北京电影机械研究所 ■ 何文强 钱思远 郑兆文 齐晓庆

0 引言

随着全球化石能源的日益减少，新能源的开发利用已成为各国能源战略的重点。太阳能中高温热利用是一种新能源的发展方向，可广泛用于光热发电、海水淡化、室内空调等。槽式光热系统作为太阳能中高温热利用的一种有效设备，已经逐步被人们认识和使用。该类系统通过抛物型反光镜将太阳光汇聚到焦点位置处的集热管上，将集热管内的工质加热。槽式光热系统的工作前提是必须正面接收平行光，一般采用一维追踪系统时刻对准太阳，追踪系统的性能直接影响系统集热效率。现已报道的槽式光热系统中，绝大部分采用日历追踪法，即根据当地经纬度、当地标准时间及太阳能集热槽的安装方位，计算出太阳集热槽应处位置。该方法易受大气压、空气层折射率等不确定气象条件的影响，导致追踪出现偏差，难以保证最佳集热效率。因而，太阳位置追踪及控制方法是槽式太阳能集热领域的一个重要研究方向。

目前，有关太阳位置追踪及控制方面的研究已有一定积累。如利用成一定角度的电池板构成探测器[1]，可根据电池板受光角度不一致引起电位差驱动电机进行有限范围内的太阳位置追踪；利用四象限光电探测器或其他光敏元件进行太阳位置追踪[2-4]，但须配合一定成像装置；利用PSD可实现高精度太阳位置追踪[5-6]，但又有造价昂贵、结构复杂的局限。因而，实现一种便捷、高精度、大范围的太阳位置追踪和控制系统具有重要意义。

本文提出一种能满足大范围太阳光强变化且跟踪精度高的一维太阳位置追踪及控制系统。根据集热管阴影在太阳电池组上移动引起的电流电压变化计算太阳位置偏离角度并产生控制信号，实现太阳位置的精确追踪。

1 系统设计

太阳位置追踪及控制系统包括呈直线排列的太阳电池组及相应控制电路，如图1所示。该系统工作过程可描述为：当太阳能集热槽开口正对太阳时，入射的集热槽反射镜上的太阳光(近似平行光)汇聚到集热管上，此时集热管在图1所示装置上的投影恰好位于太阳电池组中部(如图2所示)，太阳电池组UG产生的电压之和与太阳电池组DG输出的电压之和相等；若集热槽开口与太阳位置存在偏差，则集热管的投影将发生上下移动，太阳电池组UG产生的电压之和与太阳电池组DG输出的电压之和不等，其差值刚好与集热槽开口与太阳位置存在偏差角度相对应，可根据该电压差值产生驱动控制信号，转动集热槽到达正对太阳的位置，达到最高的太阳能集热效率。

图1 系统结构示意图

图2 太阳位置传感器与集热管阴影位置关系示意图

1.1 太阳电池组的设计及安装

考虑到太阳能集热槽开口正对太阳时，集热管阴影的上边界应正好落在太阳电池组UG的中心线UL处，同时下边界应正好落在太阳电池组DG的中心线DL处。也就是说，中心线UL与中心线DL间的距离应为集热管的直径。由图2可看出，位于最上部和最下部的太阳电池1和太阳电池6被太阳全照射，接收的光包含直射光和杂散光，其输出电压最高；位于电池组中间的太阳电池3和太阳电池4被集热管阴影全遮蔽，只接收杂散光，其输出电压最低；而太阳电池2和太阳电池5被太阳半照射和被集热管阴影半遮蔽，其输出电压介于上述两者之间。

另考虑到，当太阳被云层完全遮挡时，集热管不产生明显阴影，太阳电池1与太阳电池3输出的电压差或太阳电池6与太阳电池4输出的电压差将会减小，当低于设定阈值时启动日历追踪程序；而当太阳正常照射情况下，集热管在太阳电池组UG和DG上产生阴影，则可实时依据太阳电池组上的电压输出情况产生闭环追踪信号，追踪太阳位置。即当太阳能集热槽的开口正对太阳时，被集热管阴影遮挡的太阳电池组UG的面积与被集热管阴影遮挡的太阳电池组DG相等，太阳电池组UG内3块太阳电池输出的电压之和与太阳电池组DG内3块太阳电池输出的电压之和相等；当太阳位置相对于太阳能集热槽的开口方向发生偏移时，将会引起集热管在太阳电池组上的阴影发生移动，如阴影向上移动时，集热管阴影遮挡的太阳电池组UG的面积会增大，使其输出的电压之和减小，而集热管阴影遮挡的太阳电池组DG的面积会减小，使其输出的电压之和增大；反之亦然。

