1、基于欧姆龙 PLC 的太阳能集热系统设计1 引 言在当前世界能源紧张，各种能源价格飞涨的形势下，各国都将眼光投向了可再生能源，一则这种能源可再生，取之不尽、用之不竭；再则，可再生能源对环境友好，对地球及人类的生存环境的危害几乎可以忽略不计。在可再生能源中，太阳能无疑是最引人瞩目的，太阳能的开发利用日益广泛，其技术也日益成熟。中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。然而，找到可靠的太阳能跟踪系统，是聚热型太阳能系统运行效率的基本保证，也是太阳能聚热系统投入运行的重要前提之一。资料表明Omron 公司也非常重视太阳能系统的开发。在西班牙马德里郊外的日平均输出功率 630-640kwh 的太
2、阳能光伏发电系统中，Omron 公司的控制部件就在太阳跟踪和电能转换上就发挥了重要的作用。本文也是利用 Omron 的控制部件，设计出抛物面聚热型太阳能控制系统，投入使用，并起到良好的集热效果，提高了国内太阳能集热器的控制水平。2 抛物面聚热型太阳能集热器抛物面聚热型太阳能集热器主要由抛物面型反射镜面、集热管、跟踪机构以及热水系统组成，如图 1 所示。反射镜面用于将阳光反射并聚焦到集热管上，以积聚热能。反射镜面采用抛物面，材料为镜面铝板，表面有不亲灰的涂层。集热管位于抛物面的焦点位置，用于吸收反射镜面反射的阳光，加热管内循环水。集热管内管为不锈钢金属管，外管为玻璃管，内外管之间为真空，以隔绝传
3、热。阳光穿过外管照射到涂有铝氮铝光谱选择性涂层的金属管上，以积聚太阳能。跟踪机构控制太阳能集热板跟踪太阳不停的转动,确保集热管始终处在太阳反射光线的焦线位置。热水系统由热水泵，温度传感器，流量开关，压力控制器等组成，将集热管中的热量输送到外部系统，保证热水系统的循环运行。3 控制系统工作原理控制系统中的核心控制器根据当地经纬度，当地标准时间以及太阳能集热器的安装方位，计算出太阳集热板的聚焦角度；然后控制器输出脉冲信号，通过脉冲信号放大器控制步进电机SM，步进电机 SM 带动减速箱和传动齿轮，不断的调整集热板的角度，使集热管始终处于焦点位置，达到最高的集热效率。磁性传感器 ZM 用来检测步进电机
4、是否转动，防止传动系统故障；XCW，XCC 限位开关，用于限制集热板的转动位置。然而仅仅采用太阳角度计算公式来跟踪太阳有一定的局限性，与集热板的安装精度，安装角度的测量有很大的关系。所以采用光辐射传感器，判断聚焦点偏离情况，并做相应的调整，保证聚焦效果。通过太阳角度计算公式粗调，通过光辐射传感器反馈进行精调的闭环控制方案，使集热板能快速，准确的找到聚焦位置，保证太阳能的利用效率。此外控制器控制热水泵和热水温度，保护热水系统的循环运行和安全。4 控制系统组成控制系统采用 OMRON 公司的 CJ1-CPU23 作为控制器，该CPU 内置两路脉冲 I/O 通道，可单独控制两列集热器，如果太阳能集热
5、板阵列超过两列，则增加位置控制模块 CJ1W-NC413，每列集热板单独控制，使各列的操作性强，控制灵活；采用CJ1ID211 和 CJ1OC211 开关量输入输出模块，采集限位开关状态，控制热水泵等；CJ1AD08 用于采集光辐射、热水压力模拟量信号；CJ1 DRM21 和 DRT2TS04P 网络模块采集热水和环境的温度，且方便以后扩展控制系统，NT5Z 触摸屛用于设计操作界面，设定参数和显示太阳能集热器的状态。图 2 示出控制电柜。 5 控制系统软件设计控制系统软件可分四大功能模块：按太阳规律计算集热板角度、角度转换脉冲信号输出、光辐射自动跟踪、热水系统控制。5.1 太阳能集热板角度计算
6、太阳运动规律的计算方法在solar position algorithms for solar radiation applications中有详细的说明，按照公式计算出太阳高度角 GD 和太阳方位角 FW(见图 3)，就确定了某时刻太阳相对地面某一点的位置。根据太阳能集热器的安装方位 AF，可以计算出太阳能集热板需要的角度 RS。这样抛物面跟踪规律可作为二维问题来处理，只要保证 RS 计算正确，就可以实时跟踪太阳。(1) 太阳高度角 GD 是地球表面上某点和太阳的连线与地平面之间的交角，它随着当地纬度、季节、每日时刻的不同而改变，可根据当地纬度、赤纬角、时角计算。按照下式计算。GD = ar
