一種船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置的設計與實現(xiàn)

，，

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

太陽能作為一種清潔可持續(xù)使用能源，與常規(guī)能源相比較，它可以無限使用，不會枯竭，而且安全無害，只要加以收集、轉換即可直接使用，因而在開發(fā)利用過程中具有顯著的優(yōu)勢。在分析了當前船用太陽能發(fā)電現(xiàn)狀的基礎上，以碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術和雙軸混合控制太陽能跟蹤技術為核心，研究并設計了一種船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置。該裝置可實現(xiàn)在船舶這一特殊的運動載體和水中航行這一特定環(huán)境下，通過自動跟蹤太陽的碟式聚光鏡將太陽光聚焦于斯特林發(fā)動機頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動活塞做功，通過曲柄連桿機構帶動發(fā)電機轉化成電能輸出，作為輔助能源應用在船舶的照明系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、輔助機械等方面，從而實現(xiàn)節(jié)能減排、保護環(huán)境的良好效果[1]。

1 碟式太陽能熱發(fā)電技術

近年來，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)獲得了大量的研究且在陸上得到了廣泛應用，但在船舶上的應用目前主要集中于小型船舶上，在全動力船舶和大型遠洋船舶上推廣不多。其主要原因就是光伏發(fā)電因受材料的限制，發(fā)電量不高，效率低，其發(fā)電成本相對較高，系統(tǒng)成本回收期較長，在船舶領域的發(fā)展受到了很大程度的限制。太陽能熱發(fā)電較光伏發(fā)電更能適應大規(guī)模的工業(yè)化應用。目前，太陽能熱力發(fā)電單機容量已發(fā)展到兆瓦級，全球已有數(shù)十座兆瓦級太陽能熱電站投入試驗運行[2]。按集熱器類型的不同太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為槽式、塔式和碟式三種系統(tǒng)。碟式系統(tǒng)具有高效、模塊化和具備組成混合發(fā)電系統(tǒng)的能力等特點，既可以作分布式系統(tǒng)單獨供電，也可以并網(wǎng)發(fā)電。在所有太陽能發(fā)電技術中，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有最高的光熱轉換效率(約85%)和光電轉換效率(約31%)，因此有潛力成為最便宜的可再生能源之一。碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置原理圖見圖1。

圖1 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置系統(tǒng)原理

表1是幾種太陽能發(fā)電形式的技術性能對比。從中可見，碟式太陽能熱發(fā)電具有光電轉換效率高、發(fā)電規(guī)模靈活、耗水量少等優(yōu)點。又由于該系統(tǒng)對場地的平坦性要求低，因此應用范圍廣泛。以上的這些優(yōu)點，為碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技在船舶上的應用提供了可能。

表1 太陽能發(fā)電形式的一些工程技術性能對比[3]

2 發(fā)電裝置系統(tǒng)硬件設計

本文研究并設計了一種船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置，其硬件系統(tǒng)構成主要包括：碟式聚光器、聚光器支架、斯特林發(fā)動機支架、太陽能斯特林機、由斯特林機驅動的發(fā)電機、太陽雙軸跟蹤裝置、以及自動跟蹤控制系統(tǒng)，見圖2。

圖2 船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置結構

其中，碟式聚光反射器呈扇形分割，由6個扇形聚光反射鏡片組拼接成一旋轉拋物面結構；反射鏡支架固定于船舶甲板上，用于支撐并安裝所述碟式聚光反射鏡；斯特林發(fā)動機支架一端固定連接所述碟式聚光反射鏡支架，另一端固定連接太陽能斯特林機上；太陽能斯特林機的接收器位于碟式聚光反射鏡的焦點處；發(fā)電機固定連接所述太陽能斯特林機上，構成斯特林發(fā)電機模塊；太陽雙軸跟蹤裝置安裝于所述反射鏡支架上，包括兩臺直流電機、兩臺減速器、一個絲杠螺母副和一個帶輪傳動機構；自動跟蹤控制系統(tǒng)通過信號線連接所述太陽雙軸跟蹤裝置，控制所述碟式聚光反射鏡的運行。整個裝置主要用螺栓連接，便于拆裝和運輸。裝置的轉動、定位和連接等機械結構都簡單可靠，跟蹤運動用單片機實現(xiàn)控制，這樣不僅加工容易且增加了系統(tǒng)的可靠性。

3 跟蹤控制系統(tǒng)設計

要將碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術應用在船舶上，首先需要解決的問題就是自動跟蹤太陽的碟式聚光器跟蹤控制系統(tǒng)的設計，由于“斯特林”熱機及其吸熱器等部分是不動的，把移動的太陽能穩(wěn)定地匯集聚焦到置于移動船舶上的太陽接收器上，要有一套自動跟蹤裝置，這種跟蹤裝置應該是以太陽為目的物的主動尋找的雙通道閉環(huán)跟蹤裝置?；诖?，本文提出了一種采用高度角-方位角雙軸混合跟蹤式(視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合)船用碟式太陽跟蹤聚光器跟蹤控制系統(tǒng)，該碟式聚光器可實現(xiàn)在船舶航行過程中對太陽運行位置變化的準確預測，進而通過調(diào)節(jié)碟式聚光器的轉角提高該船用太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的綜合轉化效率。

