槽式太阳能光热供暖系统的设计及应用_王奔.pdf

可再生能源26节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 2023槽式太阳能光热供暖系统的设计及应用王奔 石祥建 宋诚骁 蔡丹 仇孝国 刘文 赵阳（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）摘要：为了充分利用太阳能资源进行集中供暖，设计槽式太阳能光热供暖系统。根据太阳轨迹算法，基于自主可编程逻辑控制器(PLC)，通过自定义嵌入式编程实现高精度太阳位置算法的工程应用；提出集热槽对太阳位置自动跟踪策略，设计考虑多模块切换与边界条件的间歇控制策略驱动直流电机旋转，并配合蜗轮减速器实现多轴同步驱动系统对太阳位置的闭环追踪控制；充分考虑外界环境条件，设计了保护策略。结果显示：槽式太阳能光热供暖系统运行稳定、操作简单、维护方便，在清洁能源的分布式供暖领域具推广价值。关键词：光热供暖系统；太阳位置追踪；清洁能源；集热槽中图分类号：TU832 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）01-0026-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.007Design and application of trough solar thermal heating systemWANG Ben SHI Xiang-jian SONG Cheng-xiao CAI Dan QIU Xiao-guo LIU Wen ZHAO YangAbstract：A trough solar thermal heating system is designed to make full use of solar energy resources for central heating.The sun-tracking algorithm is studied in detail.The engineering application of high-precision sun position algorithm is realized by self-defined embedded programming based on PLC.An automatic tracking strategy for the sun position of the collector is proposed.An intermittent control strategy which considering multi-mode switching and boundary conditions is designed to drive the DC motor to rotate,and the closed-loop tracking control of the multi axis synchronous drive system is realized with worm and gear reducer.Taking full account of the external environmental conditions,the protection strategy is designed.The result shows that the trough solar thermal heating system has the advantages of stability and conveniences,which has popularization value in the field of clean energy distributed heating.Key words:photothermal heating system;sun-tracking;clean energy;parabolic trough能源消耗量快速升高促进了清洁可再生能源需求的增长1-2。实现碳达峰和碳中和对加快生态文明建设、保障能源安全高效、推动经济转型升级具有重要意义。“双碳”目标确立使清洁能源行业加速步入全新的发展时期3-4。太阳能属于清洁、可再生能源，高效太阳能光热转换及热利用技术是推动建筑、工业过程热能清洁替代和“双碳”目标实现的重要形式。西北某企业厂区冬季气温较低，长期采用燃煤锅炉供暖。但燃煤锅炉供暖会对环境造成污染，经济性及安全性较低。厂区地处西北内陆，空气稀薄干燥、云晴天多、雨少、海拔较高、太阳辐射总量多，年平均日照时数为3 056 h，日照百分率平均为69%，10月份达到78%，太阳直接法向辐射(DNI)为1 600 kWh/m2，日照资源较为丰富，可以充分利用太阳能进行集中供暖。通过清洁采暖方式代替传统燃煤锅炉，有利于保护环境，改善生态。设计一种槽式太阳能光热供暖系统，提出集热槽对太阳位置自动跟踪策略，并基于PLC设计自控系统。1整体概况槽式太阳能光热供暖系统结构如图1所示。槽式太阳能光热供暖系统设备组成包括槽式太阳能集热器及支架、PLC控制器柜、直流电机及蜗轮蜗杆驱动器、油水换热器、油泵动力中心、板换侧循环泵、油气分离器、高低位油槽和蓄热水箱等。槽式太阳能光热图1槽式太阳能光热供暖系统结构作者简介：王奔（1992），男，硕士，工程师，研究方向为热工自动控制技术及相关产品开发。收稿日期：2022-07-05引用本文：王奔，石祥建，宋诚骁，等.槽式太阳能光热供暖系统的设计及应用 J.节能，2023，42（1）：26-29.可再生能源27NO.01 2023节能 ENERGY CONSERVATION供暖系统的集热面积为1 713.6 m2，项目制热设计工况供水温度70，回水温度55。现场存在多组集热单元，集热单元的集热管通过管道逐级相连后被接入油泵房的板式换热器，经过油气分离器后返回集热单元。PLC控制集热槽旋转追踪太阳位置时，导热油从集热管内获取热量，油温上升。