遮光法槽式聚光系統(tǒng)追光傳感模塊設(shè)計

,,

(1.湖南科技學院 電子與信息工程學院， 湖南 永州 425199;2.湖南遠健光能科技有限公司，湖南 永州 425000)

0 引言

太陽能是一種清潔的新興能源。目前大規(guī)模的太陽能利用主要有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種。光熱發(fā)電是一個新的應用研究方向，主要有槽式，蝶式和塔式聚光發(fā)電系統(tǒng)[1]。其中槽式聚光系統(tǒng)應用最廣泛[2]。追光傳感模塊是槽式聚光系統(tǒng)的核心部件，其測量精度決定槽式聚光系統(tǒng)的追光準確度，是研究的熱門[3]。目前常用的方法有根據(jù)時間計算太陽位置的主動追光法和使用光傳感器測量太陽位置的被動追光法。主動式追光法控制簡單，但是累積誤差大。被動式追光法精度高，但是太陽光照強度太大，遠遠超過普通光電傳感器測量的線性范圍，直接使用光電傳感器測量太陽位置困難大。本文設(shè)計了一種使用遮光板和光敏電阻進行太陽位置判斷的方法，實驗證明該方法簡單實用，追光準確，能夠滿足槽式聚光器系統(tǒng)需求。

1 遮光法追光原理

1.1 槽式聚光原理

槽式聚光系統(tǒng)由支架，聚光器和集熱管組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。聚光器為拋物面反射鏡，集熱管的軸線與聚光器的焦線重合。當太陽光垂直入射到聚光器時，經(jīng)過反射后所有的光都匯聚到聚光器焦線上，從而集熱管能夠接收到所有的反射光，形成較高的溫度。根據(jù)幾何光學分析法，入射到聚光槽兩端的光線是集熱管能夠收集的光線的最大范圍，只要這條光線能夠照射到集熱管上，則其他發(fā)射光也就都會照射到集熱管上。又由于，聚光槽和集熱管都是幾何對稱的，因此只要對兩端的光線進行討論就可以得出聚光槽能夠允許的最大太陽光入射角偏轉(zhuǎn)角。

圖1中實線表示垂直入射到聚光器最兩端光線的路徑。當太陽光不能垂直入射時，反射光線偏離聚光器的焦線。用α表示入射光線與法線的夾角。隨著太陽的運動，入射光傾斜程度增加，α進一步增大。當反射光線剛好要離開集熱管時，反射光線與集熱管相切，如圖1中虛線所示，以左邊的光線為例進行討論。此時α達到最大允許值，用αmax表示。為了讓光線再次反射到集熱管上，此時就需要驅(qū)動整個支架進行追光。聚光器焦線到聚光器一端的長度用L表示，集熱器的半徑用r表示。則根據(jù)幾何知識可得如下表達式。

(1)

從式(1)中可以看出，最大偏轉(zhuǎn)角αmax的大小與集熱管半徑及焦線到端點的長度有關(guān)，與拋物線的數(shù)學函數(shù)無關(guān)。在工程上為了提高聚光系統(tǒng)集熱比，常用增加聚光槽開口度的方法，開口度增加會導致L加大，從而αmax會減小。即，系統(tǒng)追光精度需要提高，追光的次數(shù)需要增加。

圖1 槽式聚光系統(tǒng)圖 圖2 光傳感模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 遮光法測光原理

為了準確的測量太陽位置，設(shè)計光傳感模塊如圖2所示。在電路板上放置一塊與電路板垂直的遮光板，放置兩個光敏電阻在遮光板的兩邊，光敏電阻的受光面垂直向上。光敏阻值大小與光照強度成反比。傳感模塊安裝在槽式聚光系統(tǒng)支架上，確保遮光板與聚光器法線方向平行，且光敏電阻面向太陽。當太陽光垂直入射時，光敏電阻1，光敏電阻2接受到的光照強度相同；當太陽光傾斜入射時，其中一個光敏電阻被遮光板部分遮擋，受到的光照強度變低，電阻值增大。用β表示太陽光入射角度與遮光板的夾角，則β與光敏電阻阻值大小成正比。當β大于某個值時，其中的一個光敏電阻將全部被遮光板擋住，無法接受太陽光直射。β繼續(xù)增大，則光敏電阻值不再變化，β與光敏電阻的正比關(guān)系破壞。此值為β的最大值βmax，是追光傳感模塊能夠測量的最大太陽偏轉(zhuǎn)角。光敏電阻寬度用d表示，遮光板高度用h表示，則根據(jù)幾何知識可得。

(2)

