槽式太陽(yáng)能集熱器自動(dòng)跟蹤聚焦方法

張玉霞，任麗琴（中廣核太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100048）

槽式太陽(yáng)能集熱器自動(dòng)跟蹤聚焦方法

張玉霞，任麗琴
（中廣核太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100048）

本文在分析太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種槽式集熱器自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光的方案。描述了槽式聚光器自動(dòng)跟蹤裝置的具體結(jié)構(gòu)和工作原理，推導(dǎo)了跟蹤角度的計(jì)算公式并且闡明了控制系統(tǒng)的軟硬件原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法跟蹤精度高，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。

槽式集熱器；液壓驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置；太陽(yáng)法線(xiàn)跟蹤角；自動(dòng)控制

0　引言

隨著地球人口增長(zhǎng)、環(huán)境惡化，開(kāi)發(fā)和利用清潔能源已被廣泛關(guān)注。其中太陽(yáng)能所具有的低密度、間歇性、空間分布不斷變化的特點(diǎn)也給太陽(yáng)熱能的收集和利用提出了很高的要求。采用太陽(yáng)熱能進(jìn)行大規(guī)模集中式發(fā)電，不僅將對(duì)我國(guó)電力的可持續(xù)發(fā)展和改變以煤為主的發(fā)電結(jié)構(gòu)發(fā)揮重大作用，也是電力工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要能源基礎(chǔ)。

國(guó)外對(duì)太陽(yáng)能的利用研究起步早于我國(guó)將近20多年，且20世紀(jì)初時(shí)已開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)。以色列魯茲公司是槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的典范，在1985～1991年間，美國(guó)在南加州先后建成9座槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，總裝機(jī)容量354MW，年發(fā)電總量10.8億度，發(fā)出的電力可供50萬(wàn)人使用。經(jīng)過(guò)一些發(fā)達(dá)國(guó)家的持續(xù)研究，目前已開(kāi)發(fā)出多種形式的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，按集熱器類(lèi)型的不同，聚光式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)（STPGS，Solar Thermal Power Generation System）可分為槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)3大類(lèi)[1-2]。

槽式發(fā)電是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域中，涉及槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)是聚光集熱裝置，其中聚光鏡片、跟蹤驅(qū)動(dòng)裝置、線(xiàn)聚焦集熱管是實(shí)現(xiàn)槽式太陽(yáng)能順利發(fā)電的三項(xiàng)核心技術(shù)。為有效利用太陽(yáng)能，除了要保證聚光鏡片及集熱管等相關(guān)設(shè)備的性能參數(shù)外，提高太陽(yáng)能能流密度也是重要途徑之一，經(jīng)研究采用聚焦、跟蹤技術(shù)能有效地提高太陽(yáng)能能流密度。（能流密度是在一定空間范圍內(nèi)，單位面積所能取得的或單位重量能源所能產(chǎn)生的某種能源的能量或功率，是評(píng)價(jià)能源的主要指標(biāo)之一。）因此，本文針對(duì)聚焦跟蹤技術(shù)設(shè)計(jì)出一種利用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)集熱器跟蹤太陽(yáng)的裝置，以提高太陽(yáng)能能流密度[3-5]。

1　集熱器自動(dòng)跟蹤裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

整個(gè)裝置包括槽式集熱器、集熱管、液壓驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置、驅(qū)動(dòng)控制器四部分，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

槽式聚光器將投射來(lái)的太陽(yáng)光聚焦到集熱管上，集熱管將此熱量傳遞給導(dǎo)熱介質(zhì)，裝置3、4、5、6、7用于跟蹤太陽(yáng)，以保證集熱器的反射光線(xiàn)始終聚焦于集熱管上。

系統(tǒng)控制原理[6-7]是采用閉環(huán)反饋控制原理：首先通過(guò)天文公式計(jì)算出太陽(yáng)在聚光器所處地理位置的實(shí)時(shí)高度角和方位角，再由高度角及方位角推算出對(duì)應(yīng)的集熱器最佳聚焦位置對(duì)應(yīng)的法線(xiàn)角度值（具體定義見(jiàn)太陽(yáng)角度推算），同角度傳感器測(cè)量得到聚光器實(shí)際的法線(xiàn)角度相比較，計(jì)算出聚光器需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值，最后控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)集熱器跟蹤太陽(yáng)。本裝置采用了一個(gè)角度傳感器，角度傳感器用于測(cè)量集熱器的法線(xiàn)角度。

