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(dòng)跟蹤系統(tǒng)，采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法跟蹤和光學(xué)跟蹤結(jié)合的策略，計(jì)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(dòng)伺服電機(jī)，同時(shí)根據(jù)光學(xué)傳感器反饋對位置進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，實(shí)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(diǎn)。

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(jī)的運(yùn)行效率。因此，本文針對碟式太陽能定日鏡進(jìn)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(xué)跟蹤和采用視日運(yùn)動(dòng)的算法跟蹤。其中，光學(xué)跟蹤易受云層影響，運(yùn)行效率較低;而算法跟蹤需要精確計(jì)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(jì)算過程，對于傳統(tǒng)的單片機(jī)和PLC很難實(shí)現(xiàn)，而對于ARM架構(gòu)的32位單片機(jī)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(xué)跟蹤和算法跟蹤相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的自動(dòng)跟蹤。本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)碟式定日鏡的多種保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、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(xué)傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)、機(jī)械執(zhí)行機(jī)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(shí)間、經(jīng)緯度、海拔、時(shí)區(qū)等數(shù)據(jù)，根據(jù)高精度太陽位置算法計(jì)算出太陽的高度角和方位角，根據(jù)定日鏡的數(shù)學(xué)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(dòng)機(jī)構(gòu)變速比換算成水平和俯仰兩個(gè)方向電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，控制器通過給伺服電機(jī)發(fā)送相應(yīng)的方向信息和脈沖這些動(dòng)作指令驅(qū)動(dòng)定日鏡跟蹤太陽。當(dāng)偏差絕對值小于設(shè)定的角度跟蹤精度時(shí)，則理論上表明定日鏡已跟蹤上太陽。為了減少機(jī)械回差、機(jī)械磨損、初始位置不準(zhǔn)確等帶來的跟蹤偏差，系統(tǒng)接入了光學(xué)傳感器，對追蹤到的太陽位置進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。同時(shí)，該系統(tǒng)包含多種保護(hù)。主要包括基于氣象數(shù)據(jù)的大風(fēng)保護(hù)、基于死區(qū)接近開關(guān)的支架保護(hù)、伺服電機(jī)的過壓、過流、過載、斷相、短路保護(hù)等。當(dāng)這些工況出現(xiàn)時(shí)，則自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)程序，使定日鏡回到預(yù)設(shè)的安全位置或者暫停運(yùn)行。同時(shí)，嵌入式碟式太陽能控制器具有以太網(wǎng)接口，可以遠(yuǎn)程接入鏡場DCS控制系統(tǒng)，便于組網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?？傊到y(tǒng)由嵌入式碟式太陽能控制器、伺服電機(jī)和光學(xué)傳感器構(gòu)成了一個(gè)基于“角度閉環(huán)”和“光學(xué)閉環(huán)”的“雙閉環(huán)”控制系統(tǒng)。

2.2 碟式太陽能跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　碟式太陽能定日鏡跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是跟蹤控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖2所示。采用雙軸驅(qū)動(dòng)方式，水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)由2個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，俯仰方向轉(zhuǎn)動(dòng)由伺服電機(jī)帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。由于采用了伺服電機(jī)控制，整套控制系統(tǒng)可以達(dá)到很高的跟蹤精度。同時(shí)，在圖2所示的A、B、C、D位置安裝接近開關(guān)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的保護(hù)作用，防止機(jī)械裝置損壞。

3 碟式太陽能就地跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式碟式太陽能控制器硬件設(shè)計(jì)

　　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(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、GPS電路、看門狗電路、伺服驅(qū)動(dòng)器通訊電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)，型號為STM32F107VCT6，CPU時(shí)鐘頻率高達(dá)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(gè)UART，80個(gè)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(jìn)行隔離。

3.2 嵌入式碟式太陽能控制器軟件設(shè)計(jì)

　　嵌入式碟式太陽能控制器ARM微處理器內(nèi)部運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行。主要包含：GPS通訊子任務(wù)、風(fēng)速采集子任務(wù)、光學(xué)追日傳感器子任務(wù)、太陽能追蹤控制子任務(wù)、數(shù)學(xué)模型解算子任務(wù)、伺服電機(jī)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(gè)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(shí)區(qū)、時(shí)間等變量的讀取。當(dāng)GPS信號正常時(shí)，可以對控制器內(nèi)部的時(shí)鐘模塊進(jìn)行校時(shí)。當(dāng)GPS信號弱或者信號丟失后，將自動(dòng)切換到內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，來獲取時(shí)間信息，以保證太陽位置算法的準(zhǔn)確性。

　　風(fēng)速采集子任務(wù)主要來獲取實(shí)時(shí)的風(fēng)速，執(zhí)行大風(fēng)保護(hù)程序。當(dāng)風(fēng)速傳感器檢測到風(fēng)等級大于8級時(shí)，程序進(jìn)入大風(fēng)保護(hù)子程序，并將定日鏡快速回到保護(hù)位置。當(dāng)風(fēng)力減弱后，程序跳出大風(fēng)保護(hù)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(xué)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械誤差調(diào)整的功能。

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

　　數(shù)學(xué)模型解算子任務(wù)主要來實(shí)現(xiàn)太陽實(shí)時(shí)高度角和方位角根據(jù)實(shí)際的機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性息息相關(guān)，屬于空間三維坐標(biāo)實(shí)時(shí)解算，計(jì)算量非常大。

　　伺服電機(jī)狀態(tài)檢測子任務(wù)主要來依靠通訊來實(shí)現(xiàn)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器配置有RS485通訊接口，通過通訊協(xié)議獲取驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警信息，可實(shí)現(xiàn)過壓、過流、短路、斷相、過溫、過載保護(hù)功能。比如，水平傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過2臺(tái)伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)一個(gè)減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，如果兩臺(tái)伺服電機(jī)某一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，就不能實(shí)現(xiàn)同步功能，此時(shí)必須將另外一臺(tái)也停止下來，否則會(huì)引起減速器的損壞。因此，伺服電機(jī)狀態(tài)對于設(shè)備保護(hù)起著非常重要的作用。

　　顯示屏通訊子任務(wù)主要來實(shí)現(xiàn)碟式太陽能定日鏡運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、系統(tǒng)參數(shù)和報(bào)警參數(shù)的設(shè)置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。

　　DCS通訊子任務(wù)主要來實(shí)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(dòng)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(yùn)行特性和跟蹤效果。

4.1 應(yīng)用

　　本文設(shè)計(jì)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(xiàng)目中，該示范項(xiàng)目2012年建成，至今穩(wěn)定運(yùn)行5年有余。

4.2 測試效果

　　選取2015-2016兩年夏至日進(jìn)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(jìn)行數(shù)值分析。表1為本系統(tǒng)ARM控制器計(jì)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(jì)的跟蹤策略是一致的。當(dāng)跟蹤偏差設(shè)置為0.05°時(shí)，實(shí)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(jì)了一種基于ARM-Cortex M3架構(gòu)單片機(jī)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(jìn)行了應(yīng)用并分析了應(yīng)用效果。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)追日系統(tǒng)采用連續(xù)跟蹤驅(qū)動(dòng)方式，采用光學(xué)閉環(huán)和角度閉環(huán)兩種閉環(huán)控制方式，實(shí)際運(yùn)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(fēng)等惡劣天氣時(shí)，裝置能快速返回到保護(hù)位置。該控制器具有成本低、跟蹤精度較高、便于自動(dòng)控制等特點(diǎn)，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(shí)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(shí)引用，并注明出處。