斯特林太阳能发电阳光跟踪控制系统设计_申涛

Value Engineering 0引言斯特林太阳能发电是一种热能发电方式，该方式以太阳热能作为斯特林发动机的动力来源，从而带动发电机进行发电[1-4]。

和传统的光伏发电相比，斯特林太阳能发电的效率要比光伏发电要高，同时成本比光伏发电要低。

由于这些优点，今年来斯特林太阳能发电系统受到越来越多的关注。

目前斯特林太阳能发电系统主要采用碟式结构。

碟式结构通过反光镜将太阳光聚集在集热盘上，利用集热盘的高温热能作为斯特林发动机的动力来源。

为了实现太阳能利用率极大化，碟架需要动态的跟踪太阳位置，这样对于碟式斯特林太阳能发电系统来说，高精度的阳光检测传感器和完善的控制系统对发电效率影响很大。

本文在碟式太阳能发电系统基础上，研究设计了阳光检测电路，并对整个太阳跟踪系统的硬件和软件进行了设计。

1阳光跟踪原理本系统阳光跟踪是通过透光孔透射光斑，通过传感器检测光斑和中心位置的偏差，计算太阳方位并进行太阳跟踪。

检测原理如图1所示。

设暗室高度H ，光斑和中心轴线偏差L ，则太阳偏差角度为θ=tan -1（L H）（1）光电传感器检测到的光斑坐标是二维的，因此太阳偏差角通过θx 和θy 表示，因此式（1）扩展为式（2）：θx =tan -1（Lx H）θy =tan -1（L yH!#####"#####$）（2）式中：L x 为光斑沿x 向偏离量，L y 为光斑沿y 向偏离量。

检测到太阳偏离角后，控制系统调节执行机构，将光斑调整到中心位置。

系统控制原理如图2所示。

2光电检测部分光电检测部分主要完成光斑位置检测，为控制系统提供实际太阳位置，供控制系统判别控制。

光电检测部分传感器采用PSD 传感器。

PSD （Position sensitive Detectors ）是一种新型的半导体光电位置敏感器件，它能把成像在敏感面上的光斑位置信号转换为电信号输出，该传感器抗干扰能力强、分辨率高、精度高、响应快，特别适合用于跟踪太阳光线[5][6]。

传感器外观如图3所示。

PSD 有X1、X2、Y1、Y2四个电极输出引脚，将PSD 传感器放入开有一个光孔的暗盒内，当一束光落在PSD 上坐标为（x ，y ）位置时，如图4所示，输出电流和位置的关系分别满足式（3）和式（4）。

———————————————————————基金项目：陕西省科学技术研究发展计划项目（2010K08-16）。

作者简介：申涛（1980-），男，湖北宜昌人，硕士，助教，主要研究方向为测控技术，机电一体化技术。

斯特林太阳能发电阳光跟踪控制系统设计Sunlight Tracking System for Stirling Solar Power System申涛SHEN Tao ；刘建设LIU Jian-she ；田军委TIAN Jun-wei（西安工业大学机电工程学院，西安710032）（School of Mechanical and Electronic Engineering ，Xi'an Technological University ，Xi'an 710032，China ）摘要：针对碟式斯特林太阳能发电系统阳光跟踪问题，设计了基于DCS 体系的阳光跟踪控制系统。

该系统采用PSD 传感器和硬件计算电路实现光电检测，采用ARM 处理器实现UI 控制器模块、数据中心模块和运动控制模块的设计，各模块独立完成运算和处理功能，通过CAN 总线进行通讯。

在所设计硬件平台上，设计光电跟踪测控程序和视日运动轨迹跟踪程序。

所设计测控系统成功应用于实际斯特林太阳能发电系统，运行稳定可靠，精度高。

Abstract:For problem of sunlight tracking,a new sunlight tracking control system based on DCS structure is designed.PSD position sensor is selected and corresponding calculation circuit is designed.The control system includes UI controller,calculation center and motion controller,each of them is designed based on ARM processer,and CAN bus is used to transfer data and commands.Photoelectric tracking program and solar orbit tracking program are designed based on designed hardware.The measuring and control system has been used on Stirling solar power system successfully,and the system operation is stable and reliable,the tracking precision is high.关键词：斯特林发动机；太阳能；光电跟踪；运动轨迹跟踪；ARM Key words:stirling engine ；solar ；photoelectric tracking ；motion orbit tracking ；ARM 中图分类号：TH-39文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）27-0045-03·45·价值工程（I X2+I Y1）-（I X1+I Y2）I X1+I X2+I Y1+I Y2=2x L X （3）（I X2+I Y2）-（I X1+I Y1）I X1+I X2+I Y1+I Y2=2y L X （4）根据上述公式，通过计算四路光电流，就可以得到光斑位置，即得到当前太阳的位置关系。

