基于Cortex-M3的槽式太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)

上海電力大學(xué)自動化工程學(xué)院 ■ 韓萬里＊茅大鈞 魏驁 呂彬

0 引言

2016年12月22日，國家能源局發(fā)布《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出要積極推進(jìn)太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，到2020年年底，太陽能熱發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到500萬kW，太陽能熱發(fā)電成本要低于0.8元/kWh。目前，太陽能熱發(fā)電方式主要有槽式、碟式、塔式和菲涅爾式4種。其中，塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)受地形限制，中心塔建造成本高，跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜，目前僅限應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型獨立供電方式；碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)時的傳送電壓較低，規(guī)模小、成本高，目前尚無商業(yè)化規(guī)模運行的案例，僅處于示范階段；菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作效率較低，熱損失大，作為剛開發(fā)成功的系統(tǒng)，目前只有小型項目在運行，僅處于商業(yè)化運行前期；而槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的土地利用率高，可聯(lián)合運行，使用材料少，制造成本低，具有儲熱能力，已達(dá)到商業(yè)化發(fā)展的水平，是目前太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中最為成熟的一種發(fā)電方式，但其跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單，存在跟蹤精度差、跟蹤方式單一及跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題。因此，設(shè)計一種高精度、多追蹤模式、全方位、高穩(wěn)定性的槽式太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)，已成為一種必然趨勢。

1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)簡介

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其主要是采用大面積的槽式拋物面反射鏡陣列，將太陽光聚焦反射到線性接收器(集熱管)上，通過加熱管內(nèi)工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，進(jìn)而驅(qū)動常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電[1]。整個系統(tǒng)主要由4部分組成：槽式太陽能集熱器場、蓄熱與熱交換系統(tǒng)、輔助能源系統(tǒng)及動力發(fā)電系統(tǒng)等。圖1為槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)圖。

圖1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)圖

1.1 槽式拋物面太陽能集熱器

槽式拋物面太陽能集熱器是槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要包括聚光器、接收器和跟蹤系統(tǒng)等部分。槽式拋物面太陽能集熱器本質(zhì)上是利用二維拋物線反射器線性平移得到光能，通過聚焦、反射和吸收等過程將光能轉(zhuǎn)化為熱能。圖2為槽式拋物面聚光器的原理圖[2]。

圖2 槽式拋物面聚光器的原理圖

槽式拋物面開口寬度b的大小決定了聚光器輸入的總能量。對于圓形聚光器而言，聚光器的聚光比C可表示為：

式中，d為集熱管直徑。

太陽光經(jīng)拋物面反射后，能全部落到集熱管上的條件為：

式中，δs為太陽光線的半張角。

拋物線方程為：

式中， f為拋物線的焦距。

根據(jù)式(3)可求得集熱管的最小直徑dmin為：

1.2 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤方式

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤方式有單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種方式。單軸跟蹤方式一般采用東西向或南北向跟蹤，雖然采用該方式的系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)，但其只能在方位角上跟蹤太陽，高度角上只能進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，且太陽入射角只能在特定時間內(nèi)為零，所以其聚光性較低，跟蹤精度不高。雙軸跟蹤方式不僅可在方位角上對太陽進(jìn)行跟蹤，也可在高度角上對太陽進(jìn)行跟蹤，彌補(bǔ)了單軸跟蹤的劣勢，提高了追蹤精度，理論上可完全追蹤太陽的運行軌跡，使太陽的入射角為零，能有效提高集熱器的集熱效率，并可提高太陽能利用率。圖3為單、雙軸跟蹤方式原理圖。

圖3 單、雙軸跟蹤方式原理圖

本文設(shè)計的基于Cortex-M3的槽式太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)采用的是雙軸跟蹤方式。下文對該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本槽式太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)的硬件部分主要由以Cortex-M3為核心的MCU追蹤控制單元、GPS模塊、實時時鐘電路、角度傳感器、風(fēng)速傳感器、光電檢測模塊、信號處理模塊、電機(jī)驅(qū)動電路，以及步進(jìn)電機(jī)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 槽式太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MCU追蹤控制單元

本自動追蹤系統(tǒng)的MCU追蹤控制單元選用的是32位的微處理器Cortex-M3 LPC1800，其具有成本低、性能高、功耗低、中斷反應(yīng)超快、效率高等特點。該微處理器具有高達(dá)180 MHz穩(wěn)定的工作頻率，最高1 MB雙片內(nèi)Flash和200 kB片內(nèi) SRAM，2個獨立序列的 8通道 10位ADC，轉(zhuǎn)換速率為400 ksps和最高多達(dá)164個I/O接口，能完全滿足太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)的要求。

2.2 光電檢測模塊

光電檢測模塊是通過光電二極管將光的變化量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光電流，再經(jīng)過電流放大和電壓變換轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的信號。本文在傳統(tǒng)光電檢測電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的光電檢測電路，如圖5所示。

