1 引 言
在當(dāng)前世界能源緊張，各種能源價(jià)格飛漲的形勢(shì)下，各國都將眼光投向了可再生能源，一則這種能源可再生，取之不盡、用之不竭；再則，可再生能源對(duì)環(huán)境友好，對(duì)地球及人類的生存環(huán)境的危害幾乎可以忽略不計(jì)。在可再生能源中，太陽能無疑是最引人矚目的，太陽能的開發(fā)利用日益廣泛，其技術(shù)也日益成熟。中國蘊(yùn)藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊。然而，找到可靠的太陽能跟蹤系統(tǒng)，是聚熱型太陽能系統(tǒng)運(yùn)行效率的基本保證，也是太陽能聚熱系統(tǒng)投入運(yùn)行的重要前提之一。資料表明Omron公司也非常重視太陽能系統(tǒng)的開發(fā)。在西班牙馬德里郊外的日平均輸出功率630-640kwh的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，Omron公司的控制部件就在太陽跟蹤和電能轉(zhuǎn)換上就發(fā)揮了重要的作用。本文也是利用Omron的控制部件，設(shè)計(jì)出拋物面聚熱型太陽能控制系統(tǒng)，投入使用，并起到良好的集熱效果，提高了國內(nèi)太陽能集熱器的控制水平。
2 拋物面聚熱型太陽能集熱器
拋物面聚熱型太陽能集熱器主要由拋物面型反射鏡面、集熱管、跟蹤機(jī)構(gòu)以及熱水系統(tǒng)組成，如圖1所示。反射鏡面用于將陽光反射并聚焦到集熱管上，以積聚熱能。反射鏡面采用拋物面，材料為鏡面鋁板，表面有不親灰的涂層。集熱管位于拋物面的焦點(diǎn)位置，用于吸收反射鏡面反射的陽光，加熱管內(nèi)循環(huán)水。集熱管內(nèi)管為不銹鋼金屬管，外管為玻璃管，內(nèi)外管之間為真空，以隔絕傳熱。陽光穿過外管照射到涂有鋁氮－鋁光譜選擇性涂層的金屬管上，以積聚太陽能。跟蹤機(jī)構(gòu)控制太陽能集熱板跟蹤太陽不停的轉(zhuǎn)動(dòng),確保集熱管始終處在太陽反射光線的焦線位置。熱水系統(tǒng)由熱水泵，溫度傳感器，流量開關(guān)，壓力控制器等組成，將集熱管中的熱量輸送到外部系統(tǒng)，保證熱水系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行。
3 控制系統(tǒng)工作原理
控制系統(tǒng)中的核心控制器根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間以及太陽能集熱器的安裝方位，計(jì)算出太陽集熱板的聚焦角度；然后控制器輸出脈沖信號(hào)，通過脈沖信號(hào)放大器控制步進(jìn)電機(jī)SM，步進(jìn)電機(jī)SM帶動(dòng)減速箱和傳動(dòng)齒輪，不斷的調(diào)整集熱板的角度，使集熱管始終處于焦點(diǎn)位置，達(dá)到最高的集熱效率。磁性傳感器ZM用來檢測步進(jìn)電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，防止傳動(dòng)系統(tǒng)故障；XCW，XCC限位開關(guān)，用于限制集熱板的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。然而僅僅采用太陽角度計(jì)算公式來跟蹤太陽有一定的局限性，與集熱板的安裝精度，安裝角度的測量有很大的關(guān)系。所以采用光輻射傳感器，判斷聚焦點(diǎn)偏離情況，并做相應(yīng)的調(diào)整，保證聚焦效果。通過太陽角度計(jì)算公式粗調(diào)，通過光輻射傳感器反饋進(jìn)行精調(diào)的閉環(huán)控制方案，使集熱板能快速，準(zhǔn)確的找到聚焦位置，保證太陽能的利用效率。此外控制器控制熱水泵和熱水溫度，保護(hù)熱水系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行和安全。
4 控制系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)采用OMRON公司的CJ1-CPU23作為控制器，該CPU內(nèi)置兩路脈沖I/O通道，可單獨(dú)控制兩列集熱器，如果太陽能集熱板陣列超過兩列，則增加位置控制模塊CJ1W-NC413，每列集熱板單獨(dú)控制，使各列的操作性強(qiáng)，控制靈活；采用CJ1－ID211和CJ1－OC211開關(guān)量輸入輸出模塊，采集限位開關(guān)狀態(tài)，控制熱水泵等；CJ1－AD08用于采集光輻射、熱水壓力模擬量信號(hào)；CJ1－DRM21和DRT2－TS04P網(wǎng)絡(luò)模塊采集熱水和環(huán)境的溫度，且方便以后擴(kuò)展控制系統(tǒng)，NT5Z觸摸屛用于設(shè)計(jì)操作界面，設(shè)定參數(shù)和顯示太陽能集熱器的狀態(tài)。圖2示出控制電柜。
