嵌入式碟式太陽能熱發(fā)電控制器研制與應(yīng)用

作者 崔海朋 尹帥 青島杰瑞工控技術(shù)有限公司(山東 青島 266061)

崔海朋(1982-)，男，碩士，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

摘要：目前在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，碟式太陽能的轉(zhuǎn)化效率最高，能適用于分布式和集中式兩種發(fā)電需求。為了提高碟式太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的跟蹤精度，本文研制了一種基于嵌入式控制器的碟式太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，采用視日運動軌跡算法跟蹤和光學跟蹤結(jié)合的策略，計算出碟式太陽能定日鏡跟蹤太陽的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)偏差值驅(qū)動伺服電機，同時根據(jù)光學傳感器反饋對位置進行實時校正，實現(xiàn)碟式太陽能定日鏡對太陽的精確跟蹤。應(yīng)用結(jié)果顯示，該跟蹤控制系統(tǒng)具有跟蹤精度高，聚光比高等特點。

引言

　　目前，太陽能光熱發(fā)電主要有槽式、塔式、碟式和菲涅爾式四種主要技術(shù)形式。其中，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)因分布、并網(wǎng)均適宜、轉(zhuǎn)換效率高、成本下降空間最大，已經(jīng)成為頗具商業(yè)前途的技術(shù)路線。碟式定日鏡是碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心，太陽跟蹤精度直接影響了碟式太陽能斯特林機的運行效率。因此，本文針對碟式太陽能定日鏡進行研究，開發(fā)了一套基于嵌入式控制器的就地跟蹤控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于小型碟式太陽能熱發(fā)電示范系統(tǒng)中。

1 碟式跟蹤控制系統(tǒng)控制策略

　　碟式太陽跟蹤控制策略主要有采用追日傳感器的光學跟蹤和采用視日運動的算法跟蹤。其中，光學跟蹤易受云層影響，運行效率較低;而算法跟蹤需要精確計算太陽位置，依賴高精度的太陽位置算法，高精度算法的工程應(yīng)用需要復(fù)雜的計算過程，對于傳統(tǒng)的單片機和PLC很難實現(xiàn)，而對于ARM架構(gòu)的32位單片機來說，則非常容易。因此，本文研制了一種嵌入式碟式太陽能跟蹤控制器，搭建了一套碟式太陽能就地跟蹤控制系統(tǒng)，采用光學跟蹤和算法跟蹤相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了全自動的自動跟蹤。本文設(shè)計的碟式太陽能就地跟蹤控制系統(tǒng)，采用雙軸跟蹤模式，能實現(xiàn)碟式定日鏡的多種保護，可以實現(xiàn)全自動、全天候的太陽跟蹤，通過工程應(yīng)用證明了其能夠滿足碟式太陽能熱發(fā)電的技術(shù)要求。

2 碟式太陽能跟蹤系統(tǒng)工作原理

2.1 碟式太陽能定日鏡控制系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)

　　本文研制的碟式太陽跟蹤控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。跟蹤控制系統(tǒng)主要由嵌入式太陽能控制器、光學傳感器、伺服驅(qū)動器和伺服電機、機械執(zhí)行機構(gòu)模塊、定日鏡模塊等幾部分組成。

　　嵌入式碟式太陽能控制器通過GPS模塊獲取精確的時間、經(jīng)緯度、海拔、時區(qū)等數(shù)據(jù)，根據(jù)高精度太陽位置算法計算出太陽的高度角和方位角，根據(jù)定日鏡的數(shù)學模型換算成定日鏡的高度角和方位角，再根據(jù)定日鏡的減速傳動機構(gòu)變速比換算成水平和俯仰兩個方向電機應(yīng)該轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，控制器通過給伺服電機發(fā)送相應(yīng)的方向信息和脈沖這些動作指令驅(qū)動定日鏡跟蹤太陽。當偏差絕對值小于設(shè)定的角度跟蹤精度時，則理論上表明定日鏡已跟蹤上太陽。為了減少機械回差、機械磨損、初始位置不準確等帶來的跟蹤偏差，系統(tǒng)接入了光學傳感器，對追蹤到的太陽位置進行實時校正。同時，該系統(tǒng)包含多種保護。主要包括基于氣象數(shù)據(jù)的大風保護、基于死區(qū)接近開關(guān)的支架保護、伺服電機的過壓、過流、過載、斷相、短路保護等。當這些工況出現(xiàn)時，則自動啟動保護程序，使定日鏡回到預(yù)設(shè)的安全位置或者暫停運行。同時，嵌入式碟式太陽能控制器具有以太網(wǎng)接口，可以遠程接入鏡場DCS控制系統(tǒng)，便于組網(wǎng)和實現(xiàn)遠程監(jiān)控?？傊到y(tǒng)由嵌入式碟式太陽能控制器、伺服電機和光學傳感器構(gòu)成了一個基于“角度閉環(huán)”和“光學閉環(huán)”的“雙閉環(huán)”控制系統(tǒng)。

