【太阳能跟踪控制系统方案分析案例3600字】

太阳能跟踪控制系统方案分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u6330太阳能跟踪控制系统方案分析案例 181111.1太阳能跟踪控制系统的基本构成 1325351.2太阳跟踪的常用方法 2152241.1.1光电跟踪 241501.1.2视日运动轨迹跟踪 4264441.3线性菲涅尔光热发电技术 4187621.4需求分析 51.1太阳能跟踪控制系统的基本构成太阳能跟踪控制系统是能实时跟踪太阳，为提高太阳能利用率而提出的设计方案，它的原理是通过集热器采集太阳辐射能，通过接收器加热流体工质，直接或间接产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机转动，带动发电机发电。太阳能跟踪系统最重要的部分是控制和跟踪，控制部分的作用是将太阳的实时位置直接或间接输出给动力装置，跟踪部分则是将控制部分输出的信号通过分析、处理后驱动太阳集热器转动，使光线采集面始终与太阳入射光线垂直，提高太阳利用率。太阳能跟踪控制系统根据其聚光形式的不同，可划分为槽式、碟式、塔式、线性菲涅尔四类，根据聚光器的转轴个数可分为两类，单轴跟踪和双轴跟踪。两轴跟踪是根据太阳高度角和赤纬角的变化情况而设计的，它要求入射角与主光轴方向一致，以便获得更多的太阳能，但设备结构复杂，制造和维修成本高。单轴跟踪只要求满足入射光线位于含有主光轴和焦线的平面上，结构简单但跟踪准确度不高。其中槽式和线性菲涅尔采用单轴跟踪，塔式和碟式采用双轴跟踪。太阳能跟踪控制系统从整体结构上又可以划分为光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪，即主动跟踪和被动跟踪。被动跟踪没有电机或电子控制设备，只是根据一些忆合金的位置记忆特点进行控制，它的跟踪精度低，会有累积误差。主动跟踪根据有无控制器又可分为两类，无控制器的主动跟踪其跟踪控制系统是完全由电子电路构成，设备结构复杂，跟踪精度低，功能单一，逐渐被淘汰。而含有PLC、单片机等控制器的主动跟踪，控制功能强大、应用方便逐渐成为跟踪控制系统的主流。主动跟踪根据其控制方式的不同又可分为闭环控制、开环控制和混合控制三种。闭环控制是将太阳位置传感器采集到的数据，传输到控制器中，进行数据处理，将偏差信号反馈给动力执行装置，控制镜面转动跟踪太阳，结构简单、易受天气影响。开环控制是指不需要太阳位置传感器采集光强信号，只需要根据视日运动轨迹，确定太阳高度角和方位角，控制镜面转动。以前的开环控制是通过控制镜面一定时间转过固定角度来进行的，跟踪精度低，适用范围少。而现在的开环控制是根据太阳位置的算法判断当地太阳的高度角和方位角，再通过相关程序进行控制，提高了系统跟踪精度。混合控制是结合了开环控制和闭环控制的优点设计的，开环跟踪，闭环纠错，有效提高了跟踪控制的精度。1.2太阳跟踪的常用方法跟踪太阳的方法有光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。根据视日运动轨迹跟踪可以分为双轴跟踪和单轴跟踪。1.1.1光电跟踪对太阳光的跟踪主要目的是使太阳入射光线垂直照射到光场集热器上，能够使太阳能的利用效率达到最优。太阳能跟踪控制系统的光电跟踪是通过太阳光线入射角度的改变，控制动力执行机构转动。当光敏元件检测到太阳光照强度时，将光信号通过运算放大电路、滤波电路及模数转换后，对两个电信号进行分析处理，反馈给动力执行机构，判断太阳光是否垂直照射在太阳集热器上，当太阳入射光发生偏转时，控制动力执行机构转动，调整光线采集面的位置。此种控制方式为闭环控制，整个系统跟踪精度高，但容易受外界环境因素的影响，在阴雨天、沙尘等恶劣情况下，跟踪系统受到严重制约，使得跟踪效果达不到理想状态，所以在实际应用中需与其他跟踪模式相配合使用。光电跟踪有三种不同的检测方式，分别为隔板式光电跟踪、金字塔式光电跟踪和光筒式光电跟踪。隔板式光电跟踪是将一垂直挡板插在底部的光强采集板上，正常工作时，当太阳光垂直照射时，挡板两侧的感光元件接收到的光信号相同，当太阳倾斜照射时，因为挡板的作用，左右两侧感光元件接收到的感光信号不同，若太阳左偏，则当太阳照射时，太阳光主要照射在左侧，右侧光线被挡板遮挡，无法照射在右侧感光元件上，所以左侧的感光信号大于右侧，判定太阳左偏，将感光差值转换成电信号差，控制动力执行机构调整反射镜面转动。