值得注意的是，图2中设置的太阳电池数量可有所变化。如图3a所示，设置8块太阳电池，太阳电池之间可不设置间隔，连续排列在一起；如图3b所示，设置4块太阳电池，可分为两部分。无论太阳电池的数量如何变化，当太阳能集热槽的开口正对太阳时，集热管阴影的中心线恰与整个太阳电池组的中心线重合，且太阳电池组的中心线两侧各自有且至少有1块太阳电池被太阳全照射，至少有1块太阳电池被集热管阴影全遮挡。

图3 光电池组其他设计方式示意图

假设系统总共使用N块太阳电池，工作过程中每块太阳电池输出电压分别为V1，V2，…，Vn。那么，被太阳全照射的太阳电池输出的电压为Vmax(该太阳电池接收的光包含直射光和杂散光)；而被集热管的阴影全遮挡的太阳电池输出的电压为Vmin(该太阳电池接收的光只有杂散光)，即：

进而可知，全直射光产生的电压Vz为：

若单个太阳电池的面积为l×l(l为单个太阳电池边长)，则太阳电池单位面积上的直射光产生电压为：

以图2b中的太阳电池排布情况为例，假设太阳电池组UG输出的电压之和为VU，太阳电池组DG输出的电压之和为VD；若集热管距太阳电池组的垂直距离为d，集热管阴影在偏离整个太阳电池组中心的距离为Δd，则

由式(4)～式(6)整理可得：

式中，Δd的正负代表集热管在太阳电池组上的阴影移动方向；Δd的绝对值代表集热管在太阳电池组上阴影移动的距离。

而集热槽的中心转轴需转动的角度α满足：

由式(7)和式(8)整理可得：

根据式(9)即可计算出集热槽的中心转轴需要转动的角度α。

综上所述，系统实际工作过程中只需将各块太阳电池输出的电压V1、V2，…，Vn输入至CPU模块，在CPU模块内利用式(1)～(9)便可分析得出集热管在太阳电池组上的阴影移动方向和移动量，以及太阳能集热槽的中心转轴需要转动的角度，从而产生相应驱动控制信号。

1.2 追踪控制电路的设计

追踪控制电路主要包括：电流电压转换电路、8选1模拟开关电路、可变倍运算放大电路和一个带有A/D转换电路的CPU模块，如图4所示。每一个太阳电池输出的电流信号分别经过各自电流电压转换电路，转换成与太阳电池输出电流成比例的电压，并输送到模拟开关电路上，然后经过运算放大电路放大后，输入带有A/D转换电路的CPU模块，CPU模块根据各太阳电池输出的电压值计算出太阳能集热槽的中心转轴需转动的角度后，将中心转轴的转角信号发给执行机构，以实现对太阳位置的跟踪。

图4 追踪控制电路结构图

该系统中，通过引入可变倍数运算放大电路来适应太阳光强的大范围变化。当太阳光强过强时，被太阳全照射的太阳电池输出电压过高，以至超过A/D转换电路输入电压阈值上限，此时可控制运算放大电路降低放大倍数；当太阳光强过弱时，被集热管阴影全遮蔽的太阳电池输出的最低电压与被太阳全照射的太阳电池输出的最高电压差值就会很小，这时可控制运算放大电路提高放大倍数。

1.3 实验情况

在我单位承担的北京市科委“MW 级混合新能源发电系统开发”项目中，已采用以上方法实现太阳位置的准确追踪。系统实物如图5所示，其中，图5a为图5b的局部放大。

图5 太阳位置追踪系统实物图

在系统实际运行过程中，我们进行了相应的追踪测试和验证。在太阳直射辐射强度(DNI)高于300 W/m2时，此太阳位置追踪系统即可启动工作。系统运行过程中，我们长时间反复观测并记录集热管阴影在太阳位置追踪传感器上的偏移状态，发现集热管阴影偏离太阳位置传感器中心的最大距离约为2 ～3 mm(系统中集热管距太阳位置传感器的垂直距离为1517 mm)；同时读取追踪系统中倾角传感器的读数，得出太阳位置追踪系统每次追踪过程的调节角度均控制在 0.1°以内。

2 结论

本文提出了一种适用于槽式光热系统的太阳位置追踪及控制方法。该方法通过建立太阳位置与太阳能集热槽相对偏移与投射在太阳电池上的集热管阴影间的对应关系，经过一系列电信号的转换与分析，产生驱动信号实现太阳位置的精确追踪；同时，引入可变倍数运算放大电路配合A/D转换，实现系统在太阳光强发生大范围变化时仍能正常工作。该方法能精确地跟踪太阳位置，并能适应太阳光强的大范围变化，可广泛用于各种太阳能集热槽一维太阳位置追踪系统中，并已取得国家实用新型发明专利授权(专利号：ZL 2012 2 0293568.3)。

[1] 孙迎光，王道阳. 光源跟踪探测器[P]. 中国：CN98243772.2，1998-12-11.

[2] 刘巍，王志超，沈垣，等. 面向聚光镜的太阳自动对准技术研究[J]. 太阳能学报， 2010，31(6)： 697－702.

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