2.2 碟式太陽能跟蹤傳動機構(gòu)

　　碟式太陽能定日鏡跟蹤傳動機構(gòu)是跟蹤控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，如圖2所示。采用雙軸驅(qū)動方式，水平方向轉(zhuǎn)動由2個伺服電機帶動減速機構(gòu)來實現(xiàn)，俯仰方向轉(zhuǎn)動由伺服電機帶動四連桿機構(gòu)的蝸輪蝸桿減速機構(gòu)來實現(xiàn)。由于采用了伺服電機控制，整套控制系統(tǒng)可以達到很高的跟蹤精度。同時，在圖2所示的A、B、C、D位置安裝接近開關(guān)，實現(xiàn)設(shè)備的保護作用，防止機械裝置損壞。

3 碟式太陽能就地跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 嵌入式碟式太陽能控制器硬件設(shè)計

　　如圖3所示，嵌入式碟式太陽能控制器由ARM嵌入式微處理器、電源電路、數(shù)字量輸入電路、模擬量輸入電路、以太網(wǎng)通訊電路、時鐘電路、存儲電路、GPS電路、看門狗電路、伺服驅(qū)動器通訊電路、伺服電機驅(qū)動電路、模擬量輸出電路和CAN總線通訊電路組成。

　　其中，ARM嵌入式微處理器采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的Cortex-M3架構(gòu)的32位單片機，型號為STM32F107VCT6，CPU時鐘頻率高達72MHz，有256KB的Flash，64KB的SRAM，含有1路10/100M 以太網(wǎng)控制器，2路CAN接口，16通道的ADC接口，5個UART，80個GPIO。不論從性能還是從外設(shè)上都完全滿足碟式太陽能控制器的需求。為了提高控制器的可靠性，所有的電子元件選型都選用寬溫型(-40℃~+85℃)，輸入輸出接口電路采用光耦和隔離電源進行隔離。

3.2 嵌入式碟式太陽能控制器軟件設(shè)計

　　嵌入式碟式太陽能控制器ARM微處理器內(nèi)部運行嵌入式操作系統(tǒng)，多個任務(wù)同時運行。主要包含：GPS通訊子任務(wù)、風速采集子任務(wù)、光學追日傳感器子任務(wù)、太陽能追蹤控制子任務(wù)、數(shù)學模型解算子任務(wù)、伺服電機狀態(tài)檢測子任務(wù)、顯示屏通訊子任務(wù)和DCS通訊子任務(wù)等構(gòu)成。多個任務(wù)協(xié)同工作，共同完成碟式太陽能定日鏡的追蹤和控制功能。程序流程圖如圖4所示。

　　GPS通訊子任務(wù)主要完成太陽位置算法相關(guān)的經(jīng)緯度、海拔、時區(qū)、時間等變量的讀取。當GPS信號正常時，可以對控制器內(nèi)部的時鐘模塊進行校時。當GPS信號弱或者信號丟失后，將自動切換到內(nèi)部的實時時鐘模塊，來獲取時間信息，以保證太陽位置算法的準確性。

　　風速采集子任務(wù)主要來獲取實時的風速，執(zhí)行大風保護程序。當風速傳感器檢測到風等級大于8級時，程序進入大風保護子程序，并將定日鏡快速回到保護位置。當風力減弱后，程序跳出大風保護子程序，繼續(xù)執(zhí)行太陽跟蹤程序，使定日鏡繼續(xù)回到工作位置，繼續(xù)跟蹤。

　　光學追日傳感器子任務(wù)主要來采集太陽光照射位置信息，反饋“角度閉環(huán)”控制的誤差信息，在光照良好的條件下，實現(xiàn)自動機械誤差調(diào)整的功能。

