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槽式太陽能熱發(fā)電中的跟蹤算法設(shè)計(jì)

羅銀恒 林云松 吳琪 常博 徐傳進(jìn)

(東汽投資發(fā)展有限公司,四川 德陽,618000)

槽式太陽能發(fā)電是目前國際上發(fā)電規(guī)模最大，且已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的、較為理想的太陽熱發(fā)電技術(shù)。根據(jù)槽式太陽能跟蹤支架的實(shí)際應(yīng)用特性，適宜采用南北放置的單軸跟蹤結(jié)構(gòu)；文章設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了單軸跟蹤算法，本算法屬于開環(huán)控制。利用當(dāng)?shù)氐乩斫?jīng)緯度和年月日時(shí)分秒信息，精確計(jì)算每一時(shí)刻的高度角，并驅(qū)動(dòng)支架跟蹤高度角，保持入射光線位于含有主光軸和焦線的平面以獲取最大的發(fā)電效率。該算法為下一步研制工作奠定了基礎(chǔ)。

太陽能槽式發(fā)電；自動(dòng)跟蹤；太陽高度角；算法

0 引言

太陽能資源是可替代能源中最引人注目、開發(fā)研究最多、應(yīng)用最廣的清潔能源,開發(fā)和利用太陽能有著重大的意義。但是太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源,這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽能設(shè)備,如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能電池等等。但對太陽能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,究其原因,主要是利用率不高,就目前的太陽能設(shè)備而言,如何最大限度的提高太陽能的利用率,仍為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。而解決這一問題應(yīng)從兩個(gè)方面入手,一是提高太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率,二是提高設(shè)備的能量接收效率,前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,還有待研究,而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)為解決這一問題提供了可能。不管是哪種太陽能設(shè)備,如果它的能量轉(zhuǎn)換部分能始終保持與太陽光垂直,就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能。但是太陽每時(shí)每刻都是在運(yùn)動(dòng)著,能量轉(zhuǎn)換部分若始終想保持與太陽光垂直,就必須要跟蹤太陽。如圖1所示科研人員在英國倫敦進(jìn)行太陽跟蹤與非跟蹤的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。

圖1 一天中日照量隨時(shí)間的變化及由傾角決定的輻射量的不同

由圖1可見,若使用太陽能跟蹤系統(tǒng),使太陽光始終垂直照射在接收面,則接收到的太陽輻射將大大增加。例如,對于完全相同的平板,與太陽輻射方向垂直的表面和朝南方向固定的表面,通過實(shí)驗(yàn)研究兩者相比較得出接收到的太陽輻射的比值大約是3∶1。理論分析表明,太陽的跟蹤與非跟蹤,能量的接收率相差37.7%,精確的太陽跟蹤可使太陽能利用率大大提高。

1 跟蹤方式選擇

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要是借助槽型拋物面聚光器降太陽光聚焦反射到接收集熱管上,通過管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽,推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。在太陽光的采集工程中,為使聚光器時(shí)刻都能夠最大效率地采集太陽光,使集熱管發(fā)揮最大作用,要求聚光器始終與太陽保持一個(gè)最佳角度,因此必須采取跟蹤控制裝置,使聚光器跟蹤太陽。槽型拋物面反射鏡根據(jù)其采光方式,分為東西向和南北向兩種布置形式。東西布置只能定期調(diào)整；南北布置時(shí)一般采用單軸跟蹤方式。跟蹤方式分為開環(huán)、閉環(huán)和開閉環(huán)相結(jié)合3種控制方式。

目前,在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中,國內(nèi)外大多采用開、閉環(huán)控制相結(jié)合的混合控制方式來完成對太陽能的跟蹤。國外對太陽跟蹤系統(tǒng)的研究相對較早,一般采用單片機(jī)、DSP、PLC等電子設(shè)備作為數(shù)字處理器,采用光柵或者光敏電阻作為太陽光敏感元件,對太陽進(jìn)行智能跟蹤,這種跟蹤技術(shù)相對比較成熟,尤其是在美國、德國等技術(shù)先進(jìn)的國家,已經(jīng)從小規(guī)模的示范應(yīng)用轉(zhuǎn)向大規(guī)模商業(yè)化推廣。在以往的對太陽跟蹤系統(tǒng)所做的研究中,大多集中于碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng),其跟蹤方式也基本采用混合控制方式完成,所用傳感器件多采用光敏電阻或光電二極管,這些器件由于本身的一些限制,容易發(fā)生散射和反射,加之制作工藝的差異,環(huán)境污染等原因,造成傳感器靈敏度偏低,使整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤精度不高,容易引起誤跟蹤。

