嵌入式碟式太陽能熱發(fā)電控制器研制與應用

作者 崔海朋 尹帥 青島杰瑞工控技術有限公司(山東 青島 266061)

崔海朋(1982-)，男，碩士，工程師，研究方向：嵌入式系統應用。

摘要：目前在太陽能熱發(fā)電領域，碟式太陽能的轉化效率最高，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，采用視日運動軌跡算法跟蹤和光學跟蹤結合的策略，計算出碟式太陽能定日鏡跟蹤太陽的旋轉角度，根據偏差值驅動伺服電機，同時根據光學傳感器反饋對位置進行實時校正，實現碟式太陽能定日鏡對太陽的精確跟蹤。應用結果顯示，該跟蹤控制系統具有跟蹤精度高，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形式。其中，碟式太陽能熱發(fā)電系統因分布、并網均適宜、轉換效率高、成本下降空間最大，已經成為頗具商業(yè)前途的技術路線。碟式定日鏡是碟式太陽能熱發(fā)電系統的核心，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，并應用于小型碟式太陽能熱發(fā)電示范系統中。

1 碟式跟蹤控制系統控制策略

　　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用需要復雜的計算過程，對于傳統的單片機和PLC很難實現，而對于ARM架構的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，采用光學跟蹤和算法跟蹤相結合的方式，實現了全自動的自動跟蹤。本文設計的碟式太陽能就地跟蹤控制系統，采用雙軸跟蹤模式，能實現碟式定日鏡的多種保護，可以實現全自動、全天候的太陽跟蹤，通過工程應用證明了其能夠滿足碟式太陽能熱發(fā)電的技術要求。

2 碟式太陽能跟蹤系統工作原理

2.1 碟式太陽能定日鏡控制系統系統架構

　　本文研制的碟式太陽跟蹤控制系統總體結構如圖1所示。跟蹤控制系統主要由嵌入式太陽能控制器、光學傳感器、伺服驅動器和伺服電機、機械執(zhí)行機構模塊、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、經緯度、海拔、時區(qū)等數據，根據高精度太陽位置算法計算出太陽的高度角和方位角，根據定日鏡的數學模型換算成定日鏡的高度角和方位角，再根據定日鏡的減速傳動機構變速比換算成水平和俯仰兩個方向電機應該轉動的圈數，控制器通過給伺服電機發(fā)送相應的方向信息和脈沖這些動作指令驅動定日鏡跟蹤太陽。當偏差絕對值小于設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，該系統包含多種保護。主要包括基于氣象數據的大風保護、基于死區(qū)接近開關的支架保護、伺服電機的過壓、過流、過載、斷相、短路保護等。當這些工況出現時，則自動啟動保護程序，使定日鏡回到預設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接口，可以遠程接入鏡場DCS控制系統，便于組網和實現遠程監(jiān)控。總之，系統由嵌入式碟式太陽能控制器、伺服電機和光學傳感器構成了一個基于“角度閉環(huán)”和“光學閉環(huán)”的“雙閉環(huán)”控制系統。

2.2 碟式太陽能跟蹤傳動機構

　　碟式太陽能定日鏡跟蹤傳動機構是跟蹤控制系統的執(zhí)行機構，如圖2所示。采用雙軸驅動方式，水平方向轉動由2個伺服電機帶動減速機構來實現，俯仰方向轉動由伺服電機帶動四連桿機構的蝸輪蝸桿減速機構來實現。由于采用了伺服電機控制，整套控制系統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，實現設備的保護作用，防止機械裝置損壞。

3 碟式太陽能就地跟蹤控制系統設計

3.1 嵌入式碟式太陽能控制器硬件設計

　　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、數字量輸入電路、模擬量輸入電路、以太網通訊電路、時鐘電路、存儲電路、GPS電路、看門狗電路、伺服驅動器通訊電路、伺服電機驅動電路、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體生產的Cortex-M3架構的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計

　　嵌入式碟式太陽能控制器ARM微處理器內部運行嵌入式操作系統，多個任務同時運行。主要包含：GPS通訊子任務、風速采集子任務、光學追日傳感器子任務、太陽能追蹤控制子任務、數學模型解算子任務、伺服電機狀態(tài)檢測子任務、顯示屏通訊子任務和DCS通訊子任務等構成。多個任務協同工作，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通訊子任務主要完成太陽位置算法相關的經緯度、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，實現自動機械誤差調整的功能。

　　太陽能追蹤控制子任務主要來實現碟式定日鏡的手動和自動運行控制。程序首先判斷系統的控制方式，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，子程序實時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。系統的工作時間可以進行設置，當追蹤角度大于一定角度時，系統開始工作，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。

　　數學模型解算子任務主要來實現太陽實時高度角和方位角根據實際的機械結構模型換算成定日鏡的高度角和方位角，該算法和機械結構模型的準確性息息相關，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)檢測子任務主要來依靠通訊來實現、伺服電機驅動器配置有RS485通訊接口，通過通訊協議獲取驅動器的報警信息，可實現過壓、過流、短路、斷相、過溫、過載保護功能。比如，水平傳動機構是通過2臺伺服電機同步驅動一個減速機構來實現，如果兩臺伺服電機某一臺出現故障時，就不能實現同步功能，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)對于設備保護起著非常重要的作用。

　　顯示屏通訊子任務主要來實現碟式太陽能定日鏡運行狀態(tài)的監(jiān)控、系統參數和報警參數的設置，實時數據和歷史數據的存儲等。

　　DCS通訊子任務主要來實現控制器與鏡場DCS控制系統之間的通訊。

4 碟式太陽能控制器應用及效果

　　應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，用于驅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 應用

　　本文設計的碟式太陽能跟蹤控制器應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據記錄測試，記錄一天內定日鏡的理想追蹤角度以及定日鏡測量角度的數據，差值作為跟蹤誤差來進行數值分析。表1為本系統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計的跟蹤策略是一致的。當跟蹤偏差設置為0.05°時，實測最大偏差為0.05°從近幾年的數據分析來看，基于ARM控制器的碟式跟蹤控制系統滿足碟式太陽能光熱發(fā)電的要求。

5 結論

　　本文設計了一種基于ARM-Cortex M3架構單片機的碟式太陽能跟蹤控制器，并且應用到碟式太陽能定日鏡中，進行了應用并分析了應用效果。本文設計的自動追日系統采用連續(xù)跟蹤驅動方式，采用光學閉環(huán)和角度閉環(huán)兩種閉環(huán)控制方式，實際運行結果表明最大跟蹤誤差可控制在±0.05°以內，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用前景。

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