5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)軟件可分四大功能模塊：按太陽規(guī)律計(jì)算集熱板角度、角度轉(zhuǎn)換脈沖信號(hào)輸出、光輻射自動(dòng)跟蹤、熱水系統(tǒng)控制。
5.1 太陽能集熱板角度計(jì)算
太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律的計(jì)算方法在《solar position algorithms for solar radiation applications》中有詳細(xì)的說明，按照公式計(jì)算出太陽高度角GD和太陽方位角FW(見圖3)，就確定了某時(shí)刻太陽相對(duì)地面某一點(diǎn)的位置。根據(jù)太陽能集熱器的安裝方位AF，可以計(jì)算出太陽能集熱板需要的角度RS。這樣拋物面跟蹤規(guī)律可作為二維問題來處理，只要保證RS計(jì)算正確，就可以實(shí)時(shí)跟蹤太陽。
(1) 太陽高度角GD是地球表面上某點(diǎn)和太陽的連線與地平面之間的交角，它隨著當(dāng)?shù)鼐暥取⒓竟?jié)、每日時(shí)刻的不同而改變，可根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥取⒊嗑暯恰r(shí)角計(jì)算。按照下式計(jì)算。
GD = arcsin(sin(La)×sin(CW)+cos(La)×cos(CW)×cos(SJ))
La－當(dāng)?shù)鼐暥龋瑔挝粸槎取?/p>
式中：
H - 真太陽時(shí). 當(dāng)?shù)靥栁挥谡舷虻乃矔r(shí)為正午；
Hs－該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。（單位：小時(shí)）；
L、LS－分別為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間位置的經(jīng)度；
e－時(shí)差，單位為分鐘；其值可按下式近似計(jì)算：
e = 229.2×(7.5×10-5+0.001868×cosB-0.032077×sinB-0.014615×cos2B-0.04089×sin2B)；
B=360×(n-1)/365； (1≤n≤366)分母需要區(qū)分平年和閏年。
(2) 太陽方位角（FW）是太陽至地面上某給定點(diǎn)連線在地面上的投影與正南向的夾角。方位角在太陽偏東時(shí)為負(fù)，偏西時(shí)為正。太陽方位角FW可由當(dāng)?shù)鼐暥取⒊嗑暯恰r(shí)角、高度角計(jì)算，公式如下：
FW =C1×C2×arcsin(sin(SJ)×cos(CW)/cos(GD)) + 180×C3×(1- C1×C2)/2 ；C1 C2 C3常量。
(3) 太陽能集熱器角度(RS)是太陽光線與反射鏡弦面的交角。可由高度角、方位角、集熱器安裝角計(jì)算，公式：
RS= arctan(tan(GD)/cos(FW-AF));
可見,太陽角度的計(jì)算很復(fù)雜,并需要采用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，如果用梯型圖編寫將會(huì)很困難,且出現(xiàn)問題那很難檢查。但如果能使用高級(jí)語言編寫，純屬的計(jì)算就很簡單了。此時(shí)，采用OMRON功能塊的結(jié)構(gòu)化文本（ST）語言編寫, 這個(gè)問題迎韌而解。集熱板角度計(jì)算功能塊SolarRSCalculate_Real如圖4所示。
輸入?yún)?shù)為：當(dāng)?shù)亟?jīng)度，當(dāng)?shù)鼐暥龋惭b方位角，當(dāng)?shù)貢r(shí)間，當(dāng)年天數(shù)；
計(jì)算輸出為：集熱板角度，真太陽時(shí)，高度角，方位角；
數(shù)據(jù)格式：浮點(diǎn)數(shù)；
此外，采用Matlab編寫的仿真程序計(jì)算(見圖5)出來的結(jié)果與OMRON
PLC功能塊計(jì)算出來的結(jié)果相同，表明集熱板角度計(jì)算功能塊SolarRSCalculate_Real設(shè)計(jì)正確。
5.2角度轉(zhuǎn)換脈沖信號(hào)輸出
PLC計(jì)算出集熱板角度后，需要將角度轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出，控制步進(jìn)電機(jī)，使集熱器轉(zhuǎn)到指定位置。根據(jù)齒輪的降減速比、步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器特性可以計(jì)算出脈沖數(shù)。假設(shè)集熱板需要轉(zhuǎn)動(dòng)0 .3°（相對(duì)角度）：
