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

0 引言

2016年12月22日，國(guó)家能源局發(fā)布《太陽(yáng)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出要積極推進(jìn)太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，到2020年年底，太陽(yáng)能熱發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到500萬(wàn)kW，太陽(yáng)能熱發(fā)電成本要低于0.8元/kWh。目前，太陽(yáng)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(yáng)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(dú)立供電方式；碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)的傳送電壓較低，規(guī)模小、成本高，目前尚無(wú)商業(yè)化規(guī)模運(yùn)行的案例，僅處于示范階段；菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作效率較低，熱損失大，作為剛開(kāi)發(fā)成功的系統(tǒng)，目前只有小型項(xiàng)目在運(yùn)行，僅處于商業(yè)化運(yùn)行前期；而槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的土地利用率高，可聯(lián)合運(yùn)行，使用材料少，制造成本低，具有儲(chǔ)熱能力，已達(dá)到商業(yè)化發(fā)展的水平，是目前太陽(yáng)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(jiǎn)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(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一種高精度、多追蹤模式、全方位、高穩(wěn)定性的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，已成為一種必然趨勢(shì)。

1 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的全稱為槽式拋物面反射鏡太陽(yáng)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(yáng)光聚焦反射到線性接收器(集熱管)上，通過(guò)加熱管內(nèi)工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電[1]。整個(gè)系統(tǒng)主要由4部分組成：槽式太陽(yáng)能集熱器場(chǎng)、蓄熱與熱交換系統(tǒng)、輔助能源系統(tǒng)及動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)等。圖1為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)圖。

圖1 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)圖

1.1 槽式拋物面太陽(yáng)能集熱器

槽式拋物面太陽(yáng)能集熱器是槽式太陽(yáng)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(yáng)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(guò)聚焦、反射和吸收等過(guò)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(kāi)口寬度b的大小決定了聚光器輸入的總能量。對(duì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤方式

槽式太陽(yáng)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(jiǎn)單、易于維護(hù)，但其只能在方位角上跟蹤太陽(yáng)，高度角上只能進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，且太陽(yáng)入射角只能在特定時(shí)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(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤，也可在高度角上對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤，彌補(bǔ)了單軸跟蹤的劣勢(shì)，提高了追蹤精度，理論上可完全追蹤太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，使太陽(yáng)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(yáng)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(jì)的基于Cortex-M3的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電自動(dòng)追蹤系統(tǒng)采用的是雙軸跟蹤方式。下文對(duì)該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電自動(dòng)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(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、角度傳感器、風(fēng)速傳感器、光電檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yáng)能熱發(fā)電自動(dòng)追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MCU追蹤控制單元

本自動(dòng)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(diǎn)。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(gè)獨(dú)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(gè)I/O接口，能完全滿足太陽(yáng)能熱發(fā)電自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的要求。

2.2 光電檢測(cè)模塊

光電檢測(cè)模塊是通過(guò)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(guò)電流放大和電壓變換轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的信號(hào)。本文在傳統(tǒng)光電檢測(cè)電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的光電檢測(cè)電路，如圖5所示。

圖5新型光電檢測(cè)電路圖

圖5 中，在傳統(tǒng)光電檢測(cè)電路的基礎(chǔ)上，新型光電檢測(cè)電路在光電二極管輸出和放大器輸入之間增加了一個(gè)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(shí)也減小了傳統(tǒng)光電檢測(cè)電路的自激振蕩現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

本自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路選擇的是美國(guó)Dallas公司推出的一種低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。它可以對(duì)年、月、周、日、時(shí)、分、秒等進(jìn)行計(jì)時(shí)，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(gè)“31×8”的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器，I/O接口為時(shí)鐘控制接口，用于輸入跟蹤太陽(yáng)的信號(hào)，如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用的是LV8727驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片是一個(gè)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(dòng)，內(nèi)置溫度保護(hù)及過(guò)流保護(hù)，最高耐壓為50 VDC，具有自動(dòng)半流鎖定功能。該芯片不僅可以滿足步進(jìn)電機(jī)對(duì)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(duì)步進(jìn)電機(jī)精確控制的目的。圖7為電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的開(kāi)環(huán)控制元件。電機(jī)停止的位置取決于脈沖信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號(hào)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(jiǎn)單、無(wú)累計(jì)誤差和慣量低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)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(dòng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本自動(dòng)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(yáng)能的利用率。圖8為本槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電自動(dòng)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(dòng)后，首先對(duì)各模塊進(jìn)行初始化操作，復(fù)位至起始位置；此時(shí)風(fēng)速傳感器開(kāi)始進(jìn)行工作，若測(cè)得當(dāng)前風(fēng)速大于臨界值，自動(dòng)追蹤系統(tǒng)判定當(dāng)前風(fēng)速可能對(duì)系統(tǒng)造成破壞，于是啟動(dòng)自我保護(hù)程序，系統(tǒng)裝置平放，以減少大風(fēng)對(duì)跟蹤裝置的破壞；系統(tǒng)經(jīng)過(guò)30 min延時(shí)后，風(fēng)速傳感器再次對(duì)當(dāng)前風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。

