碟式斯特林太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制系統設計

摘要：針對碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電中的太陽(yáng)跟蹤問(wèn)題，提出了基于GPS的開(kāi)環(huán)程序粗跟蹤和四象限硅光電池跟蹤校準的閉環(huán)跟蹤解決方法。以ATmega128單片機為主控制器，根據GPS模塊和反饋裝置獲得的信息，控制碟轉向機構的水平、俯仰兩個(gè)方向運動(dòng)，實(shí)現對太陽(yáng)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，能夠保證碟式聚光器的光斑始終落在斯特林發(fā)動(dòng)機的接收器上。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤；ATmega128；混合控制；碟式斯特林

引言
碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置是一種通過(guò)聚焦太陽(yáng)光產(chǎn)生高溫，進(jìn)而推動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(熱氣機)輸出電能的裝置。圖1為典型碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置系統原理圖。它通過(guò)碟式聚光器聚焦太陽(yáng)光，使之進(jìn)入太陽(yáng)光接收器，并轉化為熱能推動(dòng)發(fā)電機運轉和輸出電能。裝置中設計有轉向機構，可保證裝置通過(guò)調節聚光器的仰角及水平角度實(shí)現追蹤太陽(yáng)的目的，以提高太陽(yáng)能利用率。為了使轉向機構實(shí)現其功能并最大限度地利用太陽(yáng)能，需要設計一個(gè)能夠實(shí)時(shí)對太陽(yáng)進(jìn)行大范圍跟蹤的太陽(yáng)跟蹤系統，使太陽(yáng)光始終聚集在斯特林發(fā)動(dòng)機的太陽(yáng)光接收器上。

本文采用混合控制方式，結合了開(kāi)環(huán)跟蹤與閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)，以ATmega128單片機為主控制器，設計了一款碟式斯特林太陽(yáng)跟蹤控制系統，實(shí)現大范圍的各種天氣狀況下的太陽(yáng)跟蹤，使碟式聚光器聚焦光斑都落在斯特林發(fā)動(dòng)機的接收器上，提高系統的安全性和發(fā)電效率。

1 系統原理
通過(guò)GPS接收器，得到碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置所在地的經(jīng)度、緯度以及UTC時(shí)間；通過(guò)開(kāi)環(huán)的程序跟蹤，計算出太陽(yáng)高度角和方位角，確定太陽(yáng)當前的位置；輸出PWM信號，驅動(dòng)轉向機構的水平與俯仰步進(jìn)電機，使碟式聚光器達到預期位置；采用四象限硅光電池對碟式
聚光器做自動(dòng)定位和誤差校正，進(jìn)行閉環(huán)控制，微調聚光碟的位置，確保太陽(yáng)光通過(guò)碟式聚光器聚焦都落在斯特林發(fā)動(dòng)機的接收器上，以保證發(fā)動(dòng)機的效率最大化。系統組成原理框圖如圖2所示。

2 系統硬件
2．1 微控制器ATrnega128
ATmega128單片機是基于A(yíng)VR RISC結構8位低功耗CMOS微處理器，為AVR單片機系列中的高性能單片機。ATmega128單片機內部帶有128 KB的在系統可編程Flash程序存儲器、4 KB的EEPROM、4 KB的SRAM、53個(gè)通用I／O端口線(xiàn)、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(xiàn)、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器／計數器(T／C)，能夠很方便地控制步進(jìn)電機。
2．2 天氣模塊
天氣模塊主要用于天氣狀態(tài)的檢測，如光強、風(fēng)速和陰雨等。當風(fēng)速達到或大于設定值時(shí)，ATmega128單片機發(fā)出指令，通過(guò)接口電路驅動(dòng)轉向機構，使碟式聚光器保持安全位置狀態(tài)，從而保證系統的安全。當系統采集的實(shí)時(shí)環(huán)境光強和實(shí)時(shí)時(shí)間都小于設定的最小經(jīng)濟發(fā)電光強時(shí)，碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置做出相應處理，等待光強達到設定值時(shí)再次運行。
2．3 GPS接收器
GPS接收器采用Motorola公司的M12模塊，M12模塊接收衛星信號，通過(guò)串口輸出信息。ATmega128單片機解碼出當地的經(jīng)度、緯度以及UTC時(shí)間，根據天文公式，計算出當前太陽(yáng)高度角和方位角。由于A(yíng)Tmega128單片機和M12模塊的I／O操作電壓范圍不同，所以?xún)烧叩拇谥g需通過(guò)光電耦合器進(jìn)行電平轉換才能保持穩定通信，其電路如圖3所示。