处理电路的设计如图5所示。

PSD 的4路光电流输出信号首先进行I/V 变换，将电流信号转变为电压信号，然后分别进行加法和减法处理。

前级加减运算结果再送入AD734进行除法运算，最后经过AD 转换后送入单片机。

单片机最终通过RS485接口实时地将太阳的对应关系送入太阳跟踪控制系统。

3系统总体硬件设计阳光跟踪系统采用模块化设计思路进行设计。

根据功能的划分将整个系统分为UI 控制器模块，数据中心模块，运控控制模块三部分。

其中UI 控制器模块提供人机交互功能，数据中心模块提供数据运算处理和控制指令发送等功能，运动控制模块实现执行机构驱动功能。

三个模块均自带处理器，能独立完成相应功能，各模块之间通过CAN 总线进行连接，构成了集散（DCS ）测控框架。

CAN 是一种现场总线，实时性、可靠性、抗干扰性都很优秀。

采用模块化的方式虽然增加了系统硬件的复杂性，但是改善了系统的可维护性和可靠性。

系统硬件原理框图如图6所示。

3.1UI 控制器模块设计UI 控制器模块用于提供人机交互。

MCU 选用ST 公司的ARM 处理器STM32F103C4，显示部分采用128*64的OLED 显示屏，4行32个汉字的显示量满足使用。

按键采用独立式按键接口方式，直接接到MCU 的IO 上，采用查询的方式进行获取键值。

所有操作指令通过CAN 总线传输到数据中心模块进行处理，所有的显示数据由CAN 总线发回进行显示。

3.2数据中心模块设计数据中心模块是系统的主控制器，主要用于读取所有传感器数据，并将控制数据送至运动控制模块进行控制和UI 控制器进行显示。

MCU 选用STM32F105RB ，带有5个串口和2个CAN 口。

GPS 传感器，PSD 传感器，碟架高度角、方位角编码器，气象传感器均通过RS485传输检测数据。

GPS 传感器可以通过卫星得到经纬度、日期、时间，用于控制系统的视日运动轨迹跟踪方式。

PSD 传感器可以获取太阳的位置信息和光强信息，用于控制系统的光电跟踪。

气象传感器检测到超工作极限的大风天气时，可以控制碟架调整到最佳角度进行大风规避，保证碟架的安全。

3.3运动控制模块设计运动控制模块用于接收运动控制指令、输出控制步进电机运转的脉冲，同时实时读取水平、俯仰限位开关状态。

由于机械机构上很难做到碟架在所有的方位角上载荷均衡，所以电机的负荷是不均匀且惯性较大的，要考虑步进电机在工作时失步对控制的影响。

为确保电机的运动控制，运动控制模块还实时接收数据中心模块发送的高度角、方位角数据，形成闭环系统，实现上层控制程序对电机通透的控制功能。

步进电机的输出脉冲由FPGA 实现。

一方面由于电机负荷的不均匀性，另一方面为了减少对减速机构的冲击，在控制上步进电机采用逐步加减速的方式。

步进电机的速度和脉冲频率成正比，由MCU 实现比较细且比较均匀的频率变化比较困难，而FPGA 的工作频率比较高，可以实现精细的频率输出，并且通过状态机可以实现硬件看门狗防死机，可靠性要远远高于MCU 。

4系统软件设计对阳光进行跟踪可以采用光电跟踪和视日运动轨迹跟踪两种方式[7-10]。

光电跟踪的方式可以追踪最强的太阳光线方向。

虽然PSD 传感器灵敏度高，结构简单，但是在使用过程中受天气的影响很大。

如果在多云天气时进行跟踪，受到云层的影响，会使跟踪偏离，还会使碟架姿态调整频率过高，造成机械磨损损耗加大。

如果长时间太阳被云层遮挡，会导致PSD 传感器无法跟踪太阳直至超出跟踪范围。

所以，光电·46·Value Engineering传感器对天气状况的适应能力较差。

视日运动轨迹跟踪方式不受云层的影响，可以进行全天候跟踪。

虽然能通过水平角、高度角传感器实现碟架姿态的精确控制，但也只是半闭环的控制，因为最终的控制目标是将太阳光准确的聚集至集热盘，系统误差无法消除。

由于PSD 传感器既可以提供太阳的位置数据，又可以提供太阳辐射的强度数据，在控制上，可以根据太阳光光强的不同大小进行不同的处理。

在辐射强度较弱的时候，进入视日运动轨迹跟踪方式，可以避免在云层遮挡时候盲目跟踪。

所以最终采用光电跟踪和视日运动轨迹跟踪结合的方式。

控制流程图如图7所示。

由于PSD 传感器安装在碟架上随碟架一起运动，采用基于PSD 传感器的光电跟踪是最直接的跟踪方式，结构简单，跟踪精度高。

根据光斑在PSD 传感器上的位置，可计算出太阳的位置关系，再进行误差放大进行运动控制补偿。

流程图如图8所示。

在地平坐标中，太阳的位置可以由高度角α和方位角γ来确定。

sin α=sin δsin φ+cos δcos φcos ω（5）sin γ=cos δsin ωcos α（6）式中：δ太阳赤纬角，φ为当地的纬度角，ω为时角。