國內(nèi)梁勇、梁維銘等學(xué)者做過太陽斜入射與直射下的發(fā)電效率對比的理論計(jì)算,結(jié)果表明跟蹤精度在10°下太陽能接收面的太陽相對輻射通量僅變化0.8%,因此采用過高精度的跟蹤率提升并不明顯,因此系統(tǒng)可以適當(dāng)減少支架的跟蹤擺動(dòng),從而可以提高運(yùn)行穩(wěn)定性,特別是可以降低功耗。

因此,不應(yīng)盲目一味提高跟蹤精度,增加成本和難度。而是以合理的方式綜合考慮發(fā)電效率、成本等相關(guān)制約因素設(shè)計(jì)太陽能跟蹤系統(tǒng)。在以成本及可靠性為主導(dǎo)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)跟蹤系統(tǒng)。

本文所述的自動(dòng)跟蹤方式不采用目前國內(nèi)通常采用的光敏感器的自動(dòng)閉環(huán)跟蹤方式,其可靠性比閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)高,而功耗更為低(基于太陽光敏感器的閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)需要時(shí)刻驅(qū)動(dòng)支架垂直于入射太陽光,因此功耗更大)。

采用自動(dòng)太陽跟蹤系統(tǒng)主要的困難在于精確推算太陽高度角,這對于跟蹤系統(tǒng)來說是最為重要的,本文完整分析了計(jì)算流程以及計(jì)算精度,因此該系統(tǒng)完全可以與目前市面上常見的閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)性能相媲美。并且運(yùn)行更為可靠,無需人為干預(yù)。

2 跟蹤算法設(shè)計(jì)

采用開環(huán)的太陽能跟蹤系統(tǒng)可以采用地平坐標(biāo)系或者極軸坐標(biāo)跟蹤方式,通常為了便于施工安裝,采用地平坐標(biāo)系是一個(gè)比較好的選擇。而采用地平坐標(biāo)系就必須要獲知兩個(gè)最重要的角度即太陽方位角與高度角。

太陽高度角是指太陽中心的直射光線GO與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角,方位角表示天體中心所在的方位,以正南方S為0°起算點(diǎn),由南向東向北為負(fù),由南向西向北為正如圖2所示：

圖2 地平坐標(biāo)系

圖2中,O為當(dāng)?shù)靥烨虻那蛐?即太陽跟蹤系統(tǒng)的位置,Z為天頂,Z'為天底,N、S、W、E分別表示東、南、西、北四個(gè)方向。G為太陽在天球上的瞬時(shí)位置,高度角為∠GOG',方位角為∠SOG'。因此高度角為太陽直射光線與地平面間的夾角,而太陽方位角指太陽直射光線在地平面上的投影線OG'與地平面正南向的夾角。通常以南點(diǎn)S為0°,向西為正值,向東為負(fù)值。因此在地平坐標(biāo)系中,只要得到這兩個(gè)角度就可以確定太陽方位。

2.1 太陽方位角與太陽高度角計(jì)算流程

查閱相關(guān)文獻(xiàn),歸納出太陽方位角與太陽高度角計(jì)算流程如下：

太陽赤緯角是太陽光線與地球赤道面的夾角,一年中第n天的太陽赤緯角近似計(jì)算公式：

其中n為一年中的第幾天,術(shù)語上表示的是積日。式(1)計(jì)算誤差較大。比較精確的太陽赤緯角計(jì)算公式為：

年際太陽赤緯角變化不大可以忽略不計(jì),太陽赤緯角變化范圍約為-23.45°～23.45°。于是,只需要計(jì)算當(dāng)天是幾月幾日就可以通過上述查找表來獲得準(zhǔn)確的太陽赤緯角,在程序中易于實(shí)現(xiàn)并可以減少計(jì)算量,提高計(jì)算精度。

