高精度雙軸伺服太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

引言

開發(fā)新能源和可再生能源是全世界面臨的共同課題，太陽能發(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(xù)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。

太陽能光伏發(fā)電作為太陽能利用的主要方式之一，因其資源潛力大、可持續(xù)利用等特點(diǎn)，成為各國競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)。但光伏發(fā)電成本過高是長期制約其高速發(fā)展的主要問題，其解決途徑之一便是提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，使平板光伏組件受光面時(shí)刻正對(duì)太陽，相同的輻照條件下吸收比固定安裝光伏組件更多的太陽輻射能量，從而達(dá)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%，精確的跟蹤太陽可使接收器的熱接收效率大大提高，拓寬了太陽能的利用領(lǐng)域。該雙軸裝置按預(yù)定的位置調(diào)整太陽能電池板朝向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能裝置的太陽能利用率，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

太陽能伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)太陽跟蹤方式選擇

按照不同的分類方法，太陽跟蹤方式通常有傳感器跟蹤和視日運(yùn)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(cè)太陽光是否偏離電池板法線，當(dāng)太陽光偏離電池板法線時(shí)，傳感器發(fā)出偏差信號(hào)，經(jīng)放大、運(yùn)算后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使跟蹤裝置重新對(duì)準(zhǔn)太陽光。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，陰雨天則無法對(duì)準(zhǔn)太陽，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤(程序控制)，是根據(jù)太陽的實(shí)際運(yùn)行軌跡按預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤裝置跟蹤太陽。這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，其精度不高，但是符合實(shí)際運(yùn)行情況，應(yīng)用較廣泛。

單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽，高度角作季節(jié)性調(diào)整。雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個(gè)方向跟蹤太陽軌跡．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(chǔ)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的太陽能斯特林電廠中，所有太陽能集熱器都采用雙軸跟蹤系統(tǒng)。

(2)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤設(shè)計(jì)

太陽每天東升西落，站在地球表面的人會(huì)觀測(cè)到太陽很有規(guī)律的在天球上運(yùn)動(dòng)。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤就是利用plc控制單元根據(jù)相應(yīng)的公式和參數(shù)計(jì)算出白天時(shí)太陽的實(shí)時(shí)位置，然后發(fā)出指令給伺服電機(jī)去驅(qū)動(dòng)太陽跟蹤裝置，以達(dá)到對(duì)太陽實(shí)時(shí)跟蹤的目的。太陽在天球上的位置可由太陽高度角αs和太陽方位角γs來確定。太陽高度角αs又稱太陽高度、太陽俯仰角，是指太陽光線與地表水平面之間的夾角

(0≤αs ≤90°)[4]，可由下式計(jì)算得出：

(1)

(2)

式中各角度單位均為度，其中θ為當(dāng)?shù)鼐暥冉?；δ為太陽赤緯角；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?xí)rδ=23.5°，冬至?xí)rδ=-23.5°；太陽方位角是指太陽光線在水平面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角[4]，可由(3)式確定：

(3)

在太陽軌跡公式(1)，(2)，（3）中，涉及到3個(gè)天文地理坐標(biāo)，即太陽赤緯角δ、緯度角δ和時(shí)角ω。太陽能光伏發(fā)電地點(diǎn)的地理經(jīng)緯度通過gps等精密導(dǎo)航儀器可以方便獲得。而赤緯角和時(shí)角的計(jì)算需要通過時(shí)間確定，由于太陽在一年中的時(shí)角運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時(shí)間采用平太陽時(shí)，即太陽沿著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率，在工程計(jì)算中，就會(huì)存在時(shí)差問題(真太陽時(shí)與平太陽時(shí)之差)，因此必須采用真太陽時(shí)（t0），否則在實(shí)際計(jì)算中無法到達(dá)精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽時(shí)（t0），可以根據(jù)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)來校正時(shí)差值，我國區(qū)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(qū)的北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的經(jīng)度為120°，e為時(shí)差，可由下式計(jì)算得出：

(5)

(6)

因?yàn)槊?4小時(shí)地球自轉(zhuǎn)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°。可由下式計(jì)算出：

(7)

式中t為北京時(shí)間。另外n為1年中的日期序號(hào)，從1月1號(hào)開始起數(shù)，n＝1，每往后加一天，n＝n＋1，比如我們?cè)诖溯斎?65（天），就相當(dāng)于今年的6月12日，輸入286（天），就相當(dāng)于今年的10月13日，其他以此類推。

其中，當(dāng)太陽在正南方向時(shí)，（3）式中的方位角γs=0°，正南以西γs>0°，正南以東γs0°。為了有效跟蹤太陽的位置，除了要計(jì)算出太陽的實(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)太陽高度角αs=0°，由(1)式可計(jì)算出：

(8)

根據(jù)時(shí)角ω上午ω>0°，下午ω0°，得到日出時(shí)角：

(9)

(10)[next]

計(jì)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(tǒng)核心部件plc

可編程邏輯控制器plc[6]是太陽能跟蹤系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活和指令集強(qiáng)大的歐姆龍公司cp1h-x系列的plc；用戶程序包括浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、定時(shí)器、脈沖指令輸出等復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及特殊功能寄存器等指令內(nèi)容，從而使cx－programmer能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)，以達(dá)到控制的目的。另外，選用cp1h不僅能用于獨(dú)立的太陽能設(shè)備跟蹤系統(tǒng)控制，特別是對(duì)于串、并聯(lián)的大型光伏太陽能陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮plc現(xiàn)場(chǎng)總線的控制優(yōu)勢(shì)進(jìn)行集中控制。

(4)風(fēng)速傳感器模塊

為了保護(hù)跟蹤裝置組件不被大風(fēng)吹壞，設(shè)計(jì)了大風(fēng)響應(yīng)中斷子程序。風(fēng)速達(dá)到13m／s時(shí)，風(fēng)速傳感器輸出脈沖信號(hào)，程序進(jìn)入高速脈沖中斷響應(yīng)子程序，太陽電池板自動(dòng)放平，停止跟蹤，大風(fēng)過后5分鐘快速恢復(fù)自動(dòng)跟蹤[7]。風(fēng)速傳感器可以對(duì)多個(gè)太陽電池方陣進(jìn)行群控，而且具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，適合惡劣環(huán)境工作等特點(diǎn)。

(5)控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)x-y二維聚光發(fā)電伺服跟蹤系統(tǒng)控制硬件結(jié)構(gòu)基本配置如下：上位機(jī)采用歐姆龍plc、歐姆龍電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。

圖1 跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在一天的整個(gè)過程中，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日輻射量。系統(tǒng)由一臺(tái)歐姆龍伺服電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)成方位角轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一臺(tái)歐姆龍伺服電機(jī)和直線導(dǎo)軌構(gòu)成高度角轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。光伏跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了開環(huán)程序控制方式，避免了偶爾云層遮擋太陽能伺服跟蹤系統(tǒng)造成的干擾。首先用一套公式通過上位機(jī)plc算