圖5新型光電檢測電路圖

圖5 中，在傳統(tǒng)光電檢測電路的基礎(chǔ)上，新型光電檢測電路在光電二極管輸出和放大器輸入之間增加了一個三極管，將電流進(jìn)行前置放大。這樣既保證了較高的信噪比，又提高了響應(yīng)速度，同時也減小了傳統(tǒng)光電檢測電路的自激振蕩現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 實時時鐘電路設(shè)計

本自動追蹤系統(tǒng)的實時時鐘電路選擇的是美國Dallas公司推出的一種低功耗的實時時鐘芯片DS1302。它可以對年、月、周、日、時、分、秒等進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)償功能[3]；工作電壓為2.0～5.5 V；內(nèi)部有一個“31×8”的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器，I/O接口為時鐘控制接口，用于輸入跟蹤太陽的信號，如圖6所示。

圖6 實時時鐘電路圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動電路

本自動追蹤系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動模塊選用的是LV8727驅(qū)動芯片。該芯片是一個PWM電流控制微步距角步進(jìn)電機(jī)馬達(dá)芯片，采用雙橋MOSFET驅(qū)動，內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)，最高耐壓為50 VDC，具有自動半流鎖定功能。該芯片不僅可以滿足步進(jìn)電機(jī)對恒轉(zhuǎn)矩精確控制的要求，還可以降低控制系統(tǒng)的功耗，達(dá)到對步進(jìn)電機(jī)精確控制的目的。圖7為電機(jī)驅(qū)動電路圖。

2.5 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的開環(huán)控制元件。電機(jī)停止的位置取決于脈沖信號的脈沖個數(shù)，轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號的頻率，均不受負(fù)載變化的影響。步進(jìn)電機(jī)具有定位精度高、控制簡單、無累計誤差和慣量低等特點，廣泛應(yīng)用于各種自動化系統(tǒng)中，通常被用作定速控制和定位控制。

圖7 電機(jī)驅(qū)動電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本自動追蹤系統(tǒng)是采用視日軌跡追蹤和光電追蹤相結(jié)合的雙軸跟蹤方式，先進(jìn)行視日軌跡追蹤粗調(diào)，再進(jìn)行光電追蹤精調(diào)，可提高太陽能的利用率。圖8為本槽式太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)的主程序流程圖。

具體操作步驟為：

1)系統(tǒng)啟動后，首先對各模塊進(jìn)行初始化操作，復(fù)位至起始位置；此時風(fēng)速傳感器開始進(jìn)行工作，若測得當(dāng)前風(fēng)速大于臨界值，自動追蹤系統(tǒng)判定當(dāng)前風(fēng)速可能對系統(tǒng)造成破壞，于是啟動自我保護(hù)程序，系統(tǒng)裝置平放，以減少大風(fēng)對跟蹤裝置的破壞；系統(tǒng)經(jīng)過30 min延時后，風(fēng)速傳感器再次對當(dāng)前風(fēng)速進(jìn)行測量。

2)若當(dāng)前風(fēng)速小于臨界值，追蹤系統(tǒng)從實時時鐘讀取當(dāng)前時間。若當(dāng)前時間是白天(08:00～18:00)，追蹤系統(tǒng)將啟動視日軌跡追蹤模式；此時MCU追蹤控制單元通過GPS模塊得到本地當(dāng)前的時間和經(jīng)緯度等信息[4]，然后根據(jù)內(nèi)置的相關(guān)計算方法，計算出當(dāng)前時刻太陽的理論高度角和方位角；同時角度傳感器實時測量太陽的實際高度角和方位角，便可得到理論值和實際值之間的誤差；MCU追蹤控制單元根據(jù)此誤差，計算出方位角步進(jìn)電機(jī)和高度角步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)，通過電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)出相應(yīng)的電脈沖數(shù)，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，完成視日軌跡追蹤粗調(diào)。若當(dāng)前時間是黑夜，追蹤系統(tǒng)將處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖8 槽式太陽熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)的主程序流程圖

3)下一步將進(jìn)行晴、陰天的判斷。本自動追蹤系統(tǒng)通過光電檢測模塊，對當(dāng)前時間的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測，若當(dāng)前的光照強(qiáng)度小于設(shè)定值，則追蹤系統(tǒng)判定當(dāng)前天氣為陰天，繼續(xù)進(jìn)行視日軌跡追蹤粗調(diào)；若當(dāng)前光照強(qiáng)度大于設(shè)定值，則追蹤系統(tǒng)判定當(dāng)前天氣為晴天，將啟動光電追蹤精調(diào)，追蹤系統(tǒng)通過光電二極管將光的變化量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的微弱光電流信號，經(jīng)信號處理模塊的處理和放大，得到較大的電壓信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，傳輸?shù)組CU追蹤控制單元中，經(jīng)處理后，此時電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)出相應(yīng)的電脈沖信號，從而驅(qū)動高度角步進(jìn)電機(jī)和方位角步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，完成實時的光電追蹤精調(diào)。