集热单元内的导热油通过循环油泵控制循环，蓄热水箱内的水通过循环水泵控制循环，导热油和水通过油泵房的板式油水换热器进行换热。高温导热油的热量传递给水，储存热量，利用采暖供水泵将热水供给终端用户。油气分离器连接高低位油槽，用于首次和日常维护时加注导热油，分离油内含有的气体并释放。油气分离器内，通过排气孔排放导热油气化产生的气体，膨胀的导热油流入低位油槽，剩余导热油进入导热油泵，进行下一次循环。循环油泵、循环水泵均设置双泵交替运行，油泵房至蓄热水箱的管道进口设置在蓄热水箱上方，出口设置在进口的体对角线下方，实现逆流充分换热。设置补水泵，将净化后的水接入蓄热水箱，用于补充水箱内因水自然蒸发损失的水量。集热槽最大允许风速为6级风(13.8 m/s)，最大抗风风速为10级风(28.4 m/s)。集热槽主要设计参数如表1所示。2控制系统2.1整体结构集热槽采用东西布置、南北追踪的运行方式；PLC通过接触器连接直流电机，直流电机经减速器减速后通过蜗轮蜗杆与集热槽连接，倾角传感器被固定在集热槽主轴上。PLC通过Modbus通信板卡实时采集倾角传感器数据，PLC内部运行逻辑实时计算太阳位置，并进一步计算集热槽目标角度，采集的实际角度与目标角度相差值超过死区时，PLC输出信号控制接触器吸合，给直流电机供电，直流电机驱动集热槽旋转，实时跟踪太阳位置，同时设计保护策略对集热槽控制进行保护。控制系统整体结构如图2所示。2.2追踪控制系统集热槽跟踪角偏差达到0.6 时，集热效率下降80%5。基于PLC硬件设计集热槽追踪控制系统，集热槽自动控制的关键为精确计算太阳位置。市场上主流PLC提供了功能块及自定义编程服务，但高精度的太阳位置计算过程较为复杂，无法通过组态工具功能块搭建实现，同时自定义编程难以实现复杂的计算公式。因此，设计人员一般在控制器内采用简化的太阳位置计算公式进行计算，在一定限度上降低跟踪精度。少部分厂家如施耐德电气的Modicon MC80 PLC提供了封装好的太阳位置算法供用户调用，但其内部实现原理不可见，无法做到核心技术自主可控。因此，研究高精度的太阳位置计算方法的工程应用、实现关键核心技术自主可控具有重要意义。利用SPA算法可以计算太阳位置，在较长年限内的计算精度可达0.000 3，属于高精度的复杂计算算法，满足实际工程应用要求。系统采用优化的SPA位置跟踪算法，控制器采用南京南瑞继保自主开发的PCS-9150PRO型PLC，通过自定义嵌入式编程实现SPA算法在控制器内的功能块封装，并通过组态工具调用功能块，在控制策略中使用。儒略日6计算方式如下：JD=INT365.25()Y+4 716+INT30.600 1()M+1+D+B-1 524.5(1)式中：JD儒略日；INT对参数进行取整；Y年份；M月数；D日数；B修正因子。采用儒略历法时，B取0；采用格里高利历法时，B为：B=2-INT()Y 100+INT()Y 400(2)太阳高度角为：=e0+e(3)e0=arcsin(sinsin+coscoscosH)(4)e=P1 010283273+T1.0260tan()e0+10.3e0+5.11(5)式中：e0不考虑大气折射影响下的太阳高度角；e大气折射对太阳高度角的影响角度；纬度；赤纬角；H时角；P年平均气压；T年平均气温。图2控制系统整体结构表1集热槽主要设计参数项目集热器面积/m2聚光器开口/m长度/m边缘角/()焦距/m几何聚光比金属管内径/m金属管外径/m玻璃管内径/m玻璃管外径/m反射镜反射率数值41.52.7850.24450.0280.0320.080.0840.95可再生能源28节能 ENERGY CONSERVATIONNO.01 2023太阳方位角为：=arctan2(sinHcosHsin-tancos)(6)选取项目地在春分、夏至、秋分、冬至四个典型日的气象数据进行计算，得到太阳高度角与方位角的变化规律如图3、图4所示。由图3、图4可知，典型日内，随着时间变化，太阳高度角呈先增大后减小趋势，在正午时刻达到最大值，夏至日的太阳高度角最大，冬至日的太阳高度角最小；太阳方位角呈逐渐增大的趋势，但非线性特性较强，太阳方位角变化速率先增大后减小，正午时刻之前，变化速率达到最大值，夏至日的太阳方位角变化范围最大，冬至日的太阳方位角变化范围最小。2.3运行模式针对槽式太阳能光热供暖集热装置设计7种运行模式，以便日常操作及维护。7种运行模式的优先级由高至底依次为手动控制模式、设定跟踪模式、紧急散焦模式、防风模式、备用模式、清洗模式、自动跟踪模式。7种模式均可以通过上位机HMI界面进行设置。系统启动后，PLC的每个运算周期内，按照设定的逻辑遍历这7种模式，并执行相关操作步骤。为了减少能量消耗，避免集热槽持续转动及频繁抖动影响零部件寿命，采用间歇控制的模式驱动集热槽旋转。协同考虑死区及滞后的差值比较模块，进行间歇控制，驱动集热槽旋转。仅在允许正向/逆向转动及允许分阶段转动的两个信号同时为真时，集热槽才能在实际倾角对应的阶段进行旋转，进而避免集热槽在边界位置频繁抖动。综合考虑跟踪角偏差对太阳能捕获损失的影响及集热槽实时旋转耗能情况，将死区设置为0.4，滞后设置为0.1。控制模式切换流程如图5所示。3运行效果分析定义集热槽法线方向与天顶方向的夹角为集热器跟踪角。集热槽跟踪角的实测值与目标值对比如图6所示，集热槽跟踪角实测值与目标值局部放大如图7所示。控制器控制集热槽旋转，实测倾角紧跟控制器计算的目标倾角变化，两者误差到达0.4 时，控制器接触器吸合驱动直流电机旋转，集热槽追踪太阳位置。图3太阳高度角随时间变化趋势图4太阳方位角趋势图图5控制模式切换流程图6集热槽跟踪角的实测值与目标值对比图7集热槽跟踪角的实测值与目标值局部放大可再生能源29NO.01 2023节能 ENERGY CONSERVATION接触器动作局部放大如图8所示。上午及下午的目标倾角变化较快，驱动集热槽旋转频繁；正午附近时刻目标倾角变化缓慢，驱动集热槽旋转的频率较低，实测数据与根据SPA算法仿真得到数据的一致性较好。辐照强度变化曲线如图9所示，板