隨著太陽位置變化，光敏電阻從有太陽光照變成完全無太陽光照的瞬間，受到的光照強度發(fā)生較大程度的跳變，其阻值也發(fā)生較大程度的跳變。阻值的跳變是容易通過電路系統(tǒng)檢測到的。若以這個跳變作為聚光系統(tǒng)追光的判決點，則追光方法具有很好的可實現(xiàn)性。為了利用這個跳變，則需要取槽式聚光系統(tǒng)太陽入射光線與法線夾角的最大值αmax與追光傳感模塊的最大檢測太陽偏轉(zhuǎn)角βmax相等，即:

αmax=βmax

(3)

由式(1)、(2)、(3)計算可得：

(4)

式(4)中，L表示聚光器拋物線焦點到聚光器邊沿的長度，r表示集熱器的半徑，d表示光敏電阻的寬度。當槽式聚光系統(tǒng)制作好后，可以根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算出遮光板的高度。

進一步根據(jù)式(2)討論可以知道，當h增加時，βmax變小，出現(xiàn)βmax<=αmax。其結(jié)果是，在聚光器的反射光線完全移出集熱管之前，系統(tǒng)就會啟動追光，這種情況是可取的。相反，h減少，則反射光移完全移出集熱管后，還沒有啟動追光，這種情況是不可取的。在工程實際中，由于工程誤差等存在，所取遮光板高度應略高于式(4)計算所得值。

1.3 追光模塊設(shè)計參數(shù)

本設(shè)計中所使用的槽式聚光系統(tǒng)，其集熱管半徑r為25 mm，聚光器焦線到聚光器一端的長度L為483 mm。選用龍信達公司的光敏電阻，其寬度d為5 mm。根據(jù)式(4)計算出遮光板的高度為：

(5)

根據(jù)前面的討論，工程上制作的遮光板的高度應略高于計算值，具體的高度需要根據(jù)聚光系統(tǒng)的安裝完成后進行調(diào)試確定。

2 追光模塊設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

基于前面的原理分析，設(shè)計追光模塊系統(tǒng)，硬件方框圖如圖3所示。光傳感模塊中的兩個光敏電阻分別與固定阻值電阻串聯(lián)分壓后，輸出電壓經(jīng)過ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸入單片機。單片機對數(shù)據(jù)進行處理，判斷太陽的位置，根據(jù)判斷結(jié)果決定是否輸出控制信號給追光電機驅(qū)動電路，啟動電機追光。

圖3 追光模塊硬件方框圖

2.1.1 光敏電阻測量

設(shè)計選用了深圳龍信達公司型號為LSD5506的光敏電阻。經(jīng)過測試選用了兩個性能接近的樣品。在太陽光直射時其電阻值分別為：36.5歐姆和40.6歐姆；在部分被遮光時，根據(jù)遮光面積不同，阻值分別處于36.5～51.2歐姆及40.6～62.4歐姆之間；在完全遮光時分別為144.6及146歐姆。使用一個阻值為220歐姆的電阻與光敏電阻串聯(lián)。在參考電壓為5 V時，兩個光敏電阻樣品在不同光照情況下的電阻值如表1所示，經(jīng)過理論計算得出理論ADC值也填入表1中。

表1 光敏電阻與光照強度對應表

2.1.2 單片機及外圍電路

為了減少器件數(shù)量節(jié)約成本，選用了Atmel公司的atmega16單片機。該單片機使用了精簡指令集，處理速度快，市場用量大價格低容易獲取，且其內(nèi)部集成了12位ADC模塊，且有8個ADC通道，滿足本項目設(shè)計需求。設(shè)計中，使用了atmega16的內(nèi)部振蕩器工作頻率設(shè)置為8 Mhz。ADC的轉(zhuǎn)換參考電壓使用電感與系統(tǒng)電源隔離，且外接5 V穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓。

2.1.3 追光驅(qū)動電路

追光驅(qū)動電路由兩個繼電器及其控制電路組成。繼電器可以承受250 V 3 A交流負載和30 V 10 A直流負載。本項目使用的追光電機為推桿電機，額定電壓為12 V，額定功率30 W小于繼電器最大直流負荷。電機通過改變直流供電電壓正負極性控制推桿伸長或者縮短。設(shè)計中繼電器的常閉端接地，常開端接12 V電源。兩個繼電器輸出端分別接到電機的電源線。兩個繼電器斷開時，電機不工作。一個閉合時推桿伸長，則另一個閉合時推桿縮短。若兩個同時閉合電機也不工作，這樣可以有效避免軟件硬件故障導致電機燒壞的問題。

2.2 追光算法分析

圖5 軟件流程圖

用ADC_east表示東邊光敏電阻輸出電壓值，ADC_west表示西邊光敏電阻輸出的ADC值。硬件設(shè)計使得ADC值與光敏電阻阻值成正比，與太陽光照強度成反比。實驗測試發(fā)現(xiàn)光敏電阻在有太陽照射和無照射時電阻值有較大差異，故其ADC值也存在較大差值，因此可取一個數(shù)值A(chǔ)DC_th作為有光無關(guān)的判決閾值。比較ADC_east，ADC_west與ADC_th的大小，可以獲得以下4種狀態(tài)：

