碟式斯特林太陽自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)碟式斯特林太陽能熱發(fā)電中的太陽跟蹤問題，提出了基于GPS的開環(huán)程序粗跟蹤和四象限硅光電池跟蹤校準(zhǔn)的閉環(huán)跟蹤解決方法。以ATmega128單片機(jī)為主控制器，根據(jù)GPS模塊和反饋裝置獲得的信息，控制碟轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的水平、俯仰兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽位置的跟蹤，形成了一個(gè)精度高、受環(huán)境影響較小的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠保證碟式聚光器的光斑始終落在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的接收器上。
關(guān)鍵詞：太陽自動(dòng)跟蹤；ATmega128；混合控制；碟式斯特林

引言
碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置是一種通過聚焦太陽光產(chǎn)生高溫，進(jìn)而推動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(熱氣機(jī))輸出電能的裝置。圖1為典型碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置系統(tǒng)原理圖。它通過碟式聚光器聚焦太陽光，使之進(jìn)入太陽光接收器，并轉(zhuǎn)化為熱能推動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和輸出電能。裝置中設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可保證裝置通過調(diào)節(jié)聚光器的仰角及水平角度實(shí)現(xiàn)追蹤太陽的目的，以提高太陽能利用率。為了使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其功能并最大限度地利用太陽能，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)太陽進(jìn)行大范圍跟蹤的太陽跟蹤系統(tǒng)，使太陽光始終聚集在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的太陽光接收器上。

本文采用混合控制方式，結(jié)合了開環(huán)跟蹤與閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)，以ATmega128單片機(jī)為主控制器，設(shè)計(jì)了一款碟式斯特林太陽跟蹤控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大范圍的各種天氣狀況下的太陽跟蹤，使碟式聚光器聚焦光斑都落在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的接收器上，提高系統(tǒng)的安全性和發(fā)電效率。

1 系統(tǒng)原理
通過GPS接收器，得到碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置所在地的經(jīng)度、緯度以及UTC時(shí)間；通過開環(huán)的程序跟蹤，計(jì)算出太陽高度角和方位角，確定太陽當(dāng)前的位置；輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的水平與俯仰步進(jìn)電機(jī)，使碟式聚光器達(dá)到預(yù)期位置；采用四象限硅光電池對(duì)碟式
聚光器做自動(dòng)定位和誤差校正，進(jìn)行閉環(huán)控制，微調(diào)聚光碟的位置，確保太陽光通過碟式聚光器聚焦都落在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的接收器上，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的效率最大化。系統(tǒng)組成原理框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件
2．1 微控制器ATrnega128
ATmega128單片機(jī)是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)8位低功耗CMOS微處理器，為AVR單片機(jī)系列中的高性能單片機(jī)。ATmega128單片機(jī)內(nèi)部帶有128 KB的在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器、4 KB的EEPROM、4 KB的SRAM、53個(gè)通用I／O端口線、32個(gè)通用工作寄存器、8通道10位ADC、53個(gè)可編程I／O端口線、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(T／C)，能夠很方便地控制步進(jìn)電機(jī)。
2．2 天氣模塊
天氣模塊主要用于天氣狀態(tài)的檢測(cè)，如光強(qiáng)、風(fēng)速和陰雨等。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或大于設(shè)定值時(shí)，ATmega128單片機(jī)發(fā)出指令，通過接口電路驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使碟式聚光器保持安全位置狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)的安全。當(dāng)系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)環(huán)境光強(qiáng)和實(shí)時(shí)時(shí)間都小于設(shè)定的最小經(jīng)濟(jì)發(fā)電光強(qiáng)時(shí)，碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置做出相應(yīng)處理，等待光強(qiáng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)再次運(yùn)行。
2．3 GPS接收器
GPS接收器采用Motorola公司的M12模塊，M12模塊接收衛(wèi)星信號(hào)，通過串口輸出信息。ATmega128單片機(jī)解碼出當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度以及UTC時(shí)間，根據(jù)天文公式，計(jì)算出當(dāng)前太陽高度角和方位角。由于ATmega128單片機(jī)和M12模塊的I／O操作電壓范圍不同，所以兩者的串口之間需通過光電耦合器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能保持穩(wěn)定通信，其電路如圖3所示。