嵌入式碟式太阳能热发电控制器研制与应用

作者 崔海朋 尹帅 青岛杰瑞工控技术有限公司(山东 青岛 266061)

崔海朋(1982-)，男，硕士，工程师，研究方向：嵌入式系统应用。

摘要：目前在太阳能热发电领域，碟式太阳能的转化效率最高，能适用于分布式和集中式两种发电需求。为了提高碟式太阳能跟踪控制系统的跟踪精度，本文研制了一种基于嵌入式控制器的碟式太阳能自动跟踪系统，采用视日运动轨迹算法跟踪和光学跟踪结合的策略，计算出碟式太阳能定日镜跟踪太阳的旋转角度，根据偏差值驱动伺服电机，同时根据光学传感器反馈对位置进行实时校正，实现碟式太阳能定日镜对太阳的精确跟踪。应用结果显示，该跟踪控制系统具有跟踪精度高，聚光比高等特点。

引言

目前，太阳能光热发电主要有槽式、塔式、碟式和菲涅尔式四种主要技术形式。其中，碟式太阳能热发电系统因分布、并网均适宜、转换效率高、成本下降空间最大，已经成为颇具商业前途的技术路线。碟式定日镜是碟式太阳能热发电系统的核心，太阳跟踪精度直接影响了碟式太阳能斯特林机的运行效率。因此，本文针对碟式太阳能定日镜进行研究，开发了一套基于嵌入式控制器的就地跟踪控制系统，并应用于小型碟式太阳能热发电示范系统中。

1 碟式跟踪控制系统控制策略

碟式太阳跟踪控制策略主要有采用追日传感器的光学跟踪和采用视日运动的算法跟踪。其中，光学跟踪易受云层影响，运行效率较低;而算法跟踪需要精确计算太阳位置，依赖高精度的太阳位置算法，高精度算法的工程应用需要复杂的计算过程，对于传统的单片机和PLC很难实现，而对于ARM架构的32位单片机来说，则非常容易。因此，本文研制了一种嵌入式碟式太阳能跟踪控制器，搭建了一套碟式太阳能就地跟踪控制系统，采用光学跟踪和算法跟踪相结合的方式，实现了全自动的自动跟踪。本文设计的碟式太阳能就地跟踪控制系统，采用双轴跟踪模式，能实现碟式定日镜的多种保护，可以实现全自动、全天候的太阳跟踪，通过工程应用证明了其能够满足碟式太阳能热发电的技术要求。

2 碟式太阳能跟踪系统工作原理

2.1 碟式太阳能定日镜控制系统系统架构

本文研制的碟式太阳跟踪控制系统总体结构如图1所示。跟踪控制系统主要由嵌入式太阳能控制器、光学传感器、伺服驱动器和伺服电机、机械执行机构模块、定日镜模块等几部分组成。

嵌入式碟式太阳能控制器通过GPS模块获取精确的时间、经纬度、海拔、时区等数据，根据高精度太阳位置算法计算出太阳的高度角和方位角，根据定日镜的数学模型换算成定日镜的高度角和方位角，再根据定日镜的减速传动机构变速比换算成水平和俯仰两个方向电机应该转动的圈数，控制器通过给伺服电机发送相应的方向信息和脉冲这些动作指令驱动定日镜跟踪太阳。当偏差绝对值小于设定的角度跟踪精度时，则理论上表明定日镜已跟踪上太阳。为了减少机械回差、机械磨损、初始位置不准确等带来的跟踪偏差，系统接入了光学传感器，对追踪到的太阳位置进行实时校正。同时，该系统包含多种保护。主要包括基于气象数据的大风保护、基于死区接近开关的支架保护、伺服电机的过压、过流、过载、断相、短路保护等。当这些工况出现时，则自动启动保护程序，使定日镜回到预设的安全位置或者暂停运行。同时，嵌入式碟式太阳能控制器具有以太网接口，可以远程接入镜场DCS控制系统，便于组网和实现远程监控。总之，系统由嵌入式碟式太阳能控制器、伺服电机和光学传感器构成了一个基于“角度闭环”和“光学闭环”的“双闭环”控制系统。

2.2 碟式太阳能跟踪传动机构

碟式太阳能定日镜跟踪传动机构是跟踪控制系统的执行机构，如图2所示。采用双轴驱动方式，水平方向转动由2个伺服电机带动减速机构来实现，俯仰方向转动由伺服电机带动四连杆机构的蜗轮蜗杆减速机构来实现。由于采用了伺服电机控制，整套控制系统可以达到很高的跟踪精度。同时，在图2所示的A、B、C、D位置安装接近开关，实现设备的保护作用，防止机械装置损坏。

3 碟式太阳能就地跟踪控制系统设计

3.1 嵌入式碟式太阳能控制器硬件设计

如图3所示，嵌入式碟式太阳能控制器由ARM嵌入式微处理器、电源电路、数字量输入电路、模拟量输入电路、以太网通讯电路、时钟电路、存储电路、GPS电路、看门狗电路、伺服驱动器通讯电路、伺服电机驱动电路、模拟量输出电路和CAN总线通讯电路组成。

其中，ARM嵌入式微处理器采用意法半导体生产的Cortex-M3架构的32位单片机，型号为STM32F107VCT6，CPU时钟频率高达72MHz，有256KB的Flash，64KB的SRAM，含有1路10/100M 以太网控制器，2路CAN接口