嵌入式碟式太陽(yáng)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(shù)有限公司(山東 青島 266061)

崔海朋(1982-)，男，碩士，工程師，研究方向：嵌入式系統應用。

摘要：目前在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域，碟式太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統，采用視日運動(dòng)軌跡算法跟蹤和光學(xué)跟蹤結合的策略，計算出碟式太陽(yáng)能定日鏡跟蹤太陽(yáng)的旋轉角度，根據偏差值驅動(dòng)伺服電機，同時(shí)根據光學(xué)傳感器反饋對位置進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，實(shí)現碟式太陽(yáng)能定日鏡對太陽(yáng)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(diǎn)。

引言

　　目前，太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電系統因分布、并網(wǎng)均適宜、轉換效率高、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(xiàn)。碟式定日鏡是碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統的核心，太陽(yáng)跟蹤精度直接影響了碟式太陽(yáng)能斯特林機的運行效率。因此，本文針對碟式太陽(yáng)能定日鏡進(jìn)行研究，開(kāi)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(yáng)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(yáng)跟蹤控制策略主要有采用追日傳感器的光學(xué)跟蹤和采用視日運動(dòng)的算法跟蹤。其中，光學(xué)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(yáng)位置，依賴(lài)高精度的太陽(yáng)位置算法，高精度算法的工程應用需要復雜的計算過(guò)程，對于傳統的單片機和PLC很難實(shí)現，而對于A(yíng)RM架構的32位單片機來(lái)說(shuō)，則非常容易。因此，本文研制了一種嵌入式碟式太陽(yáng)能跟蹤控制器，搭建了一套碟式太陽(yáng)能就地跟蹤控制系統，采用光學(xué)跟蹤和算法跟蹤相結合的方式，實(shí)現了全自動(dòng)的自動(dòng)跟蹤。本文設計的碟式太陽(yáng)能就地跟蹤控制系統，采用雙軸跟蹤模式，能實(shí)現碟式定日鏡的多種保護，可以實(shí)現全自動(dòng)、全天候的太陽(yáng)跟蹤，通過(guò)工程應用證明了其能夠滿(mǎn)足碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電的技術(shù)要求。

2 碟式太陽(yáng)能跟蹤系統工作原理

2.1 碟式太陽(yáng)能定日鏡控制系統系統架構

　　本文研制的碟式太陽(yáng)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(yáng)能控制器、光學(xué)傳感器、伺服驅動(dòng)器和伺服電機、機械執行機構模塊、定日鏡模塊等幾部分組成。

　　嵌入式碟式太陽(yáng)能控制器通過(guò)GPS模塊獲取精確的時(shí)間、經(jīng)緯度、海拔、時(shí)區等數據，根據高精度太陽(yáng)位置算法計算出太陽(yáng)的高度角和方位角，根據定日鏡的數學(xué)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(dòng)機構變速比換算成水平和俯仰兩個(gè)方向電機應該轉動(dòng)的圈數，控制器通過(guò)給伺服電機發(fā)送相應的方向信息和脈沖這些動(dòng)作指令驅動(dòng)定日鏡跟蹤太陽(yáng)。當偏差絕對值小于設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(yáng)。為了減少機械回差、機械磨損、初始位置不準確等帶來(lái)的跟蹤偏差，系統接入了光學(xué)傳感器，對追蹤到的太陽(yáng)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。同時(shí)，該系統包含多種保護。主要包括基于氣象數據的大風(fēng)保護、基于死區接近開(kāi)關(guān)的支架保護、伺服電機的過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載、斷相、短路保護等。當這些工況出現時(shí)，則自動(dòng)啟動(dòng)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(shí)，嵌入式碟式太陽(yáng)能控制器具有以太網(wǎng)接口，可以遠程接入鏡場(chǎng)DCS控制系統，便于組網(wǎng)和實(shí)現遠程監控?？傊?，系統由嵌入式碟式太陽(yáng)能控制器、伺服電機和光學(xué)傳感器構成了一個(gè)基于“角度閉環(huán)”和“光學(xué)閉環(huán)”的“雙閉環(huán)”控制系統。

2.2 碟式太陽(yáng)能跟蹤傳動(dòng)機構

　　碟式太陽(yáng)能定日鏡跟蹤傳動(dòng)機構是跟蹤控制系統的執行機構，如圖2所示。采用雙軸驅動(dòng)方式，水平方向轉動(dòng)由2個(gè)伺服電機帶動(dòng)減速機構來(lái)實(shí)現，俯仰方向轉動(dòng)由伺服電機帶動(dòng)四連桿機構的蝸輪蝸桿減速機構來(lái)實(shí)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(shí)，在圖2所示的A、B、C、D位置安裝接近開(kāi)關(guān)，實(shí)現設備的保護作用，防止機械裝置損壞。

3 碟式太陽(yáng)能就地跟蹤控制系統設計

3.1 嵌入式碟式太陽(yáng)能控制器硬件設計

　　如圖3所示，嵌入式碟式太陽(yáng)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(wǎng)通訊電路、時(shí)鐘電路、存儲電路、GPS電路、看門(mén)狗電路、伺服驅動(dòng)器通訊電路、伺服電機驅動(dòng)電路、模擬量輸出電路和CAN總線(xiàn)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(chǎn)的Cortex-M3架構的32位單片機，型號為STM32F107VCT6，CPU時(shí)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(gè)UART，80個(gè)GPIO。不論從性能還是從外設上都完全滿(mǎn)足碟式太陽(yáng)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(yáng)能控制器軟件設計

