用主动跟踪，其太阳跟踪角度算法与二维双轴跟踪算法有很大区别。槽式太阳能热发电,本文的作者冷凝器的特点,槽型太阳能跟踪控制系统设计,采用可编程序逻辑控制器(programmablelogiccontroller、PLC)根据轨迹,活跃的太阳跟踪槽式冷凝器,实现跟踪太阳并不依赖于气候变化、槽式太阳能自动跟踪系统的设计,根据风速和时间自动保护，可实现对太阳的自动、全天候跟踪，通过工程应用证明，跟踪效果能满足槽式太阳能的精度要求。

1 太阳跟踪控制系统的设计

设计槽式太阳能跟踪控制系统，首先需要建立跟踪角度的算法模型。

1.1 视日运动轨迹数学模型

图1为太阳位置计算的地平坐标系几何模型。

图1

以太阳跟踪系统所在地为原点建立的地平坐标系，则S可表示为：

由式（1）可以看出，在地平坐标系中，由太阳高度角和方位角就可以确定太阳在地球中的位置。在时角坐标系里，太阳高度角和方位角的计算公式如下：

式中：δs为太阳赤纬角，（°）；L为当地经度，（°）；ω为时角，（°）。

赤纬角计算使用文献的计算公式，该式具有比较高的精度，计算如下：

式中：θ为日角，计算式如下：

式中：N为积日，无量纲数；N0为年校正系数，无量纲数。

所谓积日，就是日期在年内的顺序号，例如，1月1日其积日为1，平年12月31日的积日为365，闰年则为366。

1.2 槽式太阳能聚光器跟踪角度确定

槽式太阳能聚光器有2种布置方式，分别是南北布置东西跟踪和东西布置南北跟踪。对于南北布置东西跟踪形式槽式太阳能聚光器，其跟踪太阳的旋转角度，用太阳高度角和方位角表示：

式中：ρ为槽式太阳能聚光器跟踪角度，（°）；β为聚光器几何中心与正南北轴的夹角，（°）。本文聚光器采用南北布置正南安装，其β=0。只要确定槽式聚光器安装所在的的经度和纬度，由式（2）-（11），即可得到当地时间槽式太阳能聚光器的跟踪角度ρ。

1.3 PLC控制程序流程

完成PLC软件初始化、数据采集、数据处理、液压系统控制和数据通信工作。首先，初始化系统。主要设置系统时间和系统参数，包括本地经纬度、时区、跟踪有效太阳角、间隙跟踪间隔时间等。为了减少电磁阀的动作时间，程序每1min执行一次，执行周期设置为20s。程序首先确定系统的控制方式。如果处于自动模式，则程序执行自动控制逻辑。如果不是自动模式，系统将进入手动模式。当地时间读PLC程序,经度和纬度数据,根据槽太阳能集中器的角跟踪角的数学公式和抛物线槽型电容式角度传感器电流比较,当程序执行误差大于0.4°以下指令。系统的工作时间设定在05：00-20：00。控制器的时钟芯片每天早上5点叫醒控制器，系统开始工作。当太阳下山时，PLC发出快速移动加热装置到保护位置的指令，等待第二天开始。

2 槽式太阳能跟踪控制系统的应用

本文设计的槽式太阳能聚光集热系统抛物槽长度为50m，开口宽度为5.74m。安装在合肥市经开区玉兰大道（117.1597°E，31.7923°N），安装采用东西水平布置南北轴跟踪模式。选取2016年中4个典型日期进行太阳跟踪的应用试验，这4个典型日期分别是：春分日（2016年 3月20日）、夏至日（2016年6月21日）、秋分日（2016年9月22日）以及冬至日（2016年12月21日）。在4个典型日期时记录PLC控制系统计算的太阳高度角、方位角、聚光器的跟踪角度以及聚光器测量角度的变化数据[1]。分析了本文开发的跟踪控制系统驱动的太阳能集热器。四种典型的天冷凝器跟踪角差异较大,坡口运动太阳能跟踪系统的动力学特征更加复杂,一天的控制规律不一致,有很强的非线性,系统运行在夏至跟踪范围最大,冬至轨道范围内最小和与角跟踪系统运行范围0-180°。冬至,尽管轨道范围最小,冷凝器运行速度最快,峰值为0.398°/分钟。虽然夏至,虽然轨道范围最大,最慢的速度冷凝器运行,峰值为0.232°/分钟,夏至和冬至不同运行速度是大约0.166°/分钟,春分和秋分和运行速度不大,每天中午是槽式太阳能聚光跟踪太阳是最快的时刻。

3 结语

该装置具有成本低、跟踪精度高、易于自动控制、结构简单等特点。它是一种跟踪控制方法，对槽式太阳能光热系统具有良好的跟踪效果，具有较高的实用性和广阔的发展前景。