高精度雙軸伺服太陽(yáng)能跟蹤系統的設計應用

引言

開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源是全世界面臨的共同課題，太陽(yáng)能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。在新能源中，光伏發(fā)電是最具可持續發(fā)展理想特征的可再生能源技術(shù)，受到全世界的普遍重視。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的主要方式之一，因其資源潛力大、可持續利用等特點(diǎn)，成為各國競相發(fā)展的重點(diǎn)。但光伏發(fā)電成本過(guò)高是長(cháng)期制約其高速發(fā)展的主要問(wèn)題，其解決途徑之一便是提高發(fā)電系統的發(fā)電量，使平板光伏組件受光面時(shí)刻正對太陽(yáng)，相同的輻照條件下吸收比固定安裝光伏組件更多的太陽(yáng)輻射能量，從而達到降低光伏發(fā)電成本的目的。

相關(guān)理論分析表明[1]：太陽(yáng)的雙軸跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差41.34%，精確的跟蹤太陽(yáng)可使接收器的熱接收效率大大提高，拓寬了太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。該雙軸裝置按預定的位置調整太陽(yáng)能電池板朝向，結構簡(jiǎn)單、不必人工干預，特別適合天氣變化比較復雜和無(wú)人值守的情況，有效地提高了太陽(yáng)能裝置的太陽(yáng)能利用率，有較好的推廣應用價(jià)值。

太陽(yáng)能伺服跟蹤系統設計

(1)太陽(yáng)跟蹤方式選擇

按照不同的分類(lèi)方法，太陽(yáng)跟蹤方式通常有傳感器跟蹤和視日運動(dòng)軌跡跟蹤(程序控制)，還有單軸跟蹤[2]和雙軸跟蹤。

傳感器跟蹤[3]是利用光電傳感器檢測太陽(yáng)光是否偏離電池板法線(xiàn)，當太陽(yáng)光偏離電池板法線(xiàn)時(shí)，傳感器發(fā)出偏差信號，經(jīng)放大、運算后控制執行機構，使跟蹤裝置重新對準太陽(yáng)光。這種跟蹤方式的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高；缺點(diǎn)是受天氣影響大，陰雨天則無(wú)法對準太陽(yáng)，甚至引起執行機構的誤動(dòng)作。視日運動(dòng)軌跡跟蹤(程序控制)，是根據太陽(yáng)的實(shí)際運行軌跡按預定的程序調整跟蹤裝置跟蹤太陽(yáng)。這種跟蹤方式能夠全天候實(shí)時(shí)跟蹤，其精度不高，但是符合實(shí)際運行情況，應用較廣泛。

單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽(yáng)，高度角作季節性調整。雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個(gè)方向跟蹤太陽(yáng)軌跡．顯然雙軸跟蹤的效果優(yōu)于單軸跟蹤。

目前，以雙軸跟蹤為基礎的傳感器雙軸跟蹤或程序控制雙軸跟蹤方式被普遍采用．在美國加州建造的發(fā)電功率約為300～600mw的太陽(yáng)能斯特林電廠(chǎng)中，所有太陽(yáng)能集熱器都采用雙軸跟蹤系統。

(2)視日運動(dòng)軌跡跟蹤設計

太陽(yáng)每天東升西落，站在地球表面的人會(huì )觀(guān)測到太陽(yáng)很有規律的在天球上運動(dòng)。視日運動(dòng)軌跡跟蹤就是利用plc控制單元根據相應的公式和參數計算出白天時(shí)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置，然后發(fā)出指令給伺服電機去驅動(dòng)太陽(yáng)跟蹤裝置，以達到對太陽(yáng)實(shí)時(shí)跟蹤的目的。太陽(yáng)在天球上的位置可由太陽(yáng)高度角αs和太陽(yáng)方位角γs來(lái)確定。太陽(yáng)高度角αs又稱(chēng)太陽(yáng)高度、太陽(yáng)俯仰角，是指太陽(yáng)光線(xiàn)與地表水平面之間的夾角

(0≤αs ≤90°)[4]，可由下式計算得出：

(1)

(2)

式中各角度單位均為度，其中θ為當地緯度角；δ為太陽(yáng)赤緯角；ω為時(shí)角，是用角度表示的時(shí)間。春分和秋分時(shí)δ=0°，夏至時(shí)δ=23.5°，冬至時(shí)δ=-23.5°；太陽(yáng)方位角是指太陽(yáng)光線(xiàn)在水平面上的投影和當地子午線(xiàn)的夾角[4]，可由(3)式確定：

(3)

