線性菲涅爾單軸跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

歐陽(yáng)海玉 賈廷綱 牛玉剛

(華東理工大學(xué)化工過(guò)程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，上海 200237;上海電氣集團(tuán)股份有限公司自動(dòng)化事業(yè)部2，上海 200070)

0 引言

隨著人們對(duì)能源的需求不斷提高，世界正面臨兩大難題:一是以煤和石油為代表的傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量有限，二是傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境的影響［1］，使人類的生存受到了嚴(yán)重的威脅，人們開始開發(fā)和利用綠色可再生能源。太陽(yáng)能作為一種綠色的可再生新能源開始受到廣泛關(guān)注。大規(guī)模聚光型太陽(yáng)能熱發(fā)電主要原理是利用太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。聚光型太陽(yáng)能熱發(fā)電中，聚光系統(tǒng)是必不可少的，目前聚光熱發(fā)電系統(tǒng)主要有塔式、碟式、槽式和線性菲涅爾等［2-5］。射角度也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，鏡場(chǎng)中鏡元反射的光線不能照射到吸收器上，因此LFR 聚光系統(tǒng)需要采用單軸跟蹤，才能使每一鏡元都能將太陽(yáng)光線反射到固定的吸收器上［6］。對(duì)此一些研究人員設(shè)計(jì)了基于PLC［7］和基于單片機(jī)［8］的太陽(yáng)能單軸跟蹤系統(tǒng)。但PLC 的價(jià)格昂貴，而單片機(jī)在控制算法的實(shí)現(xiàn)以及通信能力等方面存在一定的限制，所以本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的線性菲涅爾單軸太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，并已進(jìn)入試用階段。該系統(tǒng)既能實(shí)時(shí)快速地處理信號(hào)，又便于擴(kuò)展，容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)精準(zhǔn)控制，使線性菲涅爾鏡場(chǎng)中鏡元實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)，并始終將太陽(yáng)光線反射到吸收器上。

1 線性菲涅爾反射裝置

線性菲涅爾反射裝置(linear Fresnel reflector，LFR)如圖1 所示，LFR 鏡場(chǎng)由若干個(gè)平面或微弧面反射鏡組成，吸收器固定安裝在鏡場(chǎng)中央上方高度為H的位置。LFR 工作時(shí)，反射鏡將太陽(yáng)光線反射到鏡場(chǎng)上方的吸收器上，吸收器吸收鏡場(chǎng)聚集的太陽(yáng)光線輻射用來(lái)發(fā)電。隨著太陽(yáng)自東向西的運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)光線入

圖1 LFR 線性菲涅爾系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of linear Fresnel system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在眾多DSP 系列中，TMS320C2000 系列數(shù)字信號(hào)處理器具有良好的控制和信號(hào)處理能力，能快速而準(zhǔn)確地處理采樣得到的電壓和電流信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。本文設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)選用TMS320F2812作為核心控制芯片，它具有體積小、價(jià)格低，同時(shí)具有事件管理能力和嵌入式控制功能。

圖2 為以DSP2812 為核心的跟蹤系統(tǒng)功能框圖。核心控制芯片DSP2812 完成對(duì)信號(hào)的處理和追日算法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行位置閉環(huán)控制，控制信號(hào)經(jīng)由功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤控制。控制器還可以通過(guò)RS-232 與上位機(jī)進(jìn)行異步通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，以便在出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并維修。跟蹤系統(tǒng)不但要求能跟蹤太陽(yáng)，并且要求安全可靠［9］，從系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及可靠性考慮，還應(yīng)進(jìn)行風(fēng)速保護(hù)，避免風(fēng)速過(guò)高時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損壞。DSP 通過(guò)對(duì)風(fēng)速傳感器信號(hào)的采集和處理，判斷風(fēng)速等級(jí)，達(dá)到危險(xiǎn)風(fēng)速時(shí)封鎖控制器的輸出，將所有鏡元位置復(fù)位。

圖2 系統(tǒng)功能框圖Fig.2 Functional block diagram of the system

2.1 DSP 供電及外圍電路

正常工作情況下，DSP2812 芯片內(nèi)核工作電壓為1. 8 V，而 I/O 口的工作電壓為3. 3 V。使用TPS767D301 作為控制芯片的供電電源，電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，既能滿足控制系統(tǒng)對(duì)電壓需求，又可以很好地滿足處理器上電/掉電時(shí)的次序要求。利用DSP 的串行數(shù)據(jù)通信功能，結(jié)合RS-232 接口電路，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器主控制芯片與上位機(jī)的通信。

外圍設(shè)備的高電平為24 V、5 V，而DSP 的I/O 接口電平為3.3 V，為實(shí)現(xiàn)DSP 與外圍設(shè)備的正常接口，就必須進(jìn)行外設(shè)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，即信號(hào)緩沖。本文中采用高速光耦合器TLP521 以及SN74AHCT245DW構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，優(yōu)點(diǎn)在于其接收5 V 和3.3 V 邏輯電平的同時(shí)還可以保證信號(hào)有較快的傳輸速度。為保證系統(tǒng)工作的可靠性，盡可能減小高頻信號(hào)對(duì)控制及輸入脈沖信號(hào)的干擾，輸入輸出信號(hào)應(yīng)該進(jìn)行隔離，使得兩部分電路沒有直接的電氣聯(lián)系，因此系統(tǒng)采用TLP521 高速光耦合器，構(gòu)成隔離電路。系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)時(shí)間計(jì)算太陽(yáng)位置，因此需要實(shí)時(shí)采集外部時(shí)間，利用DSP 的SPI 功能，與DS1390 專用時(shí)鐘芯片可構(gòu)成滿足系統(tǒng)要求的時(shí)鐘電路。