2　跟蹤角度公式推算

太陽(yáng)在空間的位置可以用兩個(gè)空間角度來(lái)表示，即太陽(yáng)的高度角和方位角。太陽(yáng)高度角指太陽(yáng)光線(xiàn)與地平面之間的夾角，太陽(yáng)方位角是太陽(yáng)光線(xiàn)在地平面的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€(xiàn)的夾角。子午線(xiàn)是指通過(guò)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)線(xiàn)（即正南方與正北方的連線(xiàn)即Y軸方向）。太陽(yáng)能集熱器跟蹤角度的解算模型如圖2所示，其中A表示太陽(yáng)所在的位置，C為太陽(yáng)在地平面的投影，OC為太陽(yáng)光線(xiàn)AO在地平面的投影。太陽(yáng)高度角為β，太陽(yáng)方位角為γ，角度α即為所求法線(xiàn)跟蹤角。

圖2　跟蹤角度解算圖Fig.2 The solution of the tracking angle

因?yàn)樘?yáng)法線(xiàn)跟蹤角的計(jì)算方法取決于槽式集熱器的布置方式，而槽式集熱器通常為南北布置，故下面以槽式南北方向布置為例進(jìn)行論述。

追蹤面的法線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)與地平面的夾角定義為法線(xiàn)追蹤角，追蹤平面是沿Y軸南北固定。如圖2所示，當(dāng)法線(xiàn)與AB重合時(shí)即對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，從投影C點(diǎn)做Y軸的垂線(xiàn)垂足為B，連接AB兩點(diǎn)，因?yàn)锳C垂直水平面，而CB又垂直Y軸，根據(jù)三垂定理可知AB垂直Y軸，所以法線(xiàn)抬起的角度就是α（α角為法線(xiàn)跟蹤角）。

首先通過(guò)直角三角形OBC計(jì)算BC邊，其次利用直角三角形OCA計(jì)算AC邊，最后通過(guò)直角三角形ACB就可以計(jì)算角度α的值。從圖中可知：

此外，從圖2中可以看出，當(dāng)太陽(yáng)的投影C點(diǎn)在不同的象限，OC與Y軸的夾角δ與太陽(yáng)方位角γ的關(guān)系是不同的，法線(xiàn)追蹤角α在西南和西北象限的值為180-∠ABC，因此要先確定C點(diǎn)所在的象限。太陽(yáng)高度角在0～90度之間是白天，方位角0～90度表示太陽(yáng)投影在東北方向δ = γ，90～180度表示太陽(yáng)投影在東南方向度表示太陽(yáng)投影在西南方向度表示太陽(yáng)投影在西北方向

3　跟蹤方案

槽式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤方案[8-10]，主要有兩種：角度傳感器與光線(xiàn)傳感相結(jié)合跟蹤、角度傳感器閉環(huán)反饋控制跟蹤。

角度傳感器與光線(xiàn)傳感器相結(jié)合的跟蹤方案：利用光線(xiàn)傳感器及角度傳感器相結(jié)合的方式。利用角度傳感器粗略定位集熱器的角度位置，角度偏差值需要在光線(xiàn)傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)，再由光線(xiàn)傳感器精確定位角度值進(jìn)行跟蹤。此種跟蹤方式對(duì)光線(xiàn)傳感器的安裝要求很高。

角度傳感器閉環(huán)反饋控制跟蹤：根據(jù)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提出的天文公式（美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）是美國(guó)能源部主要的可再生能源和能源效率研發(fā)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，NREL由可持續(xù)能源聯(lián)盟（The Alliance for Sustainable Energy，LLC.）為美國(guó)能源部管理），推算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)入射角度，再控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤，當(dāng)集熱器停止轉(zhuǎn)動(dòng)后由角度傳感器測(cè)量出的實(shí)時(shí)角度值與計(jì)算值比較，確定需要跟蹤的角度，當(dāng)差值小于要求精度時(shí)，保持不動(dòng)，當(dāng)大于精度值時(shí)則做相應(yīng)的調(diào)整。

4　控制系統(tǒng)

4.1控制系統(tǒng)硬件部分

槽式集熱器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分主要是CPU處理單元、電源轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)傳輸模塊、通訊模塊、操作按鈕、斷路器、接觸器等組成，控制器完成對(duì)傳感器（角度/光線(xiàn)/溫度）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集及計(jì)算，發(fā)送數(shù)字信號(hào)來(lái)控制液壓驅(qū)動(dòng)單元電磁閥的動(dòng)作，控制電機(jī)的啟停動(dòng)作，對(duì)上位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，存儲(chǔ)重要事件和操作狀態(tài)信息，具有手動(dòng)定位及檢修的操作模式。整個(gè)控制原理如圖3所示。

