基于欧姆龙PLC的太阳能集热系统设计(2)

5 控制系统软件设计

控制系统软件可分四大功能模块：按太阳规律计算集热板角度、角度转换脉冲信号输出、光辐射自动跟踪、热水系统控制。

5.1 太阳能集热板角度计算

太阳运动规律的计算方法在《solar position algorithms for solar radiation applications》中有详细的说明，按照公式计算出太阳高度角GD和太阳方位角FW(见图3)，就确定了某时刻太阳相对地面某一点的位置。根据太阳能集热器的安装方位AF，可以计算出太阳能集热板需要的角度RS。这样抛物面跟踪规律可作为二维问题来处理，只要保证RS计算正确，就可以实时跟踪太阳。

图3  抛物面跟踪规律

(1) 太阳高度角GD是地球表面上某点和太阳的连线与地平面之间的交角，它随着当地纬度、季节、每日时刻的不同而改变，可根据当地纬度、赤纬角、时角计算。按照下式计算。

GD = arcsin(sin(La)×sin(CW)+cos(La)×cos(CW)×cos(SJ))                 

La－当地纬度，单位为度。

式中：

H - 真太阳时. 当地太阳位于正南向的瞬时为正午；  Hs－该地区标准时间。（单位：小时）；

L、LS－分别为当地的经度和地区标准时间位置的经度；

e－时差，单位为分钟；其值可按下式近似计算：

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)分母需要区分平年和闰年。

(2) 太阳方位角（FW）是太阳至地面上某给定点连线在地面上的投影与正南向的夹角。方位角在太阳偏东时为负，偏西时为正。太阳方位角FW可由当地纬度、赤纬角、时角、高度角计算，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) 太阳能集热器角度(RS)是太阳光线与反射镜弦面的交角。可由高度角、方位角、集热器安装角计算，公式：RS = arctan(tan(GD)\cos(FW-AF));

可见,太阳角度的计算很复杂,并需要采用浮点数计算，如果用梯型图编写将会很困难,且出现问题那很难检查。但如果能使用高级语言编写，纯属的计算就很简单了。此时，采用Omron功能块的结构化文本（ST）语言编写, 这个问题迎韧而解。集热板角度计算功能块SolarRSCalculate_Real如图4所示。

输入参数为：当地经度，当地纬度，安装方位角，当地时间，当年天数；

计算输出为：集热板角度，真太阳时，高度角，方位角；

数据格式：浮点数；

图4  集热板角度计算功能块