由以上比例可得，轉(zhuǎn)動(dòng)0.1°需要發(fā)出56個(gè)脈沖，這樣就將角度轉(zhuǎn)換成了所需的脈沖數(shù)；然后采用CXP軟件中的FB庫中\(zhòng)OmronlibPositionControllerNCxNCx021_MoveRelative的功能塊控制NC模塊輸出脈沖(見圖6)。
由于集熱板的角度采用相對(duì)位置控制，在集熱板首次運(yùn)行過程中，需要確定集熱板的原點(diǎn)。使PLC能計(jì)算出集熱板的絕對(duì)位置。確定原點(diǎn)時(shí)，集熱板向順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到XCW限位開關(guān)時(shí)，將當(dāng)前位置作為原點(diǎn)位置，然后采用相對(duì)角度的方法控制集熱板運(yùn)行。在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，采用磁性傳感器ZM判斷步進(jìn)電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)。如果PLC發(fā)出脈沖信號(hào)，但磁性傳感器ZM沒有檢測到信號(hào)則認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，并報(bào)警提示。
5.3 自動(dòng)跟蹤反饋裝置的設(shè)計(jì)
只有太陽光實(shí)時(shí)的聚焦在集熱管上，才能保證集熱板的集熱效率。集熱板偏離0.6°，太陽反射光就沒有聚焦在集熱管，所以控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性很重要。采用如圖7所示的聚焦反饋裝置，可以解決這個(gè)問題。反饋裝置與集熱管平行安裝，太陽光通過條形擋板后，陰影投在兩個(gè)輻射儀之間。聚焦準(zhǔn)確時(shí)，兩個(gè)光傳感器檢測的光輻射相同；聚焦偏離，則兩個(gè)輻射儀之間有差值，通過判斷差值，可以判斷焦點(diǎn)偏離的方向和偏移量。光輻射儀采用4～20mA信號(hào)輸出，通過CJ1－AD08模塊量輸入采集到控制系統(tǒng)，PLC在按太陽規(guī)律計(jì)算的太陽角度的基礎(chǔ)上進(jìn)行微小的調(diào)整，到達(dá)控制要求。
5.4 熱水系統(tǒng)控制
太陽能熱水系統(tǒng)由熱水泵，溫度傳感器，壓力傳感器等組成，將太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水輸送到外部系統(tǒng)，通過DRT2－TS04P溫度終端模塊采集的熱水的出入口溫度，可以用來判斷集熱板的工作效率，同時(shí)當(dāng)熱水超溫或超壓時(shí)，自動(dòng)偏移焦點(diǎn)，對(duì)集熱板進(jìn)行保護(hù)。NT5Z設(shè)計(jì)的觸摸屛操作界面(見圖8)，用于顯示集熱板的運(yùn)行狀態(tài)，工況記錄和設(shè)置控制參數(shù)。
6 結(jié)束語
整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，OMRON PLC的浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，功能塊的結(jié)構(gòu)化文本語言，脈沖控制等功能都充分的發(fā)揮了作用。特別是集熱板增加到多列，只需要增加位置控制模塊，插入功能塊就可以控制。而且CXP軟件自身提供的功能塊，使設(shè)計(jì)師只要認(rèn)真考慮工藝流程，軟硬件之間的接口控制，通過現(xiàn)有的FB庫或自己設(shè)計(jì)的功能塊來實(shí)現(xiàn)，使程序模塊化更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更簡單。
OMRON自動(dòng)化技術(shù)在紡織、包裝、印刷、機(jī)床、生產(chǎn)線等很多領(lǐng)域得到運(yùn)用，可再生能源作為新型的研究應(yīng)用領(lǐng)域，也是能源可持續(xù)的發(fā)展方向，在未來的運(yùn)用將越來越多，市場也將越來越廣闊。所以，我希望OMRON公司也能深入這個(gè)領(lǐng)域，不斷推出性能越來越優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，來滿足新領(lǐng)域的自動(dòng)化控制需求。