控制技术 计算机测量与控制 . 2008 . 16 (11) Computer Measurement & Control ·1635 ·
收稿日期 :2008204210 ; 修回日期 :2008205220。
作者简介 :许守平 (19782) ,男 ,汉族 ,硕士研究生 ,主要从事太阳能
发电跟踪控制系统方向的研究。
文章编号 :167124598 (2008) 1121635203 中图分类号 : TP273 文献标识码 :A
槽式太阳能热发电跟踪控制系统的研究
许守平 , 李 斌 , 马胜红
(中国科学院电工研究所 , 北京 100190)
摘要 : 太阳能取之不尽、用之不竭 , 槽式太阳热发电是目前国际上发电规模最大 , 且已实现商业化的、较为理想的太阳热发电技
术 ; 研究设计了一种新型的对太阳实现自动跟踪控制系统 , 该系统采用四象限探测器作为太阳传感器的核心部件 , 以单片机作为跟踪
控制系统的主控制器 , 通过数据采集、计算和比较 , 并且利用时钟芯片对系统进行反馈修正 , 驱动步进电机 , 实现了对太阳的自动跟
踪 , 并完成对该跟踪系统的自动控制 ; 该
方法
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成本低廉 , 运行可靠准确 , 将有利于提高太阳能槽式聚光发电系统的效率 , 并为下一步
工程化奠定理论试验基础。
关键词 : 太阳能槽式发电 ; 四象限探测器 ; 单片机 ; 目标跟踪、控制
Research on Tracking and Control for Solar Parabol ic Trough
Thermal Power System Based on Microcomputer
Xu Shouping , Li Bin , Ma Shenghong
( Institute of Elect rical Engineering , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 , China)
Abstract : The solar parabolic t rough power is one of t he ideal and competitive solar t hermal power technologies , wit h it s advantages of
largest installed capacity and being commercialized over 15 years in US. In t his paper , a novel t racking and cont rolling system for t he t rough
concent ration was developed , a four - quadrant detector is used as t he core component of t he sun sensor to t rack t he sun , a SCM is used as
a main cont roller t hrough data collecting , calculating and comparing , feedback correction implemented by t he clock chip to drive t he stepping
motor to achieve automatic t rack of t he sun and automatic cont rol of t he whole t racking system. The cost of t he sun - t racking and cont rol2
ling system is much cheaper and can run accurately , which is helpful for improve t he solar energy utilization efficiency of t he solar t hermal
power system , t hus lays a t heoretic basis for producing t his kind of prototype.
Key words : solar parabolic t rough power ; four - quadrant detector ; SCM ; target t racking and automatic cont rol
0 引言
槽式太阳能热发电系统主要是借助槽形抛物面聚光器将太
阳光聚焦反射到接收集热管上 , 通过管内热载体将水加热成蒸
汽 , 推动汽轮机进行发电 , 是一种分散型发电系统。在太阳光
的采集工程中 , 为使聚光器时刻都能够最大效率地采集太阳光 ,
使集热管发挥最大作用 , 要求聚光器始终与太阳保持一个最佳
角度 , 因此必须采取跟踪控制装置 , 使聚光器跟踪太阳。槽型
抛物面反射镜根据其采光方式 , 分为东西向和南北向两种布置
形式。东西布置只作定期调整 ; 南北布置时一般采用单轴跟踪
方式。跟踪方式分为开环、闭环和开闭环相结合 3 种控制方式。
目前 , 在太阳能发电系统中 , 国内外大多采用开、闭环控
