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       隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問(wèn)題日益突出，太陽(yáng)能這一清潔的可再生能源，已受到許多國(guó)家的高度重視和利用。中國(guó)不僅太陽(yáng)能資源豐富，而且分布范圍較廣，因此充分利用太陽(yáng)能資源成為重點(diǎn)能源戰(zhàn)略。

　　由太陽(yáng)能電池板的特性可知，其發(fā)電量與照射到它上面的光照強(qiáng)度成正比，接受太陽(yáng)的直射光，可以得到太陽(yáng)最大光照強(qiáng)度。試驗(yàn)證明，采用相同功率的太陽(yáng)電池板，自動(dòng)跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備要比固定式光伏發(fā)電設(shè)備提高發(fā)電量至少25%以上，成本下降20％。由于太陽(yáng)的位置每時(shí)每刻都在變化，若想在太陽(yáng)能電池板上得到最大輸出功率，就必須隨時(shí)跟隨太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，確保太陽(yáng)光始終垂直照射到太陽(yáng)能電池板，而太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的使用可以實(shí)現(xiàn)這一目的。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)控制，根據(jù)系統(tǒng)是否存在反饋，可分為：閉環(huán)、開(kāi)環(huán)、混合三種控制方式。整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

　　圖1：光伏發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)

　　開(kāi)環(huán)控制方式又分為勻速運(yùn)動(dòng)跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)跟蹤。

　　由于地球的自轉(zhuǎn)速度是固定的，可以認(rèn)為，早上太陽(yáng)從東方升起經(jīng)正南方向向西運(yùn)動(dòng)并落山，太陽(yáng)在方位角上以15°/h勻速運(yùn)動(dòng)，24h移動(dòng)一周。高度角等于當(dāng)?shù)鼐暥茸鳛橐粋€(gè)極軸不變。其跟蹤過(guò)程是將固定在極軸上的太陽(yáng)能電池板以地球自轉(zhuǎn)角速度15°/h的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，即可達(dá)到跟蹤太陽(yáng)，保持太陽(yáng)能電池板平面與太陽(yáng)光線垂直的目的。

　　該方法控制簡(jiǎn)單，但安裝調(diào)整困難，初始角度很難確定和調(diào)節(jié)，受季節(jié)等因素影響較大，導(dǎo)致控制精度較差。

　　太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡與時(shí)間、季節(jié)、當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度等諸多復(fù)雜因素有關(guān)。因此，可以將上述相關(guān)的數(shù)據(jù)預(yù)先輸入到PLC中通過(guò)程序計(jì)算出太陽(yáng)方位角和高度角，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的同步，最終得出實(shí)際角度以實(shí)現(xiàn)精確的控制。由于該方法精度高，具有較好的適應(yīng)性,因此會(huì)詳細(xì)介紹此方法。

　　閉環(huán)控制一般采用傳感器來(lái)檢測(cè)入射光線是否與接收光表面垂直，當(dāng)出現(xiàn)偏差角度達(dá)到設(shè)定值時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高度角和方位角的跟蹤，常用的傳感器有光電池、光敏電阻等。

　　開(kāi)環(huán)和閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)都存在著自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)是在有云的情況仍能正常工作，缺點(diǎn)是存在累積誤差，并且自身不能清除；閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是自身能夠通過(guò)反饋來(lái)消除誤差，但是也存在著在云多的情況下工作不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

　　混合控制就是結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)和克服兩者的缺點(diǎn)，在一般沒(méi)有云的情況下使用閉環(huán)的傳感器跟蹤，但當(dāng)云擋住太陽(yáng)的時(shí)候，控制系統(tǒng)立即改變?yōu)殚_(kāi)環(huán)控制方式，繼續(xù)跟蹤，直到云過(guò)去后，再重新使用傳感器跟蹤。交替開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的混合控制系統(tǒng)，結(jié)合開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制的偏差信號(hào)，所以能夠得到最佳的控制效果。因?yàn)殚]環(huán)和開(kāi)環(huán)控制本身都存在著內(nèi)部偏差，所以這種混合控制方式將提供最準(zhǔn)確的控制信號(hào)。

　　追日系統(tǒng)的作用是使聚光器的軸線始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，實(shí)現(xiàn)效率最大化。圖2為拋物槽式集熱器。根據(jù)入射光線和主光軸的位置關(guān)系，可以將跟蹤形式分成：雙軸跟蹤和單軸跟蹤。雙軸跟蹤使得入射光跟主光軸方向時(shí)刻保持一致。而單軸跟蹤，只需入射光在主光軸和焦線的平面內(nèi)即可。