4)本自動追蹤系統(tǒng)的陰影躲避反向跟蹤算法，即根據(jù)GPS模塊提供的太陽實際的高度角和方位角自動計算陰影，啟動躲避時間，保證拋物面反射鏡始終與太陽保持一個最佳角度，互不干擾。系統(tǒng)啟動運行后，將循環(huán)檢測當(dāng)前的天氣情況，間隔時間為30 min，以此來選擇合適的追蹤方式，保證本自動追蹤系統(tǒng)的實時性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。同時，為了應(yīng)對長時間的雨雪等惡劣天氣，該系統(tǒng)還增加了輔助燃?xì)廨啓C(jī)組，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；而對于短時間的雨雪等天氣，系統(tǒng)可通過本身的蓄熱裝置來供給。

3.1 視日軌跡追蹤

視日軌跡追蹤是一種基于天文學(xué)參數(shù)的開環(huán)式主動追蹤方式，其所需的當(dāng)前時刻的太陽高度角和方位角可由式(5)～式(7)求得。

太陽高度角α的計算式為：

式中，φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?GPS可直接測得)；δ為太陽赤緯角；ω為太陽時角，以當(dāng)?shù)卣嫣枙r正午為0°，上午時角為負(fù)，下午時角為正，每小時變化15°。

太陽方位角γ的計算式為：

太陽赤緯角δ的計算式為：

式中，dn為一年中某一天的順序數(shù)。

3.2 光電追蹤

光電追蹤是在太陽的光照強(qiáng)度達(dá)到一定值時，系統(tǒng)所啟動的一種追蹤模式。在光電追蹤過程中，追蹤系統(tǒng)將偏差電壓轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖個數(shù)，然后通過電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，使拋物反射鏡鏡面垂直于太陽照射，保證最大限度地聚集太陽光。圖9為光電追蹤程序的流程圖。

圖9 光電追蹤程序的流程圖

光電追蹤的流程為：首先光電檢測模塊通過光電二極管對當(dāng)前的光照強(qiáng)度G進(jìn)行檢測，當(dāng)G大于光照強(qiáng)度的設(shè)定值G1時，追蹤系統(tǒng)將啟動光電二極管初步追蹤模式。若當(dāng)前的拋物反射面未垂直對準(zhǔn)太陽，遮光筒會出現(xiàn)較大的陰影面積，此時4個光電二極管所感應(yīng)出的光電流大小不同，四象限探測器就會感應(yīng)到光電流，追蹤系統(tǒng)將進(jìn)入到四象限探測器精確追蹤模式，使追蹤系統(tǒng)始終與太陽保持在最佳角度。四象限探測器將作為系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的追蹤精度更高。

3.3 陰影躲避反向跟蹤算法

在大規(guī)模的拋物反射鏡陣列中，當(dāng)太陽的高度角較低時，裝置與裝置之間勢必會出現(xiàn)遮擋現(xiàn)象，這就會造成后排拋物反射鏡對太陽光的聚光性降低，影響系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率，同時造成資源的浪費。本文所設(shè)計的自動追蹤系統(tǒng)采用了一種陰影躲避反向跟蹤算法，圖10為該算法的程序流程圖。

圖10 陰影躲避反向跟蹤算法的程序流程圖

陰影躲避反向跟蹤算法的流程為：首先，角度傳感器開始工作，MCU追蹤控制單元將得到太陽高度角和方位角的實際值；然后通過內(nèi)置的陰影躲避反向跟蹤算法計算出陰影躲避的啟動時間；最后MCU追蹤控制單元通過電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，完成陰影躲避功能。

4 系統(tǒng)動態(tài)仿真與模擬

組態(tài)化的三維力控(Forcecontrol)軟件最大的特點是以靈活多樣的組態(tài)方式而不是編程方式來進(jìn)行系統(tǒng)集成，其基本的程序及組件包括：實時數(shù)據(jù)庫、工程管理器、I/O驅(qū)動程序、人機(jī)界面、控制策略生成器，以及各種數(shù)據(jù)服務(wù)和擴(kuò)展組件等。本文通過Forcecontrol軟件分別對固定式槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和本文設(shè)計的自動追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)仿真模擬。圖11為槽式太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)主界面圖，圖12為固定式與自動追蹤式輸出功率對比圖。

圖11 槽式太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)的主界面圖

圖12 固定式與自動追蹤系統(tǒng)的輸出功率對比圖

由圖12可知，自動追蹤系統(tǒng)下的輸出功率大于固定式系統(tǒng)下的輸出功率，說明自動追蹤系統(tǒng)的效果較好。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于Cortex-M3的槽式太陽能熱發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)，其MCU追蹤控制單元以Cortex-M3為核心，采用光電追蹤和視日軌跡追蹤相結(jié)合的雙軸跟蹤方式，旨在提高追蹤系統(tǒng)的精度；增加的陰影躲避反向跟蹤算法，提高了追蹤系統(tǒng)的效率；增加的輔助燃?xì)廨啓C(jī)組，保證了追蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然后通過Forcecontrol軟件對該自動追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)仿真模擬，結(jié)果顯示，自動追蹤系統(tǒng)下的輸出功率大于固定式下的輸出功率，為該自動跟蹤系統(tǒng)以后的商業(yè)化運行提供了一定的依據(jù)。