制相结合的混合控制方式来完成对太阳的跟踪。国外对太阳跟
踪系统的研究相对较早 , 一般采用单片机、DSP、PLC 等电子
设备作为数字处理器 , 采用光栅或者光敏电阻作为太阳敏感原
件 , 对太阳进行智能跟踪 , 这种跟踪技术相对比较成熟 , 尤其
是在美国、德国等技术先进的国家 , 已经从小规模的示范应用
转向大规模商业化推广。在我国 , 太阳能发电技术尤其是太阳
能槽式热发电技术还不成熟 , 太阳跟踪技术的发展也较为缓慢 ,
虽然在此领域很多科研机构及相关企业都进行过一些研究探索 ,
但到目前为之 , 还没有商业化应用的成功范例 , 而且在以往的
对太阳跟踪系统所做的研究中 , 大多集中于碟式太阳能发电系
统和光伏发电系统 , 其跟踪方式也基本采用混合控制方式完成 ,
所用传感器件多采用光敏电阻或光电二极管 , 这些器件由于本
身的一些限制 , 比如易发生散射和反射 , 制作
工艺
钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程
的差异 , 易
受环境污染等原因 , 造成传感器灵敏度偏低 , 因而整个系统的
跟踪精度不高 , 容易引起误跟踪。本研究中的控制系统也采用
开、闭环控制相结合的混合控制方式 , 利用对光线敏感度比较
高的光电探测器件四象限探测器作为太阳传感器的灵敏元件 ,
该元件制作精良 , 4 个象限具有较好的一致性 , 克服了散射、
易受污染等其他光敏元器件的缺点 , 可以提高太阳传感器的精
度和灵敏度 ; 同时采用成本比较低的单片机驱动步进电机控制
整个系统的方式 , 不但可以控制整个系统的造价成本 , 同时还
能提高整个系统的跟踪控制精度 , 减少不必要的误跟踪 , 在最
大限度之内修正跟踪误差 , 是在该研究领域的一个尝试 , 为未
来太阳跟踪控制技术的研究提供一种新的探索思路。
1 硬件电路
本研究中的跟踪控制系统采用传感器定位和太阳运行轨迹
定位相结合的方式 , 太阳传感器测定太阳在一天内不断变化的
位置 , 然后由机械控制系统带动整个槽式抛物面转动 , 使聚光
器始终与太阳保持一个最佳角度 , 把太阳光聚集在集热器上。
同时为了消除太阳传感器由于天气原因带来的误跟踪 , 采用日
历时钟芯片根据太阳在某地的运行规律事先设定太阳的运行轨
迹 , 利用软件控制机械结构的运动 , 直到太阳传感器能对太阳
·1636 · 计算机测量与控制 第 16 卷
重新定位。该系统其逻辑结构框图如图 1 所示 , 主要由太阳传
感器、信号处理电路、单片机、驱动电路和步进电机组成。单
片机和日历时钟芯片之间采用 I2 C 总线通信电路 , 以四象限光
电探测器作为感光元件的太阳传感器
检测
工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训
实际太阳位置。单片
机将检测到的太阳位置数据进行计算处理 , 并给出控制指令 ,
控制步进电机进行跟踪。
图 1 系统结构框图
111 太阳传感器
太阳传感器的光接收部件主要由四象限光电探测器组成。
四象限光电探测器是把 4 个性能完全相同的光电二极管按照直
角坐标要求排列而成的光电探测器件 , 它们之间有个“十”字
形沟道相隔 , 其结构与原理如图 2 (a) 、(b) 所示。
图 2 四象限光电探测器结构示意图及其工作原理图
其工作原理为 : 一般将四象限光电探测器置于光学系统焦
平面上或稍离开焦平面 , 如图 2 (c) 所示 , 目标光信号经光
学系统后在四象限光电探测器上成像 , 当目标成像不在光轴上
时 , 4 个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同 , 比较 4 个
光电信号的幅度大小可以知道目标成像在哪个象限上 (也就知
道了目标的方位) 。
四象限光电探测器是通过测量来自光源的光斑中心的位置
变化 , 并借助某种算法来同时确定光斑的两个方向的偏移量 ,
如图 2 (d) 所示 , 光斑被 4 个象限分成 A 、B、C、D 四个部
分 , 其面积分别为 S1 、S2 、S3 、S4 , 对应的 4 个象限产生的
阻抗电流分别为 i1 、i2 、i3 、i4 。由 i1 + i4和 i2 + i3的比例可以
确定横向偏移量 , i1 + i2和 i3 + i4的比例可以确定纵向偏移量。
采用的算法如下 :
Δ = k ( i1 + i4 ) - ( i2 + i3 )i1 + i2 + i3 + i4 ,Δy = k
( i1 + i2 ) - ( i3 + i4 )
i1 + i2 + i3 + i4
式中 , k 为比例系数 , 是一常量。
当光斑中心与四象限光电探测器中心一致时 , 4 个象限阴
极产生的阻抗电流 i1 、i2 、i3 、i4都相等 , 经运算放大器输出为
零 , 两个方向的直线度误差也为零 ; 当光斑产生相对于“十”
字画线的任何位移时 , 都会使输出发生变化 , 运算放大器的输
出信号也会随着相对位移方向上的变化发生正负变化 , 来检测
太阳的运动 , 而太阳运动方向的两个偏移量可以根据上式求出。
112 信号处理电路
四象限光电探测器将接收的四路光信号转变成电信号 , 经
过放大后送入信号处理部分。本系统中 , 光信号是由太阳光经
光学透镜聚焦产生的光束 , 光信号重复频率比较低 , 一般是几