　　嵌入式碟式太陽(yáng)能控制器ARM微處理器內部運行嵌入式操作系統，多個(gè)任務(wù)同時(shí)運行。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(yáng)能追蹤控制子任務(wù)、數學(xué)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)等構成。多個(gè)任務(wù)協(xié)同工作，共同完成碟式太陽(yáng)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(yáng)位置算法相關(guān)的經(jīng)緯度、海拔、時(shí)區、時(shí)間等變量的讀取。當GPS信號正常時(shí)，可以對控制器內部的時(shí)鐘模塊進(jìn)行校時(shí)。當GPS信號弱或者信號丟失后，將自動(dòng)切換到內部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，來(lái)獲取時(shí)間信息，以保證太陽(yáng)位置算法的準確性。

　　風(fēng)速采集子任務(wù)主要來(lái)獲取實(shí)時(shí)的風(fēng)速，執行大風(fēng)保護程序。當風(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)保護子程序，并將定日鏡快速回到保護位置。當風(fēng)力減弱后，程序跳出大風(fēng)保護子程序，繼續執行太陽(yáng)跟蹤程序，使定日鏡繼續回到工作位置，繼續跟蹤。

　　光學(xué)追日傳感器子任務(wù)主要來(lái)采集太陽(yáng)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)現自動(dòng)機械誤差調整的功能。

　　太陽(yáng)能追蹤控制子任務(wù)主要來(lái)實(shí)現碟式定日鏡的手動(dòng)和自動(dòng)運行控制。程序首先判斷系統的控制方式，如果在自動(dòng)模式下，程序執行自動(dòng)控制的邏輯程序，若不在自動(dòng)模式則系統進(jìn)入手動(dòng)模式。為了減少伺服電機的動(dòng)作時(shí)間，程序采取跟蹤偏差PID控制的方式，子程序實(shí)時(shí)計算碟式太陽(yáng)能定日鏡的跟蹤角度并與定日鏡的當前角度進(jìn)行比較，在兩者誤差大于一定偏差值時(shí)，程序執行跟蹤指令。系統的工作時(shí)間可以進(jìn)行設置，當追蹤角度大于一定角度時(shí)，系統開(kāi)始工作，等到日落時(shí)，控制器發(fā)出指令，使定日鏡快速運動(dòng)到保護位置，等待次日啟動(dòng)。

　　數學(xué)模型解算子任務(wù)主要來(lái)實(shí)現太陽(yáng)實(shí)時(shí)高度角和方位角根據實(shí)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(guān)，屬于空間三維坐標實(shí)時(shí)解算，計算量非常大。

　　伺服電機狀態(tài)檢測子任務(wù)主要來(lái)依靠通訊來(lái)實(shí)現、伺服電機驅動(dòng)器配置有RS485通訊接口，通過(guò)通訊協(xié)議獲取驅動(dòng)器的報警信息，可實(shí)現過(guò)壓、過(guò)流、短路、斷相、過(guò)溫、過(guò)載保護功能。比如，水平傳動(dòng)機構是通過(guò)2臺伺服電機同步驅動(dòng)一個(gè)減速機構來(lái)實(shí)現，如果兩臺伺服電機某一臺出現故障時(shí)，就不能實(shí)現同步功能，此時(shí)必須將另外一臺也停止下來(lái)，否則會(huì )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(zhù)非常重要的作用。

　　顯示屏通訊子任務(wù)主要來(lái)實(shí)現碟式太陽(yáng)能定日鏡運行狀態(tài)的監控、系統參數和報警參數的設置，實(shí)時(shí)數據和歷史數據的存儲等。

　　DCS通訊子任務(wù)主要來(lái)實(shí)現控制器與鏡場(chǎng)DCS控制系統之間的通訊。

4 碟式太陽(yáng)能控制器應用及效果

　　應用本文研制的嵌入式ARM碟式太陽(yáng)能控制器、開(kāi)發(fā)了一套碟式太陽(yáng)能就地控制系統，用于驅動(dòng)碟式太陽(yáng)能定日鏡，以分析碟式太陽(yáng)能定日鏡在不同年份不同季節的運行特性和跟蹤效果。

4.1 應用

　　本文設計的碟式太陽(yáng)能跟蹤控制器應用于山東德州的碟式太陽(yáng)能小型示范項目中，該示范項目2012年建成，至今穩定運行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(lái)進(jìn)行數值分析。表1為本系統ARM控制器計算出的太陽(yáng)跟蹤角度、定日鏡的測量角度對比表格。從表中可以直觀(guān)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(shí)，實(shí)測最大偏差為0.05°從近幾年的數據分析來(lái)看，基于A(yíng)RM控制器的碟式跟蹤控制系統滿(mǎn)足碟式太陽(yáng)能光熱發(fā)電的要求。

5 結論

　　本文設計了一種基于A(yíng)RM-Cortex M3架構單片機的碟式太陽(yáng)能跟蹤控制器，并且應用到碟式太陽(yáng)能定日鏡中，進(jìn)行了應用并分析了應用效果。本文設計的自動(dòng)追日系統采用連續跟蹤驅動(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)際運行結果表明最大跟蹤誤差可控制在±0.05°以?xún)?，在遇到大風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，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(dòng)控制等特點(diǎn)，是適用于碟式太陽(yáng)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(shí)用性和廣闊的應用前景。

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