(2)由積日n計(jì)算時(shí)差ET

表1 四年有閏的平均太陽赤緯角

本地真太陽時(shí)為時(shí)差與平太陽時(shí)之和：

(5)計(jì)算太陽高度角

按照上述的地平坐標(biāo)系下的太陽高度角的計(jì)算,設(shè)計(jì)的太陽能跟蹤系統(tǒng)采用單軸跟蹤高度角。跟蹤設(shè)備安裝以南北向?yàn)榛鶞?zhǔn),這便于可以直接利用指南針以及水平泡或者水平儀來輔助安裝。

在支架初始位置(水平或者垂直位置)放置傳感器以探測當(dāng)前支架的位置,在系統(tǒng)初始化啟動(dòng)或者跟蹤結(jié)束后回到傳感器位置用以上控制器獲知當(dāng)前支架處于初始位置。另外增加位置傳感器可以防止由于系統(tǒng)故障造成支架不正確的位置誤動(dòng)作從而造成設(shè)備損壞。

2.2 跟蹤流程設(shè)計(jì)

軟件是太陽跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵,系統(tǒng)能否高效、可靠地運(yùn)行很大一部分依賴于軟件設(shè)計(jì),在自動(dòng)太陽跟蹤系統(tǒng)中,軟件構(gòu)架主要有如下幾部分組成：

(1)時(shí)鐘信號生成

準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號是自動(dòng)太陽跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ),因此采用硬件時(shí)鐘電路生成準(zhǔn)確的時(shí)鐘,年際誤差小于10分鐘。系統(tǒng)擬采用低功耗的時(shí)鐘芯片產(chǎn)生準(zhǔn)確的年、月、日、時(shí)、分、秒等信息以輸入中央控制器。為了防止掉電情況,時(shí)鐘芯片可采用雙電源供電,備用電源由小型紐扣電池供電,由于采用低功耗設(shè)計(jì),即使在紐扣電池供電情況下也能準(zhǔn)確運(yùn)行一年以上。

(2)太陽高度角計(jì)算

系統(tǒng)擬采用低功耗的單片機(jī)作為主控芯片,主控芯片首先獲取到芯片輸出的時(shí)間信息以及FLASH中儲(chǔ)存的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、太陽赤緯、時(shí)差數(shù)據(jù),根據(jù)公式計(jì)算時(shí)刻太陽高度角,為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸入脈沖做準(zhǔn)備。

(3)步進(jìn)電機(jī)(擬使用)驅(qū)動(dòng)脈沖生成

時(shí)刻太陽高度角還不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),還需要進(jìn)行角度到脈沖串的轉(zhuǎn)化,程序需要考慮步進(jìn)電機(jī)步距角(也即單個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的最小轉(zhuǎn)角)T、減速器的轉(zhuǎn)速比F,蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)速比K。在渦輪直接連接在支架轉(zhuǎn)軸下單個(gè)脈沖串引起的旋轉(zhuǎn)角度為栽/(云×運(yùn))。由間隔1分鐘的驅(qū)動(dòng)方式就可以由此計(jì)算出驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)從而直接輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)到跟蹤太陽的正確位置。

(4)人機(jī)接口

人機(jī)接口主要是由輸入鍵盤以及輸出液晶顯示器構(gòu)成,輸入鍵盤主要用以修改年月日以及時(shí)間、設(shè)置安裝點(diǎn)經(jīng)緯度信息、設(shè)置抗風(fēng)等級,而液晶顯示器則顯示相關(guān)的輸入信息。另外輸入鍵盤還將包括修改按鈕、確認(rèn)以及系統(tǒng)重啟動(dòng)按鈕。

(5)異常處理

異常處理部分包括達(dá)到抗風(fēng)等級以上的風(fēng)速測量子程序,風(fēng)速子程序?qū)⒖刂浦Ъ茏詣?dòng)放平。另一個(gè)異常情況是支架運(yùn)動(dòng)超過限位機(jī)構(gòu)(位置傳感器)的系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位處理以及異常情況下的程序跑飛自動(dòng)復(fù)位處理等。異常處理部分將減少跟蹤系統(tǒng)維護(hù)頻率以提高可靠性以及運(yùn)行智能化。

