《工业控制计算机）２０１０年２３卷第１期
ＡｕｔｏｍａｔｉｃＯｎｅ——ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＰｏｌａｒＡｘｉｓＳｕｎＴｒａｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＰＬＣ刘爽朱凯董宸（东南大学能源与环境学院，江苏南京２１００９６）
摘要
介绍了一种以ＰＬＣ为控制器的聚光极轴式太阳能自动跟踪系统。系统使用极轴式跟踪思想，利用合理的天文算法和对太阳的运动轨迹分析，将复杂的二维自动对日跟踪简化为一维极轴旋转式跟踪，在保证了系统对日跟踪精度的同时，极大地降低了系统的投入成本和自身能耗，增加了系统的可靠性，因此大幅提高了太阳能发电系统的总经济效益。 关键词：极轴。对日跟踪，一维，ＰＬＣ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
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ｇｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆＰＬＣ．Ｗｉｔｈｔｈｅｔｈｏｕｇｈｔｏｆｐｏｌａｒａｘｉｓｔｒａｃｋｉｎｇ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｍｂｉｎｅｓｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅｓｏｆ
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ａｘｉｓ．ｓｕｎｔｒａｃｋｉｎｇ，ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ，ＰＬＣ
目前太阳能发电存在很多问题，诸如照射能量分布密度小、获得的能源同四季昼夜及阴晴等气象条件有关、有效利用率低等，因而如何提高太阳能发电的总效益成为当今世界关注的热点，而作为太阳能
发电研究的核心技术，对日自动跟踪也成为了热点中的热点。极轴式太阳能自动跟踪系统，具有跟踪精度高、太阳能利用效率高、系统硬件与运行成本低等优点，考虑到发电行业对系统的可靠性要求较高，该系统采用ＰＬＣ作为控制器。１对日跟踪应用简介
１．１应用背景
太阳能发电可分为光伏和光热两种形式，光伏即利用太阳能电池板将光能直接转化为电能，光热则是利用聚光加热工质推动汽轮机作功发电。目前，多数太阳能发电设备都具有跟踪系统，但跟踪系统的自身能耗过大是造成太阳能发电不经济的一大原因，降低跟踪系统的自身能耗也因此尤为关键。
１．２应用原理
太阳对于地球上的任意一点来说，是在水平和垂直两个方向上运动的。根据天体运动学，可通过以下公式计算太阳理论位置：高度角ｄ：太阳光线与地平面的夹角。
ｓ『，ｈ＝ｓ打邱ｓ打嚼＋ｃＤｓ由ｃｏｓ８ｃｏｓ“，（１）方位角１：太阳光线在地平面的投影与南北方向线之间的夹角。
ｓｆｒＨ＝ｃｏｓ８ｓ愉／∞ｓｑ（２）式（１）、（２）中：‘ｐ为当地纬度角；８为赤纬角；‘１）为时角。
纬度角‘ｐ：纬度是指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角，由地理位置唯一确定。
赤纬角８：太阳光线与地球赤道面的夹角，仅与日期有关，第ｎ天的赤纬可表示为：
８＝２３．４５ｓ『『。八ｏＤｕ—２—８；ｉ４万＋ｉ—ｎ）（３）
ＪＤｏ
时角∞：可近似通过时间来获得，其误差可忽略：
∞＝１５（１２一ｔ）（４）因此，只要设计一运动机构，能在水平旋转和垂直俯仰方向上按上述理论值运动，就基本可以实现对日的跟踪应用。
１．３跟踪方式
目前，太阳能跟踪按跟踪方式（机械结构）主要有单轴、双轴和极轴跟踪：单轴跟踪只在水平方位角上跟踪太阳，高度角做周期性调整，忽略了太阳光的高度角日变化，显然跟踪效果较差。
双轴跟踪则在水平方位角和垂直高度角上同时跟踪，实现二维跟踪，其精度较高，但机械结构较复杂，不适合分布式小型太阳能装置。同时，二维跟踪需要两台电机，提高了系统的耗功。再者，太阳高度角、方位角计算较为复杂，不利于实现。
极轴式是一种建立在对太阳运动分析与合理计算基础上的，即可以由二维简化为一维调节，也可以实现精确跟踪的新型跟踪方法，其具体原理将在下文详述。
２一维极轴原理详述
实际上，换一种角度思考不难发现，太阳相对于地球的运动是由于地球的公转和白转引起的，要想太阳光线每时每刻都垂直照射在太阳能电池板上，只要能抵消地球的这两个运动就可以实现，如图１。
太时圯
图１极轴式跟踪示意圈
碳管炉若把太阳当作无穷大，则其射向地球的应该是平行光。这时，如果设计一根极轴使之与地轴平行，极轴旋转就可抵消地球的自转，极轴与地平面的夹角就是该点的地理纬度角，由于地球每天自转一圈，所以极轴要跟踪旋转的角度很大，每天需跟踪旋转１８００，这就需要实时调节，故设计为自动调节。而为保证电池板能与太阳光垂直，还需使太阳能板与极轴保持一个夹角，这就是赤纬夹角，地球公转使赤纬角发生变化，夏至日，太阳直射北