1) ADC_west>ADC_th且ADC_east>ADC_th，表示兩個光敏電阻都沒有太陽直射，這說明光照不足，記為no_sun狀態(tài)。造成的原因有可能是天氣情況，比如陰、雨、雪、多云等，也可能是進入到夜晚時間段。

2) ADC_westADC_th，表示有光照，而且太陽偏向西邊，聚光器反射光已經(jīng)不能匯聚到集熱管上，需要向西追光，記為at_west狀態(tài)。造成的原因是，光照充足情況下太陽相對地球向西運動。

3) ADC_west>ADC_th且ADC_east

4) ADC_west

上述4種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可用圖4所示狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示。

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

系統(tǒng)默認進入no_sun狀態(tài)，即認為天氣光照不足。此狀態(tài)下，系統(tǒng)不追光，持續(xù)監(jiān)控太陽光照情況。若太陽照射強度增加則可能進入到另外三種狀態(tài)之一。太陽在西邊，則進入at_wet狀態(tài)，太陽直射則進入on_head狀態(tài)，太陽在東邊則進入at_east狀態(tài)。

at_east狀態(tài)下，系統(tǒng)啟動電機向西追光，直到進入on_head狀態(tài)。若在追光過程中，天氣變化導致光照不足，則進入no_sun狀態(tài)。

on_head狀態(tài)下，系統(tǒng)不追光，持續(xù)監(jiān)控太陽光照情況。隨著太陽位置向西自然運動，系統(tǒng)將會進入到at_west狀態(tài)。正常情況下，不會進入到at_east狀態(tài)。

at_east狀態(tài)下，系統(tǒng)啟動電機向東追光，直到進入on_head狀態(tài)。若在追光過程中光照不足，則進入no_sun狀態(tài)。

2.3 軟件設(shè)計

根據(jù)追光算法，使用狀態(tài)機設(shè)計單片機軟件。軟件主體為一個死循環(huán)，如圖5所示。首先進行單片機內(nèi)部寄存器初始化，設(shè)置狀態(tài)變量用于保存系統(tǒng)狀態(tài)，并初始化狀態(tài)變量為no_sun，然后系統(tǒng)進入主循環(huán)。在主循環(huán)中，根據(jù)狀態(tài)變量的值進入相應的狀態(tài)處理函數(shù)，處理函數(shù)運行完畢，返回主循環(huán)。

四個狀態(tài)處理函數(shù)結(jié)構(gòu)大體相似，首先進行電機處理，然后讀取ADC值，然后進行狀態(tài)更新。下面以no_sun狀態(tài)為例討論軟件流程。圖5(b)為no_sun狀態(tài)處理函數(shù)流程圖。no_sun狀態(tài)下，首先關(guān)閉電機，讀取兩個通道的ADC值，并分別賦值給變量ADC_east和ADC_west，然后把這兩個ADC值與閾值A(chǔ)DC_th進行比較。結(jié)合追光算法中介紹的判決依據(jù)，程序依次對四種條件進行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果更改主函數(shù)的狀態(tài)變量值，并返回主循環(huán)。返回主循環(huán)后，系統(tǒng)進入新的狀態(tài)處理函數(shù)。

由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以看出，on_head狀態(tài)下，系統(tǒng)不會進入at_east狀態(tài)，因此可以省去進入at_east狀態(tài)的判斷分支。但是保留這個分支并不會增加軟件負擔，帶來的延時也是非常小的，同時還可以增加程序的容錯性，因此保留此分支，使得on_head處理函數(shù)與no_sun狀態(tài)處理函數(shù)完全相同。

另外兩個狀態(tài)處理函數(shù)需要特別處理的是：at_east狀態(tài)下需要啟動電機向東追光，因此把no_sun處理函數(shù)的“關(guān)閉電機”改成“向東追光”即可；at_west處理函數(shù)則改成“向西追光”。此外，at_west狀態(tài)下，進入on_head狀態(tài)的判決條件與其他狀態(tài)不同。其判決條件應該為“ADC_westADC_east”。增加的條件“ADC_west>ADC_east”表示太陽處于相對垂直入射略偏于東邊的位置。這樣處理可以有效避免狀態(tài)在at_west狀態(tài)與on_head狀態(tài)之間震蕩。