3.1 跟蹤控制系統(tǒng)硬件

1)微控制器采用STM32 F3。STM32 F3微控制器整合了帶有DSP與FPU指令、工作頻率為72 MHz的32位ARM Cortex-M4內(nèi)核和高級模擬外設，從而提高了靈活性。該控制器通過整合Cortex-M4內(nèi)核、快速12位5 MSPS和精密16位sigma-delta ADC、可編程增益放大器(4檔增益、精確度為1%)、快速50 ns比較器和工作頻率為144 MHz的多功能時鐘控制單元實現(xiàn)了嵌入式DSC設計創(chuàng)新，從而實現(xiàn)了最佳控制效果。其優(yōu)化的系統(tǒng)架構使其能有效控制并處理電路板內(nèi)的混合信號，如三相電機控制、生物識別和工業(yè)傳感器輸出或音頻濾波器等。

2)GPS接收器。采用HOLUX(長天科技股份有限公司)生產(chǎn)的環(huán)天BU-353S4 SIRF 4芯片，支持NMEA0183通信協(xié)議支持NMEA0183通訊協(xié)議，內(nèi)建超大電容, 可儲存快速取得的衛(wèi)星訊號數(shù)據(jù)。接收器帶48個追蹤頻道，靈敏度為-163 dBm,定位精度為2.5 m，并支持WAAS(wide area augmentation System)。STM32 F3單片機解碼出船舶航行過程中的實時經(jīng)緯度以及UTC(coordinated universal time)時間，根據(jù)相關天文公式計算出當前太陽高度角和方位角。

在時刻t，太陽的高度角h和方位角α分別為

h(t)= arc sin-1[sin(δt)sin(φt)+

cos(δt)cos(φt)cos(ωt)]

(1)

(2)

式中：φ——當前船舶所在的地理緯度；

δ——太陽赤緯角；

ω——太陽時角[4]。

其中赤緯角可由Cooper的近似計算公式求得

(3)

式中：n——1年中的第幾天。

一天當中隨時間變化引起的太陽位置的變化可由太陽時角ω表示，太陽在正午時太陽時角為0°，每小時變化15°，上午為正，下午為負。因此有

ω=(12-T)·15°

(4)

式中：T——船舶所在地時間。

3)機械控制機構。主要由水平方向調(diào)整電機、俯仰方向調(diào)整電機、絲杠螺母副、減速器、帶輪傳動機構組成。當STM32 F3單片機根據(jù)GPS接收模塊得到船舶當前所在位置的經(jīng)緯度和UTC時間，根據(jù)公式(1)、(2)計算出當前的太陽高度角增量和方位角增量，輸出一定數(shù)量的PWM(pulse width modulation)信號，驅動電機在水平和俯仰兩個方向上進行調(diào)整，實現(xiàn)對太陽的初步跟蹤。

4)電子羅盤。采用美國KVH公司生產(chǎn)的C100電子(數(shù)字)羅盤，其具有體積小、價格低、性能穩(wěn)定可靠等特點。它采用磁通門技術，航向精度可達到0.5°以內(nèi)，分辨率為0.1°，通過其數(shù)字接口，可提供地球磁場X、Y軸的水平分量，其本身采用鋁殼封裝，工作溫度-40°～+65°，內(nèi)置的自動校準軟件，可對磁場變化而引起的誤差進行修正[5]。

電子羅盤根據(jù)其原理識別出船舶航行方向與北方向的夾角并通過接口輸出角度值，當船舶航向改變時，由單片機STM32 F3采集電子羅盤輸出的角度值變化量，進行各種判斷、處理；同時單片機發(fā)出指令給方位角調(diào)整電機，驅動碟式太陽跟蹤聚光器回轉到船舶航向改變前的朝向。

5)反饋調(diào)整模塊。利用光電二極管的輸出，判斷碟式聚光器的軸線是否正對太陽，通過碟式聚光器軸線與理想位置的偏差調(diào)整驅動裝置的運動狀態(tài)。從而調(diào)整聚光器的位置，使聚光器主光軸指向太陽。如圖3所示，裝置采用4個光電二極管作為傳感器來檢測光強的變化，跟蹤太陽的位置，進行誤差校正。

圖3 光電二極管跟蹤太陽原理

4個完全相同的光電二極管封裝于一個高壁圓筒傳感器盒內(nèi)，均勻分布在東南西北4個方位處，并沿靠近筒壁布置，圓筒有一定高度遮擋斜射的太陽光。傳感器盒固定在聚光器邊緣面上，用來監(jiān)測太陽光。其中PD1和PD2這2個光電二極管用于檢測東西方向光線變化，調(diào)整太陽碟式聚光器東西方向角，即方位角；PD3和PD4這2個光電二極管則用于調(diào)整太陽碟式聚光器南北方向角，即高度角。檢測電路見圖4 示。