4.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制流程說(shuō)明如下：系統(tǒng)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，首先讀取時(shí)鐘信號(hào)得到系統(tǒng)日期和時(shí)間，在CPU軟件平臺(tái)完成對(duì)天文公式及集熱器法線(xiàn)跟蹤角的編程，將當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度參數(shù)、大氣參數(shù)、海拔、年平均溫度、氣象參數(shù)、時(shí)鐘信號(hào)等相關(guān)信號(hào)輸入到CPU完成法線(xiàn)跟蹤角的計(jì)算，法線(xiàn)跟蹤計(jì)算值與角度傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量值進(jìn)行比較，得到集熱器偏離法線(xiàn)跟蹤位置的差值，如果差值大于所要求的跟蹤精度即進(jìn)行校正，反之則保持位置不動(dòng)。在初始角度調(diào)整時(shí)使用角度粗定位，當(dāng)?shù)竭_(dá)光線(xiàn)傳感器的測(cè)量范圍后再進(jìn)行精確定位。其中，大氣參數(shù)、氣象參數(shù)、時(shí)鐘信號(hào)為非固定參數(shù)，氣象參數(shù)需由氣象站給出并實(shí)時(shí)更新，大氣參數(shù)需要由待集熱器初調(diào)完成后由光線(xiàn)傳感器進(jìn)行精確調(diào)整，至此完成集熱器的一次追蹤過(guò)程。

通過(guò)計(jì)算得出太陽(yáng)入射角度，在氣象條件允許的前提下，當(dāng)入射角度大于15°時(shí)開(kāi)始跟蹤，當(dāng)跟蹤角度大于150°時(shí)停止跟蹤，系統(tǒng)回到收藏位置（暫定法線(xiàn)角度-33°）。避免能源的浪費(fèi)，可以同時(shí)參考天氣狀況及單位面積輻射值來(lái)判斷系統(tǒng)是否進(jìn)行逐日跟蹤。

圖3　控制原理圖Fig. 3 The principle of control

5　數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

當(dāng)所有參數(shù)設(shè)定到合適的值時(shí)，對(duì)兩種不同的追蹤方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以橫軸為時(shí)間軸，縱軸為角度軸繪圖，如圖4所示。曲線(xiàn)1代表傾角及光線(xiàn)傳感器相結(jié)合裝置太陽(yáng)入射角理論跟蹤值；曲線(xiàn)2表示傾角及光線(xiàn)傳感器相結(jié)合裝置集熱器實(shí)時(shí)角度值；曲線(xiàn)3代表傾角傳感器閉環(huán)控制裝置太陽(yáng)入射角理論跟蹤值；曲線(xiàn)4表示傾角傳感器閉環(huán)控制裝置集熱器實(shí)時(shí)角度值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從早晨10：23到下午14：23，圖中曲線(xiàn)表示不同組合的跟蹤理論值及集熱器實(shí)時(shí)角度值。從曲線(xiàn)圖中可以看出，兩種方案跟蹤精度存在一定的差距，傳感器與角度傳感器相結(jié)合的方案中，利用天文公式理論計(jì)算值實(shí)時(shí)曲線(xiàn)與實(shí)時(shí)跟蹤角度值曲線(xiàn)基本重合，而只用傳感器作為跟蹤測(cè)量的方案中，實(shí)時(shí)計(jì)算值曲線(xiàn)與實(shí)時(shí)跟蹤曲線(xiàn)始終存在一定的差值，跟蹤精度不高。

圖4　跟蹤曲線(xiàn)圖Fig.4 The tracking curve

本文設(shè)計(jì)的槽式太陽(yáng)能液壓驅(qū)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)采用粗定位傾角傳感器及精確定位光線(xiàn)傳感器相結(jié)合的方式，不僅能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)入射角度在180范圍的跟蹤，也同時(shí)滿(mǎn)足了集熱器高精度定位的要求，定位精度可達(dá)到0.1°。此種結(jié)合的定位方式避免在云遮的情況下無(wú)法跟蹤的缺點(diǎn)，并且運(yùn)行安全可靠。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、跟蹤精度高、成本低廉。此跟蹤系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的安裝精度提出了較高的要求，傾角傳感器及光線(xiàn)傳感器的安裝精度將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤精度。

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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.

國(guó)家863計(jì)劃（2012AA050603）

張玉霞（1979-），女，助理工程師，本科，主要研究方向：熱工自動(dòng)化；任麗琴（1979-），女，工程師，主要研究方向：電力工程及自動(dòng)化

本文引用格式：張玉霞，任麗琴.槽式太陽(yáng)能集熱器自動(dòng)跟蹤聚焦方法[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（10）：27-31.