3 實驗與分析

制作追光模塊如圖6所示，將追光模塊安裝到圖7所示槽式聚光實驗系統(tǒng)，并進行了測試。ADC_th設(shè)置為0100H。當系統(tǒng)處于on_head狀態(tài)時，聚光器反射光匯聚成一條光帶，且全部照射到集熱管上；當系統(tǒng)處于at_east狀態(tài)時，電機開啟，聚光器向東轉(zhuǎn)動，直到光帶照射到集熱管上時，電機停止，系統(tǒng)重新進入on_head狀態(tài)；當系統(tǒng)處于at_west狀態(tài)時，電機驅(qū)動聚光器向西轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)進入on_head狀態(tài)，繼續(xù)向西轉(zhuǎn)動，直到遮光板的影子略微遮住西邊光敏電阻時停止。這就說明實現(xiàn)了避免系統(tǒng)狀態(tài)震蕩的目標。

圖6 追光傳感模塊實物圖

圖7 槽式聚光實驗系統(tǒng)

2015年12月16日于湖南省永州市零陵區(qū)湖南科技學院弘毅樓7樓頂，對系統(tǒng)進行了測試，測得數(shù)據(jù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)用16進制記錄。從測試結(jié)果分析可知，

1)上午9:30分，ADC_east為0086H，小于閾值0100H，說明光照充足，同時ADC_west為0157H，說明西邊電阻被遮光，太陽處于聚光槽法線的東邊。系統(tǒng)判斷為at_east狀態(tài)，與實際情況相符；同時觀察發(fā)現(xiàn)，該狀態(tài)下電機轉(zhuǎn)動追光，直到停止時，進入on_head狀態(tài)。

2)13:39分，兩個ADC值分別為007AH和0082H，說明兩個光敏電阻都處于直射狀態(tài)，此時系統(tǒng)判斷為on_head狀態(tài)，與實際情況相符；同時觀察發(fā)現(xiàn)，聚光槽發(fā)射形成匯聚光帶剛好照射到集熱管上。

3)13:49分，ADC_east值為0140H，ADC_west值為0077H，說明東邊光照不足，太陽運行到聚光槽法線西邊。這是太陽自然運動造成。系統(tǒng)判斷為at_west狀態(tài)，與實際情況相符。此時發(fā)現(xiàn)電機啟動追光。

4)當人為遮光時，ADC值分別為013DH和0189H，說此時光照不足，系統(tǒng)判斷為no_sun狀態(tài)，判斷結(jié)果與實際情況相符。

表2 實驗測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

以上測試表明，使用光敏電阻及遮光法設(shè)計的追光傳感模塊能夠正確的判斷太陽位置，并正確的啟動聚光系統(tǒng)進行有效追光，確保反射光保持匯聚到集熱管上，滿足槽式聚光系統(tǒng)的設(shè)計要求。這也驗證了文中所討論的遮光板高度計算方法的正確性，對于工程應用具有很強的理論指導意義。在制作和調(diào)試過程發(fā)現(xiàn)，光敏電阻的個體性能差異大，閾值A(chǔ)DC_th需要根據(jù)實際聚光系統(tǒng)進行調(diào)整，這對于規(guī)模化應用是不利的，后續(xù)可以考慮在軟件上使用智能學習算法進行修正。

參考文獻：

[1] 鐘史明. 槽式太陽能熱發(fā)電介紹[J]. 區(qū)域供熱, 2014(2):84-91.

[2] 袁煒東. 國內(nèi)外太陽能光熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 電力與能源, 2015, 36(4):487-490.

[3] 王金平, 王 軍, 馮煒,等. 槽式太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的研制及應用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2015, 31(2):45-52.

[4] 王志超, 韓 東, 徐貴力,等. 一種新型太陽跟蹤器的設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2009, 28(2):91-93.

[5] 傅開新, 彭 凱, 程思源,等. 太陽能光伏-熱伏發(fā)電板的自適應追光系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機測量與控制, 2017, 25(10):224-227.

[6] 胖 瑩, 王振臣, 馮 楠,等. 太陽能智能追光裝置設(shè)計[J]. 水電能源科學, 2011, 29(8):207-210.

[7] 王志超, 韓 東, 徐貴力,等. 一種新型太陽跟蹤器的設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2009, 28(2):91-93.

[8] 李永紅, 劉天野. 自動追光系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機械工程與自動化, 2012(3):119-121.

[9] 藺金元. 太陽能電池板自動追光控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 寧夏工程技術(shù), 2012, 11(4):355-358.

[10] 朱世佳, 侯建軍. 基于S3C44B0的太陽能追光系統(tǒng)設(shè)計[J]. 儀器儀表用戶, 2009, 16(4):41-43.

[11] 崔海朋, 張超輝. 基于STM32的嵌入式槽式太陽能熱發(fā)電控制器設(shè)計[J]. 魯東大學學報(自然科學版), 2017, 33(2):122-126.

[12] 黃祥源. 基于模糊PI控制太陽能追光系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計算機, 2014(12):53-55.