整個(gè)軟件流程如圖3所示：

圖3 軟件流程

程序中,風(fēng)速傳感器是作為中斷信號輸入主控芯片的IO口中的,只要風(fēng)速傳感器測量得到的風(fēng)速在設(shè)置的風(fēng)速等級以下,程序順序執(zhí)行,當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)置的抗風(fēng)等級,產(chǎn)生中斷,控制器捕獲這一中斷信號,放平支架在限位位置,并延遲5分鐘后再采樣風(fēng)速,如果風(fēng)速減弱到抗風(fēng)等級下,程序從限位位置直接轉(zhuǎn)動(dòng)到當(dāng)前時(shí)間位置。當(dāng)然,在大風(fēng)天氣下,如果風(fēng)速忽快忽慢,會(huì)造成支架不斷地在跟蹤位置與限位位置之間跳變,這部分可以再根據(jù)前期統(tǒng)計(jì)結(jié)果,適當(dāng)連續(xù)采樣3～5次,間隔5分鐘,當(dāng)在這段時(shí)間內(nèi)并未再出現(xiàn)風(fēng)速超過抗風(fēng)等級以上則才將支架驅(qū)動(dòng)到正確位置。如果有一次超過,則繼續(xù)等待。此種情況發(fā)生概率一般比較小,但是對于在比較惡劣變化反復(fù)無常的天氣下也是需要考慮這種情況的。

另一個(gè)需要確定的參數(shù)是跟蹤時(shí)間或跟蹤角度間隔,它與最大發(fā)電效率密切相關(guān)。最大發(fā)電效率可以通過實(shí)驗(yàn)測定并通過軟件修改跟蹤時(shí)間間隔。通常,提高跟蹤精度將增大光電轉(zhuǎn)換效率,但跟蹤系統(tǒng)耗電量更大,而降低跟蹤精度會(huì)減少光電轉(zhuǎn)換效率,但跟蹤系統(tǒng)耗電量會(huì)更小。因此在調(diào)試階段可以采用兩個(gè)完全相同的太陽跟蹤系統(tǒng)以進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。其方法為設(shè)置不同的跟蹤時(shí)間間距,測量一日凈輸出平均功率或總發(fā)電量,最后獲得最佳的跟蹤時(shí)間或跟蹤角度間隔。

3 結(jié)論

以德陽市旌陽區(qū)2012年2月1為例,查表1得到太陽赤緯為-17.333,由式(3)計(jì)算時(shí)差為-0.05245小時(shí),德陽市旌陽區(qū)緯度為31.13,經(jīng)度為東經(jīng)104.38。由式(3)～(6)計(jì)算得到日出時(shí)間為7時(shí)51分,日落時(shí)間為18時(shí)36分。此結(jié)果與網(wǎng)上公布(日梭萬年歷)的利用現(xiàn)代高精度天文歷算算法所計(jì)算的德陽地區(qū)的日出時(shí)間為7時(shí)55分,日落時(shí)間為18時(shí)38分。結(jié)果僅最大相差4分鐘,誤差不超過一分鐘,完全可以滿足跟蹤要求。因此,上述的公式完全可以滿足地平坐標(biāo)系下以太陽高度角估計(jì)太陽位置,近而可以由此來設(shè)計(jì)太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。

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Design of the Tracking Algorithm for Solar Parabolic trough Power Generation

Luo Yinheng,Lin Yunsong,Wu Qi,Chang bo,Xu Chuanjin

(Dongqi Investment&Development Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000)

The solar parabolic trough power isa solar thermal power technology,w ith itsadvantagesof largest installed capacity and being commercialized.According to the application featuresof trough solar tracking,it is suitable for using single-axis tracking structure placed north and south.In this paper,a single-axis tracking algorithm is designed and validated,which isa open-loop control. In order to get hold ofmaximum power generation efficiency,the information of local geographical latitude and longitude is used, and yearmonth date even every second for accurate calculation of the sun elevation angle at each time frame,and tracking it,to keep the incident light in the planew ith the focal line and themain axis.Thus it laysa theoretic basis for further research.

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羅銀恒(1981-),男,2010年畢業(yè)于電子科技大學(xué)光學(xué)專業(yè),獲理學(xué)碩士學(xué)位。現(xiàn)從事太陽能研發(fā)工作。