2.2 功率電路和手動(dòng)調(diào)整電路

跟蹤器設(shè)定功率容量為600 W，母線電壓設(shè)定為24 V，峰值母線電流設(shè)定為20 A。選用高速M(fèi)OSFET N 型IRF4905 及P 型SN70N10A 構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器的H 逆變橋，驅(qū)動(dòng)電路由光耦電路及共射三極管電路構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)欠壓和過(guò)壓過(guò)流等異常情況時(shí)，能夠隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)，防止對(duì)后續(xù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成損害。功率電路為高度角直流電機(jī)供電，能夠輸出±24 V 的直流電，保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行及正反轉(zhuǎn)。

跟蹤系統(tǒng)增加了手動(dòng)調(diào)整模塊，在安裝調(diào)試及手動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)，可通過(guò)操控手動(dòng)板，觀察菲涅爾反射鏡的動(dòng)作。此外，還需要對(duì)輸出開關(guān)信號(hào)進(jìn)行邏輯保護(hù)，使得控制器只輸出正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這樣就能保證控制器輸出的執(zhí)行信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，導(dǎo)致橋壁直通，損壞功率驅(qū)動(dòng)電路。

跟蹤器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電壓為24 V 的直流電機(jī)，控制器的主電源為5 V。因此，整個(gè)跟蹤器的供電應(yīng)包括兩部分:24 V 直流供電和5 V 直流供電。24 V 直流電源作為電機(jī)及傳感器電源，5 V 直流電源作為控制器電源。空氣開關(guān)控制通斷外部220 V 交流電，將交直流電源、DSP 外圍接口與功率電路和手動(dòng)調(diào)整電路組裝即可得到整個(gè)跟蹤控制器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制原理

本文所設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)采用主動(dòng)式單軸跟蹤，需要根據(jù)太陽(yáng)相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)，因此需要計(jì)算出太陽(yáng)高度角。太陽(yáng)和跟蹤裝置處于不同的坐標(biāo)系下，根據(jù)不同坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換計(jì)算，可以得到太陽(yáng)高度角α 的求解式［10-12］:

式中:δ 為赤緯角;ω 為太陽(yáng)時(shí)角;φ 為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

根據(jù)當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)以及經(jīng)緯度，即可求得任意時(shí)刻該地的太陽(yáng)高度角。當(dāng)太陽(yáng)高度角變化Δα 時(shí)，控制器控制鏡元相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)Δα/2 就可以將太陽(yáng)光線反射到吸收器上。系統(tǒng)還需計(jì)算出日出、日落的時(shí)間，從而決定系統(tǒng)啟動(dòng)和鏡元回歸初始位置的時(shí)間，顯然日出、日落時(shí)太陽(yáng)的高度角α 為0，代入式(1)即可求得日出、日落時(shí)間。

在得到跟蹤軌跡之后，就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制方法來(lái)控制鏡元的轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，系統(tǒng)的控制原理如圖3 所示。跟蹤系統(tǒng)的設(shè)定值根據(jù)地理位置信息以及實(shí)時(shí)獲取的時(shí)間信息計(jì)算得出，跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際輸出由角度傳感器實(shí)時(shí)獲取并反饋給控制器，控制器根據(jù)設(shè)定值以及當(dāng)前跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際輸出計(jì)算出控制量，以控制跟蹤系統(tǒng)跟蹤太陽(yáng)。

圖3 控制原理圖Fig.3 Control principle

3.2 控制算法實(shí)現(xiàn)

跟蹤系統(tǒng)控制流程如圖4 所示。

圖4 跟蹤系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 Flowchart of the tracking system program

在得到跟蹤角度與反饋的角度信號(hào)之后，就需要通過(guò)相應(yīng)的控制算法來(lái)控制鏡場(chǎng)鏡元的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于風(fēng)速對(duì)反射鏡的影響較大，過(guò)高的風(fēng)速容易對(duì)鏡場(chǎng)造成毀壞，因此控制器應(yīng)具備風(fēng)速保護(hù)的功能，當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s 時(shí)跟蹤系統(tǒng)將產(chǎn)生風(fēng)力警報(bào)，控制鏡元復(fù)位并禁止自動(dòng)運(yùn)行。另外，由于在對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，需要計(jì)算脈沖的累計(jì)值，因此控制器還需設(shè)置專門的掉電保持功能，以免掉電后數(shù)據(jù)丟失。跟蹤系統(tǒng)只在白天運(yùn)行，需要計(jì)算出日出、日落時(shí)間，以決定系統(tǒng)的啟停。太陽(yáng)落山之后，應(yīng)將支架復(fù)位，以便第二天的跟蹤，因此還應(yīng)設(shè)計(jì)其返回的角度值。

4 精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

將跟蹤系統(tǒng)安裝到線性菲涅爾鏡場(chǎng)中進(jìn)行上電實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取平均值的方法測(cè)量出高度角的數(shù)據(jù)，如表1 所示。從精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，最大誤差為0.39°，可以滿足線性菲涅爾聚光系統(tǒng)對(duì)高跟蹤精度的要求。

(°)

表1 高度角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Experimental data of the altitude angles

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于DSP 的太陽(yáng)能單軸跟蹤系統(tǒng)，通過(guò)精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了跟蹤系統(tǒng)能正常工作，并且有較高的控制精度，能控制線性菲涅爾鏡場(chǎng)中鏡元實(shí)時(shí)精確地跟蹤太陽(yáng)，將太陽(yáng)光線反射到吸收器上。

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