7、csin(sin(La)sin(CW)+cos(La)cos(CW)cos(SJ) La当地纬度，单位为度。式中：H - 真太阳时. 当地太阳位于正南向的瞬时为正午；Hs该地区标准时间。（单位：小时）；L、LS分别为当地的经度和地区标准时间位置的经度；e时差，单位为分钟；其值可按下式近似计算：e = 229.2(7.510-5+0.001868cosB-0.032077sinB-0.014615cos2B-0.04089sin2B)；B=360(n-1)/365； (1n366)分母需要区分平年和闰年。(2) 太阳方位角（FW）是太阳至地面上某给定点连线在地面上的投影与正南向的夹角。方位角在太
8、阳偏东时为负，偏西时为正。太阳方位角 FW 可由当地纬度、赤纬角、时角、高度角计算，公式如下：FW =C1C2arcsin(sin(SJ)cos(CW)/cos(GD) + 180C3(1- C1C2)/2 ；C1 C2 C3 常量。(3) 太阳能集热器角度(RS)是太阳光线与反射镜弦面的交角。可由高度角、方位角、集热器安装角计算，公式：RS= arctan(tan(GD)/cos(FW-AF);可见,太阳角度的计算很复杂,并需要采用浮点数计算，如果用梯型图编写将会很困难,且出现问题那很难检查。但如果能使用高级语言编写，纯属的计算就很简单了。此时，采用 OMRON 功能块的结构化文本（ST）语
9、言编写, 这个问题迎韧而解。集热板角度计算功能块 SolarRSCalculate_Real 如图 4 所示。输入参数为：当地经度，当地纬度，安装方位角，当地时间，当年天数；计算输出为：集热板角度，真太阳时，高度角，方位角；数据格式：浮点数；此外，采用 Matlab 编写的仿真程序计算( 见图 5)出来的结果与 OMRONPLC 功能块计算出来的结果相同，表明集热板角度计算功能块 SolarRSCalculate_Real 设计正确。5.2 角度转换脉冲信号输出PLC 计算出集热板角度后，需要将角度转换为脉冲信号输出，控制步进电机，使集热器转到指定位置。根据齿轮的降减速比、步进电机和步进电机驱
10、动器特性可以计算出脉冲数。假设集热板需要转动 0 .3（相对角度）：由以上比例可得，转动 0.1需要发出 56 个脉冲，这样就将角度转换成了所需的脉冲数；然后采用 CXP 软件中的 FB 库中OmronlibPositionControllerNCxNCx021_MoveRelative 的功能块控制 NC 模块输出脉冲 (见图 6)。由于集热板的角度采用相对位置控制，在集热板首次运行过程中，需要确定集热板的原点。使 PLC 能计算出集热板的绝对位置。确定原点时，集热板向顺时针方向偏转，当达到 XCW 限位开关时，将当前位置作为原点位置，然后采用相对角度的方法控制集热板运行。在步进电机转动的过
11、程中，采用磁性传感器 ZM判断步进电机是否转动。如果 PLC 发出脉冲信号，但磁性传感器ZM 没有检测到信号则认为步进电机堵转，并报警提示。5.3 自动跟踪反馈装置的设计只有太阳光实时的聚焦在集热管上，才能保证集热板的集热效率。集热板偏离 0.6，太阳反射光就没有聚焦在集热管，所以控制系统的准确性很重要。采用如图 7 所示的聚焦反馈装置，可以解决这个问题。反馈装置与集热管平行安装，太阳光通过条形挡板后，阴影投在两个辐射仪之间。聚焦准确时，两个光传感器检测的光辐射相同；聚焦偏离，则两个辐射仪之间有差值，通过判断差值，可以判断焦点偏离的方向和偏移量。光辐射仪采用420mA 信号输出，通过 CJ1AD08 模块量输入采集到控制系统，PLC 在按太阳规律计算的太阳角度的基础上进行微小的调整，到达控制要求。5.4 热水系统控制太阳能热水系统由热水泵，温度传感器，压力传感器等组成，将太阳能集热器产生的热水输送到外部系统，通过DRT2TS04P 温度终端模块采集的热水的出入口温度，可以用来判断集热板的工作效率，同时当热水超温或超压时，自动偏移焦点，对集热板进行保护。NT5Z 设计的触摸屛操作界面(见图 8)，用于显示集热板的运行状态，工况记录和设置控制参数。6 结束语
