基于歐姆龍 PLC的太陽能集熱系統(tǒng)設計

1、基于歐姆龍 PLC的太陽能集熱系統(tǒng)設計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，一那么這種能源可再生，取之不盡、用之不竭；再那么，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)運行效率的根本保證，也是太陽能聚熱系統(tǒng)投入運行的重要前提之一。資料說明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

2、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，外表有不親灰的涂層。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

3、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，到達最高的集熱效率。磁性傳感器ZM用來檢測步

4、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應進行精調(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)運行和平安。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

5、兩列，那么增加位置控制模塊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CJ1ID211和CJ1OC211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；CJ1AD08用于采集光輻射、熱水壓力模擬量信號；CJ1DRM21和DRT2TS04P網(wǎng)絡模塊采集熱水和環(huán)境的溫度，且方便以后擴展控制系統(tǒng)，NT5Z觸摸屛用于設計操作界面，設定參數(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

6、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是地球外表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?、季?jié)、每日時刻的不同而改變，可根據(jù)當?shù)鼐暥?、赤緯角、時角計算。按照下式計算。GD = arcsin(sin(La)

7、×sin(CW)+cos(La)×cos(CW)×cos(SJ)                                          La當?shù)鼐暥?，單位為?/p>

8、。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)；                

9、0;      B=360×(n-1)/365；      (1n366)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?、赤緯角、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。&#

10、160;                     (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

11、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)鼐暥龋惭b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OMRONPLC功能塊計算出來的結(jié)果相同，說明集熱板角度計算功能塊SolarRSCalculate_Real設計正確。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)

12、。假設集熱板需要轉(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?shù)竭_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

13、否轉(zhuǎn)動。如果PLC發(fā)出脈沖信號，但磁性傳感器ZM沒有檢測到信號那么認為步進電機堵轉(zhuǎn)，并報警提示。5.3 自動跟蹤反應裝置的設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所示的聚焦反應裝置，可以解決這個問題。反應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，那么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420mA信號輸出，通過CJ1AD08模塊量輸入采集到控制系統(tǒng)，PLC在

14、按太陽規(guī)律計算的太陽角度的根底上進行微小的調(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DRT2TS04P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)，工況記錄和設置控制參數(shù)。6 結(jié)束語                                                   整個控制系統(tǒng)設計中，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