在太陽(yáng)軌跡公式(1)，(2)，（3）中，涉及到3個(gè)天文地理坐標，即太陽(yáng)赤緯角δ、緯度角δ和時(shí)角ω。太陽(yáng)能光伏發(fā)電地點(diǎn)的地理經(jīng)緯度通過(guò)gps等精密導航儀器可以方便獲得。而赤緯角和時(shí)角的計算需要通過(guò)時(shí)間確定，由于太陽(yáng)在一年中的時(shí)角運動(dòng)很復雜，日常生活中的鐘表時(shí)間采用平太陽(yáng)時(shí)，即太陽(yáng)沿著(zhù)周年運動(dòng)的平均速率，在工程計算中，就會(huì )存在時(shí)差問(wèn)題(真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)之差)，因此必須采用真太陽(yáng)時(shí)（t0），否則在實(shí)際計算中無(wú)法到達精度要求。為了得到準確的真太陽(yáng)時(shí)（t0），可以根據定時(shí)標準來(lái)校正時(shí)差值，我國區域的時(shí)差確定如下[5]：

t0＝（120－longitude）/15-e/60 (4)

式中，longitude為光伏發(fā)電地點(diǎn)的地理經(jīng)度，中國地區的北京標準時(shí)間的經(jīng)度為120°，e為時(shí)差，可由下式計算得出：

(5)

(6)

因為每24小時(shí)地球自轉1圈，所以每15°為1h，且正午時(shí)， 時(shí)角ω=0°，上午ω>0°，下午ω0°?？捎上率接嬎愠觯?/P>

(7)

式中t為北京時(shí)間。另外n為1年中的日期序號，從1月1號開(kāi)始起數，n＝1，每往后加一天，n＝n＋1，比如我們在此輸入165（天），就相當于今年的6月12日，輸入286（天），就相當于今年的10月13日，其他以此類(lèi)推。

其中，當太陽(yáng)在正南方向時(shí)，（3）式中的方位角γs=0°，正南以西γs>0°，正南以東γs0°。為了有效跟蹤太陽(yáng)的位置，除了要計算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置外，還需要知道具體某天的日出時(shí)角ω1、日落時(shí)角ω2。由于日出日落時(shí)太陽(yáng)高度角αs=0°，由(1)式可計算出：

(8)

根據時(shí)角ω上午ω>0°，下午ω0°，得到日出時(shí)角：

(9)

(10)[next]

計算出日出時(shí)角，日落時(shí)角后，由（7）式可得出日出時(shí)間t1和日落時(shí)間t2。

(3)控制系統核心部件plc

可編程邏輯控制器plc[6]是太陽(yáng)能跟蹤系統的核心部件，系統采用結構緊湊、配置靈活和指令集強大的歐姆龍公司cp1h-x系列的plc；用戶(hù)程序包括浮點(diǎn)數運算、定時(shí)器、脈沖指令輸出等復雜的數學(xué)運算以及特殊功能寄存器等指令內容，從而使cx－programmer能夠監視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)，以達到控制的目的。另外，選用cp1h不僅能用于獨立的太陽(yáng)能設備跟蹤系統控制，特別是對于串、并聯(lián)的大型光伏太陽(yáng)能陣列的跟蹤系統控制，能發(fā)揮plc現場(chǎng)總線(xiàn)的控制優(yōu)勢進(jìn)行集中控制。

(4)風(fēng)速傳感器模塊

為了保護跟蹤裝置組件不被大風(fēng)吹壞，設計了大風(fēng)響應中斷子程序。風(fēng)速達到13m／s時(shí)，風(fēng)速傳感器輸出脈沖信號，程序進(jìn)入高速脈沖中斷響應子程序，太陽(yáng)電池板自動(dòng)放平，停止跟蹤，大風(fēng)過(guò)后5分鐘快速恢復自動(dòng)跟蹤[7]。風(fēng)速傳感器可以對多個(gè)太陽(yáng)電池方陣進(jìn)行群控，而且具有可靠性高，抗干擾能力強，使用方便，適合惡劣環(huán)境工作等特點(diǎn)。

(5)控制系統硬件電路的設計

實(shí)現x-y二維聚光發(fā)電伺服跟蹤系統控制硬件結構基本配置如下：上位機采用歐姆龍plc、歐姆龍電機及其驅動(dòng)器。

圖1 跟蹤系統結構圖

在一天的整個(gè)過(guò)程中，跟蹤器獲得最優(yōu)的俯仰角和方位角，電池板接收到最大太陽(yáng)日輻射量。系統由一臺歐姆龍伺服電機和減速機構成方位角轉動(dòng)機構，一臺歐姆龍伺服電機和直線(xiàn)導軌構成高度角轉動(dòng)機構。光伏跟蹤系統設計采用了開(kāi)環(huán)程序控制方式，避免了偶爾云層遮擋太陽(yáng)能伺服跟蹤系統造成的干擾。首先用一套公式通過(guò)上位機plc算