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嵌入式碟式太阳能热发电控制器研制与应用

作者:崔海朋 尹帅 时间:2017-06-28来源:电子产品世界
编者按:目前在太阳能热发电领域,碟式太阳能的转化效率最高,能适用于分布式和集中式两种发电需求。为了提高碟式太阳能跟踪控制系统的跟踪精度,本文研制了一种基于嵌入式控制器的碟式太阳能自动跟踪系统,采用视日运动轨迹算法跟踪和光学跟踪结合的策略,计算出碟式太阳能定日镜跟踪太阳的旋转角度,根据偏差值驱动伺服电机,同时根据光学传感器反馈对位置进行实时校正,实现碟式太阳能定日镜对太阳的精确跟踪。应用结果显示,该跟踪控制系统具有跟踪精度高,聚光比高等特点。

作者 崔海朋 尹帅 青岛杰瑞工控技术有限公司(山东 青岛 266061)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/361128.htm

崔海朋(1982-),男,硕士,工程师,研究方向:嵌入式系统应用。

摘要:目前在太阳能热发电领域,碟式太阳能的转化效率最高,能适用于分布式和集中式两种发电需求。为了提高碟式太阳能跟踪控制系统的跟踪精度,本文研制了一种基于的碟式太阳能自动跟踪系统,采用视日运动轨迹算法跟踪和光学跟踪结合的策略,计算出碟式太阳能定日镜跟踪太阳的旋转角度,根据偏差值驱动伺服电机,同时根据光学传感器反馈对位置进行实时校正,实现碟式太阳能定日镜对太阳的精确跟踪。应用结果显示,该跟踪控制系统具有跟踪精度高,聚光比高等特点。

引言

  目前,太阳能光热发电主要有槽式、塔式、碟式和菲涅尔式四种主要技术形式。其中,系统因分布、并网均适宜、转换效率高、成本下降空间最大,已经成为颇具商业前途的技术路线。碟式定日镜是系统的核心,太阳跟踪精度直接影响了碟式太阳能斯特林机的运行效率。因此,本文针对碟式太阳能定日镜进行研究,开发了一套基于的就地跟踪控制系统,并应用于小型示范系统中。

1 碟式跟踪控制系统控制策略

  碟式太阳跟踪控制策略主要有采用追日传感器的光学跟踪和采用视日运动的算法跟踪。其中,光学跟踪易受云层影响,运行效率较低;而算法跟踪需要精确计算太阳位置,依赖高精度的太阳位置算法,高精度算法的工程应用需要复杂的计算过程,对于传统的单片机和PLC很难实现,而对于ARM架构的32位单片机来说,则非常容易。因此,本文研制了一种嵌入式碟式太阳能跟踪控制器,搭建了一套碟式太阳能就地跟踪控制系统,采用光学跟踪和算法跟踪相结合的方式,实现了全自动的自动跟踪。本文设计的碟式太阳能就地跟踪控制系统,采用双轴跟踪模式,能实现碟式定日镜的多种保护,可以实现全自动、全天候的太阳跟踪,通过工程应用证明了其能够满足碟式太阳能热发电的技术要求。

2 碟式太阳能跟踪系统工作原理

2.1 碟式太阳能定日镜控制系统系统架构

  本文研制的碟式太阳跟踪控制系统总体结构如图1所示。跟踪控制系统主要由嵌入式太阳能控制器、光学传感器、器和伺服电机、机械执行机构模块、定日镜模块等几部分组成。

  嵌入式碟式太阳能控制器通过GPS模块获取精确的时间、经纬度、海拔、时区等数据,根据高精度太阳位置算法计算出太阳的高度角和方位角,根据定日镜的数学模型换算成定日镜的高度角和方位角,再根据定日镜的减速传动机构变速比换算成水平和俯仰两个方向电机应该转动的圈数,控制器通过给伺服电机发送相应的方向信息和脉冲这些动作指令驱动定日镜跟踪太阳。当偏差绝对值小于设定的角度跟踪精度时,则理论上表明定日镜已跟踪上太阳。为了减少机械回差、机械磨损、初始位置不准确等带来的跟踪偏差,系统接入了光学传感器,对追踪到的太阳位置进行实时校正。同时,该系统包含多种保护。主要包括基于气象数据的大风保护、基于死区接近开关的支架保护、伺服电机的过压、过流、过载、断相、短路保护等。当这些工况出现时,则自动启动保护程序,使定日镜回到预设的安全位置或者暂停运行。同时,嵌入式碟式太阳能控制器具有以太网接口,可以远程接入镜场DCS控制系统,便于组网和实现远程监控。总之,系统由嵌入式碟式太阳能控制器、伺服电机和光学传感器构成了一个基于“角度闭环”和“光学闭环”的“双闭环”控制系统。

2.2 碟式太阳能跟踪传动机构

  碟式太阳能定日镜跟踪传动机构是跟踪控制系统的执行机构,如图2所示。采用双轴驱动方式,水平方向转动由2个伺服电机带动减速机构来实现,俯仰方向转动由伺服电机带动四连杆机构的蜗轮蜗杆减速机构来实现。由于采用了伺服电机控制,整套控制系统可以达到很高的跟踪精度。同时,在图2所示的A、B、C、D位置安装接近开关,实现设备的保护作用,防止机械装置损坏。

3 碟式太阳能就地跟踪控制系统设计

3.1 嵌入式碟式太阳能控制器硬件设计

  如图3所示,嵌入式碟式太阳能控制器由ARM嵌入式微处理器、电源电路、数字量输入电路、模拟量输入电路、以太网通讯电路、时钟电路、存储电路、GPS电路、看门狗电路、器通讯电路、伺服电机驱动电路、模拟量输出电路和CAN总线通讯电路组成。