　　太陽能追蹤控制子任務(wù)主要來實現(xiàn)碟式定日鏡的手動和自動運行控制。程序首先判斷系統(tǒng)的控制方式，如果在自動模式下，程序執(zhí)行自動控制的邏輯程序，若不在自動模式則系統(tǒng)進入手動模式。為了減少伺服電機的動作時間，程序采取跟蹤偏差PID控制的方式，子程序?qū)崟r計算碟式太陽能定日鏡的跟蹤角度并與定日鏡的當前角度進行比較，在兩者誤差大于一定偏差值時，程序執(zhí)行跟蹤指令。系統(tǒng)的工作時間可以進行設(shè)置，當追蹤角度大于一定角度時，系統(tǒng)開始工作，等到日落時，控制器發(fā)出指令，使定日鏡快速運動到保護位置，等待次日啟動。

　　數(shù)學模型解算子任務(wù)主要來實現(xiàn)太陽實時高度角和方位角根據(jù)實際的機械結(jié)構(gòu)模型換算成定日鏡的高度角和方位角，該算法和機械結(jié)構(gòu)模型的準確性息息相關(guān)，屬于空間三維坐標實時解算，計算量非常大。

　　伺服電機狀態(tài)檢測子任務(wù)主要來依靠通訊來實現(xiàn)、伺服電機驅(qū)動器配置有RS485通訊接口，通過通訊協(xié)議獲取驅(qū)動器的報警信息，可實現(xiàn)過壓、過流、短路、斷相、過溫、過載保護功能。比如，水平傳動機構(gòu)是通過2臺伺服電機同步驅(qū)動一個減速機構(gòu)來實現(xiàn)，如果兩臺伺服電機某一臺出現(xiàn)故障時，就不能實現(xiàn)同步功能，此時必須將另外一臺也停止下來，否則會引起減速器的損壞。因此，伺服電機狀態(tài)對于設(shè)備保護起著非常重要的作用。

　　顯示屏通訊子任務(wù)主要來實現(xiàn)碟式太陽能定日鏡運行狀態(tài)的監(jiān)控、系統(tǒng)參數(shù)和報警參數(shù)的設(shè)置，實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲等。

　　DCS通訊子任務(wù)主要來實現(xiàn)控制器與鏡場DCS控制系統(tǒng)之間的通訊。

4 碟式太陽能控制器應(yīng)用及效果

　　應(yīng)用本文研制的嵌入式ARM碟式太陽能控制器、開發(fā)了一套碟式太陽能就地控制系統(tǒng)，用于驅(qū)動碟式太陽能定日鏡，以分析碟式太陽能定日鏡在不同年份不同季節(jié)的運行特性和跟蹤效果。

4.1 應(yīng)用

　　本文設(shè)計的碟式太陽能跟蹤控制器應(yīng)用于山東德州的碟式太陽能小型示范項目中，該示范項目2012年建成，至今穩(wěn)定運行5年有余。

4.2 測試效果

　　選取2015-2016兩年夏至日進行跟蹤數(shù)據(jù)記錄測試，記錄一天內(nèi)定日鏡的理想追蹤角度以及定日鏡測量角度的數(shù)據(jù)，差值作為跟蹤誤差來進行數(shù)值分析。表1為本系統(tǒng)ARM控制器計算出的太陽跟蹤角度、定日鏡的測量角度對比表格。從表中可以直觀的看出定日鏡測量角度變化趨勢與設(shè)計的跟蹤策略是一致的。當跟蹤偏差設(shè)置為0.05°時，實測最大偏差為0.05°從近幾年的數(shù)據(jù)分析來看，基于ARM控制器的碟式跟蹤控制系統(tǒng)滿足碟式太陽能光熱發(fā)電的要求。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種基于ARM-Cortex M3架構(gòu)單片機的碟式太陽能跟蹤控制器，并且應(yīng)用到碟式太陽能定日鏡中，進行了應(yīng)用并分析了應(yīng)用效果。本文設(shè)計的自動追日系統(tǒng)采用連續(xù)跟蹤驅(qū)動方式，采用光學閉環(huán)和角度閉環(huán)兩種閉環(huán)控制方式，實際運行結(jié)果表明最大跟蹤誤差可控制在±0.05°以內(nèi)，在遇到大風等惡劣天氣時，裝置能快速返回到保護位置。該控制器具有成本低、跟蹤精度較高、便于自動控制等特點，是適用于碟式太陽能光熱系統(tǒng)的跟蹤效果較好的一種跟蹤控制方式，具有較高的實用性和廣闊的應(yīng)用前景。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第55頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。