此种检测方式主要特点是设备结构简单、容易操作、价钱便宜，但由于其结构特性易受微弱光线干扰，影响系统的跟踪精度。金字塔式光电跟踪外形是模仿金字塔创造的，工作原理与隔板式光电跟踪有相似之处。正常工作时，当太阳光垂直照射时，四面体前、后、左、右四面接收到的太阳辐射量是相同的，当太阳入射光线偏移时，因为余弦效应会使各面感光元件的入射角会发生改变，若光线左移则左侧感光元件的入射角会减小，电流也随之增大，而右侧感光元件的入射角会增大，电流也随之减小。通过电流差控制动力执行机构的转动。这种光电跟踪检测方式也容易受杂光的干扰，影响跟踪精度。光筒式光电跟踪是在底面固定放置四个感光元件，外围通过一圆柱形光筒包围，圆柱顶部开有一圆孔，正常工作时，太阳光垂直照射四个感光元件接收信号相同，太阳光偏移时，当光线照射在在圆筒上时，会在感光元件上形成光斑，光斑的面积不同则对应的电压信号不同，通过计算偏差值控制动力执行机构动作REF_Ref72271285\r\h[8]。此种光电跟踪被大量应用，它解决了前两种检测方式易受杂光干扰的问题，且工作效率有显著提高。它的工作原理是太阳光照射在圆筒上时，通过凸透镜会在光敏元件上形成映像，从而产生不同的光斑，在光强采集板四个区域形成的光斑面积，使得光敏元件的输出电流值发生偏差，进而控制动力装置跟踪太阳。光斑在四个区域的面积计为S1、S2、S3、S4,与之相对应的电流为I1、I2、I3、I4,通过运算放大器形成的电压为U1、U2、U3、U4，当太阳光对探测器垂直照射时，光斑中心与探测器中心位于同一位置，当太阳光倾斜照射时，光斑中心与探测器中心位置发生偏差，即两者在水平方向上产生一个角度，记为α，在垂直方向上产生一个角度记为β。通过控制使得α、β为零时，则说明太阳光再次垂直照射到光敏元件上。Uα表示太阳光线在光斑中心和探测器中心水平方向上的角度偏移量，Uβ表示太阳光线在光斑中心和探测器中心垂直方向上的角度偏移量，则表示为Uα光斑的自身功率会对Uα、Uβ造成影响，应尽量减小，需对其进行进一步处理，去除光斑自身功率影响后得到的信号记为Eα、Eβ,表示为EE将计算得出的偏移量Eα、Eβ传输给控制器，用于驱动动力装置转动，使得反射镜面实时跟踪太阳运动。1.1.2视日运动轨迹跟踪地球在自转的同时还进行着公转，要对太阳进行视日运动轨迹的跟踪，首先需了解其运行轨迹。通过对太阳高度角和方位角相关公式的分析研究，可以得出当某地的经纬度和时间确定时，可以通过计算得出太阳高度角和方位角的确切结果REF_Ref72271294\r\h[9]REF_Ref72271301\r\h[10]。视日运动轨迹跟踪就是通过一系列的太阳位置算法，计算出某地任意时刻的太阳高度角和方位角，与镜场目前所在位置进行比较，算出两者之间的角度差，驱动动力执行装置控制镜场转动。因为地球自转和公转的作用，在此种跟踪方式下会存在累积误差。视日运动轨迹跟踪可分为单轴和双轴跟踪，单轴是跟踪太阳方位角，双轴则同时跟踪太阳高度角和方位角。视日运动轨迹跟踪的优点是跟踪精度高，系统不易受环境等因素的影响；缺点是系统复杂，因太阳高度角和方位角的确定需要根据镜场实际位置的经纬度和具体时间确定，所以对不同的地区需重新设置经纬度数据。1.3线性菲涅尔光热发电技术线性菲涅尔光热发电技术是利用二次反射原理，首先利用平面反射镜将太阳入射光线汇集于集热器中，再通过复合抛物面的二次反射，将光线汇聚于吸热器中，加热工质水，产生高温高压水蒸汽，最终驱动发电机发电。本设计系统对线性菲涅尔聚光系统的跟踪控制是闭环单轴跟踪控制系统。图1线性菲涅尔光热电站1.4需求分析本跟踪控制系统的设计是基于PLC和触摸屏设计的一种太阳能光场跟踪控制系统的设计，使得跟踪控制系统能够满足跟踪装置稳定可靠、抗干扰性能好和跟踪精度高等特点，跟踪控制系统所需实现的功能有：1、两个光敏电阻接收光信号，通过光敏电阻光强比较法确定反射镜镜面左右两侧太阳光照强度的大小，确定太阳光线照射在镜面时的偏转方向。2、将采集到的模拟量传输到PLC中，在PLC内部对两个模拟电压信号S1、S2进行分析处理，根据两信号的偏移差确定电机的旋转角度，两信号相比较，大于时控制电机正转，小于时控制电机反转，等于时则电机不动作，使得太阳入射光线能够垂直照射在镜面。3、PLC驱动步进电机转动，使镜场实时跟踪太阳，步进电机需要专用步进驱动器才能动作，PLC与步进电机驱动器之间采用共阴极接法。4、当光强传感器在晴天采集不到光信号时，则说明反射镜面距初始位置转过