  其中,ARM嵌入式微处理器采用意法半导体生产的Cortex-M3架构的32位单片机,型号为,CPU时钟频率高达72MHz,有256KB的Flash,64KB的SRAM,含有1路10/100M 以太网控制器,2路CAN接口,16通道的ADC接口,5个UART,80个GPIO。不论从性能还是从外设上都完全满足碟式太阳能控制器的需求。为了提高控制器的可靠性,所有的电子元件选型都选用宽温型(-40℃~+85℃),输入输出接口电路采用光耦和隔离电源进行隔离。

3.2 嵌入式碟式太阳能控制器软件设计

  嵌入式碟式太阳能控制器ARM微处理器内部运行嵌入式操作系统,多个任务同时运行。主要包含:GPS通讯子任务、风速采集子任务、光学追日传感器子任务、太阳能追踪控制子任务、数学模型解算子任务、伺服电机状态检测子任务、显示屏通讯子任务和DCS通讯子任务等构成。多个任务协同工作,共同完成碟式太阳能定日镜的追踪和控制功能。程序流程图如图4所示。

  GPS通讯子任务主要完成太阳位置算法相关的经纬度、海拔、时区、时间等变量的读取。当GPS信号正常时,可以对控制器内部的时钟模块进行校时。当GPS信号弱或者信号丢失后,将自动切换到内部的实时时钟模块,来获取时间信息,以保证太阳位置算法的准确性。

  风速采集子任务主要来获取实时的风速,执行大风保护程序。当风速传感器检测到风等级大于8级时,程序进入大风保护子程序,并将定日镜快速回到保护位置。当风力减弱后,程序跳出大风保护子程序,继续执行太阳跟踪程序,使定日镜继续回到工作位置,继续跟踪。

  光学追日传感器子任务主要来采集太阳光照射位置信息,反馈“角度闭环”控制的误差信息,在光照良好的条件下,实现自动机械误差调整的功能。

  太阳能追踪控制子任务主要来实现碟式定日镜的手动和自动运行控制。程序首先判断系统的控制方式,如果在自动模式下,程序执行自动控制的逻辑程序,若不在自动模式则系统进入手动模式。为了减少伺服电机的动作时间,程序采取跟踪偏差PID控制的方式,子程序实时计算碟式太阳能定日镜的跟踪角度并与定日镜的当前角度进行比较,在两者误差大于一定偏差值时,程序执行跟踪指令。系统的工作时间可以进行设置,当追踪角度大于一定角度时,系统开始工作,等到日落时,控制器发出指令,使定日镜快速运动到保护位置,等待次日启动。

  数学模型解算子任务主要来实现太阳实时高度角和方位角根据实际的机械结构模型换算成定日镜的高度角和方位角,该算法和机械结构模型的准确性息息相关,属于空间三维坐标实时解算,计算量非常大。

  伺服电机状态检测子任务主要来依靠通讯来实现、伺服电机驱动器配置有RS485通讯接口,通过通讯协议获取驱动器的报警信息,可实现过压、过流、短路、断相、过温、过载保护功能。比如,水平传动机构是通过2台伺服电机同步驱动一个减速机构来实现,如果两台伺服电机某一台出现故障时,就不能实现同步功能,此时必须将另外一台也停止下来,否则会引起减速器的损坏。因此,伺服电机状态对于设备保护起着非常重要的作用。

  显示屏通讯子任务主要来实现碟式太阳能定日镜运行状态的监控、系统参数和报警参数的设置,实时数据和历史数据的存储等。

  DCS通讯子任务主要来实现控制器与镜场DCS控制系统之间的通讯。

4 碟式太阳能控制器应用及效果

  应用本文研制的嵌入式ARM碟式太阳能控制器、开发了一套碟式太阳能就地控制系统,用于驱动碟式太阳能定日镜,以分析碟式太阳能定日镜在不同年份不同季节的运行特性和跟踪效果。

4.1 应用

  本文设计的碟式太阳能跟踪控制器应用于山东德州的碟式太阳能小型示范项目中,该示范项目2012年建成,至今稳定运行5年有余。

4.2 测试效果

  选取2015-2016两年夏至日进行跟踪数据记录测试,记录一天内定日镜的理想追踪角度以及定日镜测量角度的数据,差值作为跟踪误差来进行数值分析。表1为本系统ARM控制器计算出的太阳跟踪角度、定日镜的测量角度对比表格。从表中可以直观的看出定日镜测量角度变化趋势与设计的跟踪策略是一致的。当跟踪偏差设置为0.05°时,实测最大偏差为0.05°从近几年的数据分析来看,基于ARM控制器的碟式跟踪控制系统满足碟式太阳能光热发电的要求。

5 结论

  本文设计了一种基于ARM-Cortex M3架构单片机的碟式太阳能跟踪控制器,并且应用到碟式太阳能定日镜中,进行了应用并分析了应用效果。本文设计的自动追日系统采用连续跟踪驱动方式,采用光学闭环和角度闭环两种闭环控制方式,实际运行结果表明最大跟踪误差可控制在±0.05°以内,在遇到大风等恶劣天气时,装置能快速返回到保护位置。该控制器具有成本低、跟踪精度较高、便于自动控制等特点,是适用于碟式太阳能光热系统的跟踪效果较好的一种跟踪控制方式,具有较高的实用性和广阔的应用前景。

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  本文来源于《电子产品世界》2017年第7期第55页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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