圖4 檢測電路

當太陽光垂直照射到聚光器表面時，PD1和PD2接受的太陽輻射強度相同，經(jīng)比較器后輸出信號為零；當太陽光偏離聚光器主光軸時，PD1和PD2接受的太陽輻射強度不同，經(jīng)比較器后輸出偏差信號，完成信號采樣過程。偏差信號通過運放及相應保護電路，經(jīng)模數(shù)轉換成數(shù)字信號，根據(jù)偏差信號的正負和大小決定電機的轉向和轉動角度，直到小于精度允許范圍，電機停止動作。特別地，當東西方位或南北方位的兩個光電傳感器感受到的光強差值偏差數(shù)字信號絕對值小于某個設定閥值時，單片機不發(fā)出讓電機動作的信號;當光強差值偏差數(shù)字信號絕對值超過設定閥值時，單片機才發(fā)出信號控制電機轉動，這樣控制的目的是提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

6)天氣模塊。主要用于海面天氣狀態(tài)的檢測，如光強、風速和陰雨等。當海面風速達到或大于設定值時，STM32 F3單片機發(fā)出指令，通過接口電路驅動轉向機構轉向使碟式聚光器受風面積最小，從而保證系統(tǒng)的安全，海面風速信息通?？梢詮鸟{駛臺獲取。當系統(tǒng)采集的實時環(huán)境光強小于設定的最小經(jīng)濟發(fā)電光強時，船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置做出相應處理，等待光強達到設定閥值時再次運行。

3.2 跟蹤控制原理

跟蹤系統(tǒng)采用高度角-方位角雙軸混合跟蹤的控制方式，通過GPS接收器，實時獲得船舶所在地的經(jīng)緯度以及UTC時間；通過開環(huán)的程序跟蹤，計算出太陽高度角和方位角，確定太陽當前的位置；輸出PWM信號，驅動轉向機構的水平與俯仰電機，使碟式聚光器達到預期位置，完成視日運動軌跡跟蹤，實現(xiàn)對太陽的初步跟蹤；當船舶航向改變時，電子羅盤通過接口輸出角度變化量，由單片機采集電子羅盤輸出的角度值，進行各種判斷、處理，同時發(fā)出指令給回轉系統(tǒng)，驅動碟式聚光器回轉到船舶航向改變前的朝向；采用光電二極管對碟式聚光器做自動定位和誤差校正，進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)光電跟蹤。通過微調(diào)聚光器的位置，確保太陽光通過碟式聚光器聚焦都落在斯特林發(fā)動機的接收器上，以保證發(fā)電裝置光電轉換效率的最大化。跟蹤系統(tǒng)組成原理框圖見圖5。

以STM32 F3為主控制器，實現(xiàn)混合控制的主程序是一個無限循環(huán)程序，它能實現(xiàn)運行后根據(jù)太陽角度調(diào)整船用碟式斯特林太陽能發(fā)電裝置碟式太陽跟蹤聚光器的方位，根據(jù)反饋信號進行微調(diào)，產(chǎn)生PWM信號驅動電機轉動，實現(xiàn)太陽跟蹤。當監(jiān)測到有中斷產(chǎn)生時，主程序停止運行，中斷程序設計包括天氣危害檢測處理、船舶航向改變處理和超出跟蹤時間區(qū)間處理等，中斷程序完成后再回到主程序。主程序流程見圖6。

圖5 跟蹤系統(tǒng)組成原理

圖6 主程序流程圖設計

4 結論

在實際船舶航行試驗中，采用直徑為1.5 m的碟式聚光反射鏡作為聚光器，聚光跟蹤控制系統(tǒng)能準確將太陽光斑匯集聚焦到斯特林發(fā)電機的接收器上，隨著太陽角度變化及船舶航向的變化，該光斑能夠一直保持在斯特林發(fā)電機的接收器上。光斑的偏離誤差保持在1 cm以內(nèi)，系統(tǒng)的跟蹤精度控制在1°以內(nèi)，滿足了船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電要求，實現(xiàn)了船舶在航行過程中對太陽的全自動跟蹤，顯著提高了船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置對太陽能的利用效率，聚光器接收到的太陽輻射總量較固定式平均提高了約30%，初步達到了預期目的。

為了使碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術更好地應用于船舶上，今后應當在提高太陽跟蹤控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低斯特林發(fā)電機成本兩個方面還應該更加深入地開展實驗研究工作。

[1] 魏 喬.船用光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤及自動跟蹤控制研究[D].武漢：武漢理工大學,2012.

[2] 廖 葵,龍新峰.基于小型發(fā)電機的碟式太陽能熱發(fā)電技術研究進展[J].能源技術,2007,28(5):275-278.

[3] 李 鐵.碟式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)用斯特林發(fā)動機的研制[D].北京：中國科學院研究生院,2011.

[4] 范偉成,宗 情,彭小方，等.碟式斯特林太陽自動跟蹤控制系統(tǒng)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2012,12(10):70-73.

[5] 林明春,夏桂鎖,林玉池，等.電子羅盤在全自動智能陀螺尋北儀中的應用[J].光學精密工程,2007,15(5):719-724.