十赫 ; 电信号是光束激发四象限光电探测器所产生的阻抗电
流 , 其值一般为 mA 级。这种信号要用来控制 , 需要经过电路
进行放大处理。对于四象限光电探测器来说 , 4 个象限的电路
相同 , 因此四路信号可以采用完全相同的电路。如图 3 所示 ,
本系统采用具有四运放复合结构的 L M224 作为运算放大器。
图 3 信号放大处理电路
113 单片机部分
在本系统中 , 单片机采用 A T8C2051 为主控制器 ,
其主要任务是对四路信号的数据采集 , 完成对信号的处
理 , 判断目标的偏移方式进而产生脉冲信号来驱动步进
电机 , 调整控制系统来完成对目标的跟踪。单片机的整
体程序
流程
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框图如图 4 所示。
图 4 单片机程序流程框图
四路采样信号经 A/ D 转换后传送到单片机 , 经过处理 ,
确定光斑质心的坐标 , 将质心的坐标及 4 个象限的信号值在显
示模块显示。单片机负责传输转换后的信号 , 并向步进电机传
达信号 , 控制步进电机执行相应的操作 , 从而实现对太阳位置
的自动跟踪控制。
单片机和日历时钟以及显示模块之间的数据传送通过 I2 C
总线实现。I2 C总线 ( Inter Integrate Circuit BUS) 全称为芯片间
总线 , 包括一条串行数据线 (SDA) 和一条串行时钟线 (SCL) 。
将 SDA 数据线和 SCL 串行时钟线通过上拉电阻连接到电源上 ,
将单片机 AT89C2051 的引脚 T1 与 SCL 时钟线相连 , 引脚 T0
与 SDA 数据线相连 , 实现单片机在 I2 C总线上的连接。
114 步进电机
步进电机能直接接收数字信号并且没有角累积误差 , 采用
步进电机作为聚光器的执行机构可以达到较高的精度。在槽式
发电系统中 , 槽型抛物面反射镜根据其采光方式 , 分为东西向
和南北向两种布置形式。东西布置只作定期调整 ; 南北布置时
第 11 期 许守平 , 等 : 槽式太阳能热发电跟踪控制系统的研究 ·1637 ·
一般采用单轴跟踪方式。所以本系统采用一个四相步进电机对
南北布置的槽式抛物面完成对太阳的连续跟踪。用单片机 I/ O
口输出步进电机控制脉冲 , 单片机端口的输出电流较小 , 一般
情况下只有几 mA , 驱动能力有限 , 而步进电机的驱动电流较
大 , 因此单片机与步进电机之间需要专门的接口电路及驱动电
路。本系统电路中采用接入反向驱动器 74L S14 和复合型功率
三极管来驱动步进电机进行工作 , 如图 5 所示。
图 5 步进电机驱动电路图
步进电机采用四相八拍的工作方式 , 八拍工作方式既可以保
持较高的转动力矩又可以提高控制精度 , 具体时序如表 1 所示。
表 1 步进电机时序表
控制位
步序 D 相 ( P11 7) C 相 ( P11 6) B 相 ( P115) A 相 ( P11 4) 工作状态
1 0 0 0 1 A
2 0 0 1 1 AB
3 0 0 1 0 B
4 0 1 1 0 BC
5 0 1 0 0 C
6 1 1 0 0 CD
7 1 0 0 0 D
8 1 0 0 1 DA
2 软件控制流程
通过单片机输出的控制脉冲 , 驱动步进电机按照设定的方
向位置转动。通过控制脉冲个数来控制角位移量 , 通过控制脉
冲频率控制电机转速 , 实现准确定位。每到设定的时间点 , 单
片机就读取反馈电路电平信号 , 只要有低电平信号存在且太阳
传感器 4 个象限光照强度不一致 , 步进电机就不断进行闭环调
整 , 直至太阳传感器 4 个象限接收光照相同 , 此时太阳垂直照
射聚光集热器上 , 步进电机停止调整。如果太阳落山 , 根据时
钟芯片所定时间 , 控制系统会回到起始位置 , 直到第二天太阳
升起 , 进行重新跟踪定位。
以单片机为主要控制器的核心部件来实现混合控制的主程
序主要分为 : 对计算所需数据的初始化 ; 单片机内部运算完成
对太阳角和日出日落时间的求解 ; 根据所计算的太阳角和太阳
传感器的输出信号控制步进电机调整聚光集热器的方位 , 实现
跟踪的自动控制。其主程序框图如图 6 所示。
本研究中的软件部分 , 全是在单片机开发环境用 C 语言
编写完成的。整个程序周期中 , 初始化程序只在主程序第一次
执行时执行一次 , 主要对单片机和时钟芯片进行配置。初始化
图 6 主程序框图
以后 , 进行最初的 A/ D 转换 , 实际上也等于对 A/ D 转换器设
置初始值。最后循环进行数据显示 , 等待中断。
3 结论
本研究中的跟踪控制系统属于太阳传感器和时钟相结合混
合控制 , 具有精度高、价格低、便于自动控制、适用范围广等
优点 , 不仅可以应用于槽式太阳能发电系统中 , 也可以用于碟
式太阳能发电、聚光光伏和非聚光但跟踪太阳的 PV 系统中 ,
是跟踪效果较好的一种控制方式 , 能够有效地增加太阳能发电
量。利用四象限探测器制成的太阳传感器跟踪太阳 , 具有较高
的跟踪精度和较好的适应性 ; 采用成本较低的单片机作为跟踪
系统控制器的核心部件 , 既可以实现数字化的控制 , 保证跟踪
的精度 , 还可以降低系统成本 , 具有广阔的发展前景。
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