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

圖8 槽式太陽(yáng)熱發(fā)電自動(dòng)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(dòng)追蹤系統(tǒng)通過(guò)光電檢測(cè)模塊，對(duì)當(dāng)前時(shí)間的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，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(dòng)光電追蹤精調(diào)，追蹤系統(tǒng)通過(guò)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(hào)，經(jīng)信號(hào)處理模塊的處理和放大，得到較大的電壓信號(hào)，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，傳輸?shù)組CU追蹤控制單元中，經(jīng)處理后，此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)高度角步進(jìn)電機(jī)和方位角步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成實(shí)時(shí)的光電追蹤精調(diào)。

4)本自動(dòng)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(yáng)實(shí)際的高度角和方位角自動(dòng)計(jì)算陰影，啟動(dòng)躲避時(shí)間，保證拋物面反射鏡始終與太陽(yáng)保持一個(gè)最佳角度，互不干擾。系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，將循環(huán)檢測(cè)當(dāng)前的天氣情況，間隔時(shí)間為30 min，以此來(lái)選擇合適的追蹤方式，保證本自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)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(yùn)行；而對(duì)于短時(shí)間的雨雪等天氣，系統(tǒng)可通過(guò)本身的蓄熱裝置來(lái)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(kāi)環(huán)式主動(dòng)追蹤方式，其所需的當(dāng)前時(shí)刻的太陽(yáng)高度角和方位角可由式(5)～式(7)求得。

太陽(yáng)高度角α的計(jì)算式為：

式中，φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?GPS可直接測(cè)得)；δ為太陽(yáng)赤緯角；ω為太陽(yáng)時(shí)角，以當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)正午為0°，上午時(shí)角為負(fù)，下午時(shí)角為正，每小時(shí)變化15°。

太陽(yáng)方位角γ的計(jì)算式為：

太陽(yáng)赤緯角δ的計(jì)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(yáng)的光照強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，系統(tǒng)所啟動(dòng)的一種追蹤模式。在光電追蹤過(guò)程中，追蹤系統(tǒng)將偏差電壓轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)，然后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使拋物反射鏡鏡面垂直于太陽(yáng)照射，保證最大限度地聚集太陽(yáng)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(cè)模塊通過(guò)光電二極管對(duì)當(dāng)前的光照強(qiáng)度G進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)G大于光照強(qiáng)度的設(shè)定值G1時(shí)，追蹤系統(tǒng)將啟動(dòng)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(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，遮光筒會(huì)出現(xiàn)較大的陰影面積，此時(shí)4個(gè)光電二極管所感應(yīng)出的光電流大小不同，四象限探測(cè)器就會(huì)感應(yīng)到光電流，追蹤系統(tǒng)將進(jìn)入到四象限探測(cè)器精確追蹤模式，使追蹤系統(tǒng)始終與太陽(yáng)保持在最佳角度。四象限探測(cè)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(yáng)的高度角較低時(shí)，裝置與裝置之間勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)遮擋現(xiàn)象，這就會(huì)造成后排拋物反射鏡對(duì)太陽(yáng)光的聚光性降低，影響系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)造成資源的浪費(fèi)。本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)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(kāi)始工作，MCU追蹤控制單元將得到太陽(yáng)高度角和方位角的實(shí)際值；然后通過(guò)內(nèi)置的陰影躲避反向跟蹤算法計(jì)算出陰影躲避的啟動(dòng)時(shí)間；最后MCU追蹤控制單元通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成陰影躲避功能。

4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真與模擬

組態(tài)化的三維力控(Forcecontrol)軟件最大的特點(diǎn)是以靈活多樣的組態(tài)方式而不是編程方式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)集成，其基本的程序及組件包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、工程管理器、I/O驅(qū)動(dòng)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(guò)Forcecontrol軟件分別對(duì)固定式槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真模擬。圖11為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電自動(dòng)追蹤系統(tǒng)主界面圖，圖12為固定式與自動(dòng)追蹤式輸出功率對(duì)比圖。

圖11 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的主界面圖

圖12 固定式與自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的輸出功率對(duì)比圖

由圖12可知，自動(dòng)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(shuō)明自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的效果較好。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于Cortex-M3的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電自動(dòng)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(guò)Forcecontrol軟件對(duì)該自動(dòng)追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真模擬，結(jié)果顯示，自動(dòng)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(dòng)跟蹤系統(tǒng)以后的商業(yè)化運(yùn)行提供了一定的依據(jù)。