溫歡，楊治山，楊沂霖

（1.天水電氣傳動(dòng)研究所集團(tuán)有限公司，甘肅 天水 741020；2.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020；3.甘肅省民族法制文化研究所，甘肅 蘭州 730030）

在太陽能發(fā)電領(lǐng)域，光熱跟蹤發(fā)電已成為研究的重要課題，光熱發(fā)電跟蹤裝置由于自身機(jī)械問題和太陽光線入射等因素的影響，導(dǎo)致跟蹤精度和準(zhǔn)確度大大降低，該算法的研究對(duì)象是太陽能集熱發(fā)電裝置的追日測控系統(tǒng)，特別是涉及一種跟蹤裝置零點(diǎn)確認(rèn)的算法。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 硬件配置

追日測控系統(tǒng)以自動(dòng)跟蹤集熱發(fā)電系統(tǒng)為主體，跟蹤裝置監(jiān)控、電磁閥自動(dòng)調(diào)度和視頻監(jiān)控為輔助，將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測參數(shù)、腔體密閉性、動(dòng)態(tài)視頻、信號(hào)燈狀態(tài)、氣路狀態(tài)和調(diào)度信息直觀地在計(jì)算機(jī)上集中監(jiān)視。跟蹤裝置與控制室之間實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋，實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)交互，即跟蹤系統(tǒng)遠(yuǎn)程遙控、伺服電機(jī)遠(yuǎn)程控制和電磁閥控制，保障發(fā)電的安全高效，實(shí)現(xiàn)追日測控系統(tǒng)的整體監(jiān)測［3］。如圖1所示為跟蹤裝置原理圖。

圖1 跟蹤裝置原理圖

1.2 跟蹤的基本依據(jù)

跟蹤太陽位置最為常用的是地平坐標(biāo)系和極軸坐標(biāo)系。一般工程中采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)，因?yàn)樵谔烨蛏系乃袌A圈中，地平是在自然界中唯一能看到的圓。同時(shí)由于鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準(zhǔn)儀所定出的水平線是在幾何坐標(biāo)系中能直接觀測的參考方向，所以地平參考系應(yīng)用廣泛。在實(shí)際觀測中，幾何坐標(biāo)系是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐標(biāo)系［2］。因此，此系統(tǒng)采用地平坐標(biāo)系。如圖2所示為坐標(biāo)系的建立轉(zhuǎn)換示意圖。

圖2 坐標(biāo)系的建立轉(zhuǎn)換示意圖

如圖2所示，在地平坐標(biāo)系中用太陽高度角H和方位角A表示太陽在天球中的位置。高度角H是指太陽入射光與地平圈之間的夾角；太陽升起地平線與天頂?shù)膴A角為90度，正午0度；方位角A是指太陽入射光線在地平面上的投影與地平圈正北的夾角，范圍是0～360°。

當(dāng)時(shí)0°＜A＜90°，φ＝90°；

當(dāng)時(shí)90°＜A＜360°，φ＝Arctan（sinA×tanH）；

太陽跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系較為直觀方便、操作性強(qiáng)，但也存在軌跡坐標(biāo)計(jì)算沒有具體公式可依賴的問題。而在赤道坐標(biāo)系中赤緯角和時(shí)角在日地相對(duì)運(yùn)動(dòng)中任何時(shí)刻的具體值卻嚴(yán)格已知，同時(shí)赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。

在設(shè)定跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后，控制系統(tǒng)會(huì)按照太陽的地平坐標(biāo)公式自動(dòng)運(yùn)算太陽的高度角和方位角。那么碟架的零點(diǎn)校準(zhǔn)也顯得非常重要，碟架在水平方向和高度方向上采用17位高分辨的編碼器，來反饋碟架的實(shí)時(shí)位置，對(duì)于碟架零位的定義就與太陽方位相一致的思路來校準(zhǔn)。任何一地太陽高度最大時(shí)，除直射點(diǎn)所在地，太陽總在正南或正北。