万方数据
２基于ＰＬＣ一维极轴自动控制的对日跟踪系统
回归线（２３．５。Ｎ）上，北半球倾向太阳，冬至！Ｅｌ，太阳直射在南回归线（２３．５。Ｓ）上，南半球倾向太阳，即半年内赤纬角变化了４７０，此角度ＩＥＩ变化不足Ｏ．３０，故完全可以通过周期性的机械调节来抵消地球公转的影响，以满足跟踪要求。这就使二维跟踪变为了一维问题。
设二维实时调节的调节精度为１００％，忽略其他影响因素，每半月一次的一维极轴式调节系统调节精度与其相差并不大，对发电总效率的影响很小，而通过技术经济估算表明总经济效益却比二维跟踪系统高出２０％，比不跟踪系统高出约２５％。
３系统的实现
金属检测传感器
３．１机械结构
图２机械结构简图
如图２所示，运动机构部分主要通过类似万向节的双轴结构，其中传感器用于感测光线在极轴旋转方向上的偏差，并交由ＰＬＣ计算给出控制信号，极轴通过联轴器与步进电机直接相连，ＰＬＣ控制步进电机做一维实时自动调节，步进电机带动极轴转动，连同电池板、传感器和聚光板一起转动，以抵消地球自转。俯仰角调节轴就是赤纬角调节轴，并通过轴套与极轴固定，随极轴转动，按一定周期机械微小旋转该轴，即可实现抵消地球公转引起的赤纬夹角变化。极轴与地平面的夹角就是当地纬度角
tokyo hot n0808相等，保证了极轴与地轴平行，该角度根据各使用地纬度加工成型后不再改变，如有偏差，可通过调节赤纬角调节轴进行补偿。
３．２控制流程
控制流程如图３所示。
控制作用是指对极轴旋转角
度的控制调节，由ＰＬＣ每天实时
自动进行，对于需定期机械调节的
赤纬角部分则按规定角度通过周
期性人工调节实现即可。极轴旋转
自动调节控褂分为粗调和细调两
部分：粗调每隔半小时进行一次，
利用时钟计算出太阳运行轨迹，使
极轴旋转到理论位置，粗调是开环
调节。细调完全根据传感器的偏差
信号交由ＰＬＣ计算得出控制信号
图３控制流程图
细调实时进行，属于闭环调节，保证了调节结果的无偏性。粗调细调结合使用则保证了调节在时间轴上的连续，也避免了太阳照射光线与电池板平面偏差过大传感器无法感应的问题。
３．３ＰＬＣ控制器的应用审批流
ＰＬＣ作为太阳能追踪系统的控制器，主要完成以下几项工作：偏差信号采集、偏差信号运算、控制信号输出、保护和故障处理。以三菱ＱＯＯＪＰＬＣ为例，接线原理简图如图４所示。
图４控制器接线简图
启停等人工控制信号通过ＱＸ４０输入模块输入。
系统采用步距角１．８０，１／１６细分的步进电机作为原动机，为了保证运行的平稳和顺畅性，同
时又不至于出现因输出脉冲宽度过短、失步严重的现象，将ＰＬＣ控制输出脉冲周期设为２０ｍｓ，用ＰＬｃ内部定时器加以实现，输出模块采用晶体管型ＱＹ４１Ｐ。偏差信号通过Ｑ６４ＡＤ四路ＡＤ转换输入模块采集，模块设置为高分辨率（１２０００），测量范围Ｏ一５Ｖ。对四路传感器信号及环境信号进行采集，精度较高能满足系统的要求。
经测试发现，在实际运行中系统可能出现最多的问题就是由于风压、冲击等其他扰动的原因出现ＰＬＣ采集信号在死区临界点抖动、正负偏差交替，导致机械设备因惯性抖动，从而偏差信号更加无法稳定、调节作用无法停止的现象。为解决这一问题。可以在ＰＬＣ中设计一段记下步进电机方向信号在一定时间内的改变次数的程序，如果次数大于一定值则中断ＰＬＣ执行约３秒，以使设备稳定后再继续运行。
另外，为使系统在意外断电再启动的工况下仍能正常运行，系统设计为每次上电后自动强制复位，并进行一次初始化以确定在该运行时刻的初始运行位置。
４结束语
基于ＰＬＣ控制的一维极轴式太阳能追踪系统在保证了设备的运行可靠性基础上，利用设计思想的改进成功解决了目前太阳能追踪设计所面临的成本与精度的矛盾问题。由于ＰＬＣ可靠性高，抗干扰能力强，适合于工业控制场合，故本系统可改造用作大规模太阳能发电。一维极轴跟踪技术是在对ＩＥ
Ｉ跟踪原理上的一种改进，合理的简化可以大幅降低太阳能发电项目的设备投入、运行维护成本，同时又不损失跟踪效率，进而使总经济效益大大提高，且此跟踪技术不但可用于聚光光伏发电项目，对光热发电同样适用，因此应用潜力十分巨大，前景相当广阔。
茂发跳跳糖
变压器蝶阀参考文献
［１］魏秀东，卢振武，刘华．一种新型极轴跟踪式定日镜的研究［Ｊ］．太阳能学报，２００７（６）
［２］龚仲华，史建成，孙毅．三菱ＦＸ／Ｑ系列ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．人民邮电出版社，２００９
［３］陈旭平，熊德敏，胡联红．步进电动机在太阳能跟踪器上的应用［Ｊ］．今日科技，２００８（８）
［４］吕文华，贺晓雷，于贺军，等．全自动太阳跟踪器的研制和应ｍ。Ｊ］．光学精密工程，２００８（１２）
［收稿日期：２００９．８．３０］万方数据
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