1 引 言

    　在當前世界能源緊張，各種能源價格飛漲的形勢下，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,，可再生能源對環(huán)境友好，對地球及人類的生存環(huán)境的危害幾乎可以忽略不計,。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)運行效率的基本保證，也是太陽能聚熱系統(tǒng)投入運行的重要前提之一,。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,。跟蹤機構(gòu)控制太陽能集熱板跟蹤太陽不停的轉(zhuǎn)動,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?shù)亟?jīng)緯度,，當?shù)貥藴蕰r間以及太陽能集熱器的安裝方位，計算出太陽集熱板的聚焦角度,；然后控制器輸出脈沖信號,，通過脈沖信號放大器控制步進電機SM，步進電機SM帶動減速箱和傳動齒輪,，不斷的調(diào)整集熱板的角度,，使集熱管始終處于焦點位置，達到最高的集熱效率,。磁性傳感器ZM用來檢測步進電機是否轉(zhuǎn)動,，防止傳動系統(tǒng)故障；XCW,，XCC限位開關(guān),，用于限制集熱板的轉(zhuǎn)動位置。然而僅僅采用太陽角度計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,。通過太陽角度計算公式粗調(diào),，通過光輻射傳感器反饋進行精調(diào)的閉環(huán)控制方案，使集熱板能快速,，準確的找到聚焦位置,，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,，保護熱水系統(tǒng)的循環(huán)運行和安全,。

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,，每列集熱板單獨控制,，使各列的操作性強，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,；CJ1－DRM21和DRT2－TS04P網(wǎng)絡(luò)模塊采集熱水和環(huán)境的溫度，且方便以后擴展控制系統(tǒng),，NT5Z觸摸屛用于設(shè)計操作界面,，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

　　控制系統(tǒng)軟件可分四大功能模塊：按太陽規(guī)律計算集熱板角度,、角度轉(zhuǎn)換脈沖信號輸出、光輻射自動跟蹤,、熱水系統(tǒng)控制,。

　　5.1 太陽能集熱板角度計算

　　太陽運動規(guī)律的計算方法在《solar position algorithms for solar radiation applications》中有詳細的說明，按照公式計算出太陽高度角GD和太陽方位角FW(見圖3),，就確定了某時刻太陽相對地面某一點的位置,。根據(jù)太陽能集熱器的安裝方位AF，可以計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計算正確，就可以實時跟蹤太陽,。

　　(1) 太陽高度角GD是地球表面上某點和太陽的連線與地平面之間的交角,，它隨著當?shù)鼐暥取⒓竟?jié),、每日時刻的不同而改變,，可根據(jù)當?shù)鼐暥取⒊嗑暯?、時角計算,。按照下式計算。

　　GD = arcsin(sin(La)×sin(CW)+cos(La)×cos(CW)×cos(SJ))    
                                    
　　La－當?shù)鼐暥?，單位為度?/p>

　　式中：

　　H - 真太陽時. 當?shù)靥栁挥谡舷虻乃矔r為正午,；

　　Hs－該地區(qū)標準時間。（單位：小時）,；

　　L,、LS－分別為當?shù)氐慕?jīng)度和地區(qū)標準時間位置的經(jīng)度；

　　e－時差,，單位為分鐘,；其值可按下式近似計算：

　　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為負,，偏西時為正,。太陽方位角FW可由當?shù)鼐暥取⒊嗑暯?、時角,、高度角計算，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?？捎筛叨冉?、方位角、集熱器安裝角計算,，公式：

　　RS= arctan(tan(GD)/cos(FW-AF));

　　可見,太陽角度的計算很復(fù)雜,并需要采用浮點數(shù)計算,，如果用梯型圖編寫將會很困難,且出現(xiàn)問題那很難檢查。但如果能使用高級語言編寫,，純屬的計算就很簡單了,。此時，采用OMRON功能塊的結(jié)構(gòu)化文本（ST）語言編寫, 這個問題迎韌而解,。集熱板角度計算功能塊SolarRSCalculate_Real如圖4所示,。

　　輸入?yún)?shù)為：當?shù)亟?jīng)度，當?shù)鼐暥?，安裝方位角,，當?shù)貢r間，當年天數(shù),；

　　計算輸出為：集熱板角度,，真太陽時，高度角,，方位角,；

　　數(shù)據(jù)格式：浮點數(shù)；

　　此外,，采用Matlab編寫的仿真程序計算(見圖5)出來的結(jié)果與OMRON

　　PLC功能塊計算出來的結(jié)果相同,，表明集熱板角度計算功能塊SolarRSCalculate_Real設(shè)計正確。

　　5.2角度轉(zhuǎn)換脈沖信號輸出

　　PLC計算出集熱板角度后,，需要將角度轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸出,，控制步進電機，使集熱器轉(zhuǎn)到指定位置,。根據(jù)齒輪的降減速比,、步進電機和步進電機驅(qū)動器特性可以計算出脈沖數(shù)。假設(shè)集熱板需要轉(zhuǎn)動0 .3°（相對角度）：

　　由以上比例可得，轉(zhuǎn)動0.1°需要發(fā)出56個脈沖,，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位置控制,，在集熱板首次運行過程中,，需要確定集熱板的原點。使PLC能計算出集熱板的絕對位置,。確定原點時,，集熱板向順時針方向偏轉(zhuǎn)，當達到XCW限位開關(guān)時,，將當前位置作為原點位置,，然后采用相對角度的方法控制集熱板運行。在步進電機轉(zhuǎn)動的過程中,，采用磁性傳感器ZM判斷步進電機是否轉(zhuǎn)動,。如果PLC發(fā)出脈沖信號，但磁性傳感器ZM沒有檢測到信號則認為步進電機堵轉(zhuǎn),，并報警提示,。

　　5.3 自動跟蹤反饋裝置的設(shè)計

　　只有太陽光實時的聚焦在集熱管上，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,，陰影投在兩個輻射儀之間。聚焦準確時,，兩個光傳感器檢測的光輻射相同,；聚焦偏離，則兩個輻射儀之間有差值,，通過判斷差值,，可以判斷焦點偏離的方向和偏移量。光輻射儀采用4～20mA信號輸出,，通過CJ1－AD08模塊量輸入采集到控制系統(tǒng),，PLC在按太陽規(guī)律計算的太陽角度的基礎(chǔ)上進行微小的調(diào)整，到達控制要求,。

　　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，同時當熱水超溫或超壓時,，自動偏移焦點，對集熱板進行保護,。NT5Z設(shè)計的觸摸屛操作界面(見圖8),，用于顯示集熱板的運行狀態(tài)，工況記錄和設(shè)置控制參數(shù),。

6 結(jié)束語 
                                                 
　　整個控制系統(tǒng)設(shè)計中,，OMRON PLC的浮點數(shù)計算，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)計師只要認真考慮工藝流程,，軟硬件之間的接口控制,，通過現(xiàn)有的FB庫或自己設(shè)計的功能塊來實現(xiàn)，使程序模塊化更強,，結(jié)構(gòu)更簡單,。

　　OMRON自動化技術(shù)在紡織、包裝,、印刷,、機床、生產(chǎn)線等很多領(lǐng)域得到運用,，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)域的自動化控制需求。