正午立于太陽下，或在太陽下豎一竹竿，影子與太陽方位相反，指向正南或正北。如果還不能確定南北，可參考以下情況：如果觀測者在北回歸線以北，一年四季正午太陽直射點(diǎn)都在正南方，影子朝向正北；如果觀測者在北回歸線以南，一年四季正午太陽直射點(diǎn)都在正北方，影子朝向正南；此時(shí)如果將碟架發(fā)動(dòng)機(jī)伸出支架的影子與竹竿的影子在物理上重合時(shí)，確定碟架位置，要比之前更加準(zhǔn)確。正北方向和水平確定以后，就可以得知碟架的理論位置，程序里在此理論位置上加入機(jī)械校準(zhǔn)的差值，不同的碟架對(duì)應(yīng)不同的機(jī)械偏差，軟件自適應(yīng)的靈活性大大提高［2］。

綜上所述，在碟架的零位校準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)，該方法在碟架機(jī)械位置如何變化時(shí)，都將有機(jī)械偏差程序去修訂，零位校準(zhǔn)相當(dāng)靈活，可達(dá)到滿意的運(yùn)行效果。

2 研究過程和方法

2.1 太陽位置的計(jì)算

太陽能跟蹤控制系統(tǒng)提供的基于專用控制器的64位天文算法函數(shù)庫，它能根據(jù)跟蹤器所在地的經(jīng)度、緯度、大氣壓、溫度、海拔高度、時(shí)間差值、大氣折射率，計(jì)算出太陽相對(duì)于本地的水平角和高度角，計(jì)算精度高達(dá)±0.0003°；為更好地確定本地的經(jīng)度、緯度、海拔高度和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的UTC時(shí)間同步，控制系統(tǒng)采用GPS接收器接收信號(hào)來接收跟蹤裝置所在位置的GPS信息［2］。

本文研究的時(shí)間同步采用計(jì)算機(jī)與控制程序循環(huán)中斷的方式，因?yàn)榭刂破鲿r(shí)鐘不能時(shí)時(shí)寫入，這樣會(huì)導(dǎo)致控制器內(nèi)存的浪費(fèi)和運(yùn)行速度減慢，所以采用一天校準(zhǔn)一次或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)校準(zhǔn)的方式，保證控制器時(shí)鐘在允許誤差內(nèi)，下圖3所示是某地日歷算法程序示意圖，是此地程序運(yùn)行某日晚八點(diǎn)的記錄截圖。

圖3 某地日歷算法程序示意圖

圖4 光線傳感器示意圖

此時(shí)太陽的方位角是202.85°，高度角是89.58°，表明此刻已經(jīng)是晚上。

在實(shí)際操作當(dāng)中，還需要考慮到跟蹤裝置的步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)，機(jī)械間隙，傳感器等器件，在程序設(shè)計(jì)中加入校正系數(shù)，使得控制精度保持在合理范圍內(nèi)。

2.2 追蹤裝置定零算法的實(shí)現(xiàn)

通過跟蹤裝置俯仰方向上安裝的絕對(duì)式光電編碼器,其測量范圍是0-90°,分辨率為16位。

設(shè)編碼器在旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出的負(fù)載位移為εp,其取值范圍是：-32767≤εp≤32767。當(dāng)跟蹤裝置處于-32767≤εp≤0∪16384＜εp＜32767時(shí)，此時(shí)設(shè)置，λ1＝1，λ2＝0 （λ1、λ2分別是程序執(zhí)行時(shí)的兩個(gè)標(biāo)志位）。而當(dāng)跟蹤裝置處于0＜εp＜16384區(qū)間時(shí)，此時(shí)設(shè)置λ1＝0，λ2＝1。

算法的實(shí)現(xiàn)：

如果λ1＝1∩0＜εp成立，且16384＜εp則ζp＝εp，ξLo=ζp-16384，ξHi=εp（ζp實(shí)際參（與計(jì)算的測量值，ξLo為測量值的下限，ξHi為測量值的上限）；