　　圖2：拋物槽式集熱器示意圖

　　其中：B——聚光鏡開(kāi)口口徑，f——反射鏡焦距，Y—反線——主光軸

　　槽式聚光集熱器一般是南北布置、東西跟蹤或東西布置、南北跟蹤，其特點(diǎn)是一維跟蹤水平布置，大型槽式太陽(yáng)能聚光器不僅驅(qū)動(dòng)扭矩大，而且驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度范圍廣。槽式聚光器采用主動(dòng)式跟蹤，其跟蹤太陽(yáng)的角度算法和二維雙軸跟蹤的跟蹤角度算法有很大區(qū)別。

　　本文針對(duì)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的聚光器特點(diǎn)設(shè)計(jì)槽式太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)，采用PLC計(jì)算視日運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)槽式聚光器進(jìn)行主動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤，不依賴于氣候變化。本文設(shè)計(jì)的槽式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，能根據(jù)風(fēng)速和時(shí)間自動(dòng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、全天候的太陽(yáng)跟蹤。如圖3所示。

　　圖3：槽式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

　　追日系統(tǒng)包括兩個(gè)重要參數(shù)：太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角。

　　太陽(yáng)高度角指太陽(yáng)中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角，即是指太陽(yáng)光的入射方向和地平面之間的夾角。

       太陽(yáng)方位角即太陽(yáng)所在的方位，指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽(yáng)光下的陰影與正北方的夾角，取順時(shí)針?lè)较颉Ｈ鐖D4所示。

　　圖4：太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角示意圖

　　主動(dòng)式跟蹤需要精確計(jì)算太陽(yáng)位置，比利時(shí)天文專家JeanMeeus和美國(guó)國(guó)家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）公布一種高精度太陽(yáng)位置的計(jì)算算法（solarpositionalgorithm，SPA）。臺(tái)達(dá)PLC提供專用的SPA指令，輸入當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度等相關(guān)信息后，會(huì)自動(dòng)得到當(dāng)前太陽(yáng)的高度角和方位角。如圖5、表1所示。

　　圖5：SPA指令輸入界面

　　表1：SPA指令輸入?yún)?shù)

　　聚光器跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)包括東極限位到西極限位的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)及對(duì)應(yīng)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，拋物槽式聚光器槽口幾何中心朝正東方向定義為零位（東極限位），系統(tǒng)由東向西跟蹤太陽(yáng)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)榻嵌仍黾?，系統(tǒng)由西向東順時(shí)針?lè)较驗(yàn)榻嵌葴p少，拋物槽式聚光器槽口幾何中心朝正西方向定義為180°（西極限位），跟蹤角度范圍為0～180°。槽式聚光器跟蹤太陽(yáng)的角度算法和二維雙軸跟蹤的跟蹤角度算法有很大區(qū)別。在基于臺(tái)達(dá)SPA指令計(jì)算當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的太陽(yáng)高度和方位，再經(jīng)過(guò)PLC計(jì)算出單軸旋轉(zhuǎn)角度。如圖6所示。

　　圖6：自動(dòng)追日顯示界面

　　通過(guò)臺(tái)達(dá)PLC的萬(wàn)年歷來(lái)設(shè)定每天啟動(dòng)和停止跟蹤的時(shí)間，到達(dá)停止時(shí)間后自動(dòng)回原點(diǎn)，等到第二天自動(dòng)啟動(dòng)跟蹤追日。

　　圖7：自跟蹤狀態(tài)界面

　　另外，追日系統(tǒng)還具有大風(fēng)、大雪、高溫自動(dòng)降熱和維修等保護(hù)功能。

　　本文介紹基于臺(tái)達(dá)PLC的槽式單軸跟蹤太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，采用主動(dòng)式跟蹤太陽(yáng)的日運(yùn)動(dòng)軌跡控制策略，以簡(jiǎn)單的太陽(yáng)位置計(jì)算法實(shí)現(xiàn)槽式太陽(yáng)集熱器的精確太陽(yáng)跟蹤，控制器不受外界天氣和光電傳感器影響。臺(tái)達(dá)PLC提供專用的SPA指令，方便開(kāi)發(fā)者計(jì)算太陽(yáng)高度角和方位角，避免復(fù)雜算法編制。