如果λ2＝1∩εp≤0 成立，且εp≤16384，則ζp＝εp＋65535，ξLo=ζp-16384，ξHi=εp。

由上可得跟蹤裝置俯仰方向上的位置θCadrage＝為工程量上限，為工程量下限。

由跟蹤裝置水平方向上安裝的絕對(duì)式光電編碼器,其測量范圍是0-360°，分辨率為16位。設(shè)編碼器在旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出的負(fù)載位移為δp，程序執(zhí)行過程中，當(dāng)檢測有外部確認(rèn)信號(hào)后，設(shè)置δoffset＝δp，且（δoffset、δp為跟蹤裝置水平方向上的測量值，δManager實(shí)際參與運(yùn)算的數(shù)值，為機(jī)械偏差）。

當(dāng)δManager＞0時(shí)，ζp1=δManager；當(dāng)δManager≤0時(shí)，ζp1=δManager＋65535；

3 驗(yàn)證環(huán)節(jié)

驗(yàn)證光斑與集熱腔是否重合,需采用一個(gè)光線傳感器,這是一種高精度角位移變送器，其夾角以帶符號(hào)的十進(jìn)制的形式輸出，廣泛用于自動(dòng)化測量與控制系統(tǒng)中，例如：高精度太陽跟蹤、動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)、機(jī)構(gòu)跟蹤等場合。

平行光照射到變送器的透明玻璃窗上,透過玻璃窗下面的兩個(gè)互相垂直的平行光照射到變送器的透明玻璃窗上，透過玻璃窗下面的兩條細(xì)縫照到PSD上，經(jīng)過電路處理產(chǎn)生電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)的大小和光線與機(jī)箱軸線的夾角成比例，信號(hào)的符號(hào)與夾角的方向相對(duì)應(yīng)，且成90°夾角，證明跟蹤裝置的焦點(diǎn)、太陽和地心在一條直線上，說明光斑與跟蹤裝置的集熱腔中心是完全重合的。再經(jīng)過數(shù)字化處理變成數(shù)字信號(hào)通過CAN總線或RS-422/RS-485輸出，同時(shí)輸出光強(qiáng)信號(hào)。

跟蹤裝置在跟隨太陽運(yùn)動(dòng)時(shí)，跟蹤裝置的二維坐標(biāo)（Vertical_Act_Position，Level_Act_Position）和太陽系坐標(biāo)（Azimuth，Zenith）如下圖5所示，在跟蹤裝置的二維坐標(biāo)中監(jiān)測了跟蹤裝置俯仰方向?qū)嶋H位置和水平方向?qū)嶋H位置，在太陽系坐標(biāo)中監(jiān)測了太陽方位角和太陽高度角。

圖5 跟蹤裝置與太陽在某段時(shí)間內(nèi)的跟蹤截圖

在線監(jiān)測結(jié)果顯示：跟蹤裝置俯仰方向?qū)嶋H位置曲線與太陽高度角重合，說明裝置與太陽的高度角相一致。跟蹤裝置水平方向?qū)嶋H位置曲線與太陽方位角重合，說明裝置與太陽的方位角相一致。

4 結(jié)論

上述方法雖然使得跟蹤裝置實(shí)現(xiàn)了與太陽角度的對(duì)準(zhǔn)，但是系統(tǒng)屬于開環(huán)狀態(tài)，此時(shí)需要借助外圍監(jiān)測軟件通過串口接收安裝在跟蹤裝置上的光線傳感器反饋的數(shù)據(jù),當(dāng)軟件中紅色光斑移動(dòng)到軟件界面定義的方格區(qū)域的幾何中心處時(shí),跟蹤裝置的焦點(diǎn)、太陽和地心在一條直線上；說明光斑與集熱腔室就是完全重合的，由此證明，跟蹤裝置的零點(diǎn)確認(rèn)是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到光斑與集熱腔體的對(duì)準(zhǔn)。

如果零點(diǎn)確認(rèn)不準(zhǔn)，即便在控制系統(tǒng)和高精度的算法都成熟的條件下，跟蹤裝置也不能提高效率,達(dá)到其精準(zhǔn)的隨動(dòng)性，此時(shí)光熱轉(zhuǎn)換效率也就無從談起了。但引入該定零算法后，跟蹤精度更加精確、光熱效率顯著提升，進(jìn)而提高了跟蹤裝置上發(fā)電機(jī)的工作效率，該算法還適用于其他高精度跟蹤的相關(guān)領(lǐng)域。