作者 崔海朋 尹帅 青岛杰瑞工控技能有限公司(山东 青岛 266061)
崔海朋(1982-)，男，硕士，工程师，研讨方向：嵌入式体系使用。
摘要：现在在太阳能热发电范畴，碟式太阳能的转化功率最高，能适用于散布式和集中式两种发电需求。为了进步碟式太阳能盯梢操控体系的盯梢精度，本文研发了一种依据嵌入式操控器的碟式太阳能主动盯梢体系，选用视日运动轨道算法盯梢和光学盯梢结合的战略，核算出碟式太阳能定日镜盯梢太阳的旋转视点，依据差错值驱动伺服电机，一起依据光学传感器反应对方位进行实时校对，完结碟式太阳能定日镜对太阳的精确盯梢。使用成果显现，该盯梢操控体系具有盯梢精度高，聚光比高级特色。
导言
现在，太阳能光热发电首要有槽式、塔式、碟式和菲涅尔式四种首要技能方法。其间，碟式太阳能热发电体系因散布、并网均适合、转化功率高、本钱下降空间最大，已经成为颇具商业出路的技能道路。碟式定日镜是碟式太阳能热发电体系的中心，太阳盯梢精度直接影响了碟式太阳能斯特林机的运转功率。因而，本文针对碟式太阳能定日镜进行研讨，开发了一套依据嵌入式操控器的就地盯梢操控体系，并使用于小型碟式太阳能热发电演示体系中。
1 碟式盯梢操控体系操控战略
碟式太阳盯梢操控战略首要有选用追日传感器的光学盯梢和选用视日运动的算法盯梢。其间，光学盯梢易受云层影响，运转功率较低;而算法盯梢需求精确核算太阳方位，依托高精度的太阳方位算法，高精度算法的工程使用需求杂乱的核算进程，关于传统的单片机和PLC很难完结，而关于ARM架构的32位单片机来说，则十分简单。因而，本文研发了一种嵌入式碟式太阳能盯梢操控器，搭建了一套碟式太阳能就地盯梢操控体系，选用光学盯梢和算法盯梢相结合的方法，完结了全主动的主动盯梢。本文规划的碟式太阳能就地盯梢操控体系，选用双轴盯梢形式，能完结碟式定日镜的多种维护，能够完结全主动、全天候的太阳盯梢，经过工程使用证明了其能够满意碟式太阳能热发电的技能要求。
2 碟式太阳能盯梢体系作业原理
2.1 碟式太阳能定日镜操控体系体系架构
本文研发的碟式太阳盯梢操控体系整体结构如图1所示。盯梢操控体系首要由嵌入式太阳能操控器、光学传感器、伺服驱动器和伺服电机、机械履行组织模块、定日镜模块等几部分组成。
嵌入式碟式太阳能操控器经过GPS模块获取精确的时刻、经纬度、海拔、时区等数据，依据高精度太阳方位算法核算出太阳的高度角和方位角，依据定日镜的数学模型换算成定日镜的高度角和方位角，再依据定日镜的减速传动组织变速比换算成水平缓俯仰两个方向电机应该滚动的圈数，操控器经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盯梢太阳。当差错绝对值小于设定的视点盯梢精度时，则理论上标明定日镜已盯梢上太阳。为了削减机械回差、机械磨损、初始方位不精确等带来的盯梢差错，体系接入了光学传感器，对追寻到的太阳方位进行实时校对。一起，该体系包括多种维护。首要包括依据气候数据的劲风维护、依据死区挨近开关的支架维护、伺服电机的过压、过流、过载、断相、短路维护等。当这些工况呈现时，则主动发动维护程序，使定日镜回到预设的安全方位或许暂停运转。一起，嵌入式碟式太阳能操控器具有以太网接口，能够长途接入镜场DCS操控体系，便于组网和完结长途监控。总归，体系由嵌入式碟式太阳能操控器、伺服电机和光学传感器构成了一个依据“视点闭环”和“光学闭环”的“双闭环”操控体系。
2.2 碟式太阳能盯梢传动组织
碟式太阳能定日镜盯梢传动组织是盯梢操控体系的履行组织，如图2所示。选用双轴驱动方法，水平方向滚动由2个伺服电机带动减速组织来完结，俯仰方向滚动由伺服电机带动四连杆组织的蜗轮蜗杆减速组织来完结。因为选用了伺服电机操控，整套操控体系能够到达很高的盯梢精度。一起，在图2所示的A、B、C、D方位设备挨近开关，完结设备的维护作用，避免机械设备损坏。
3 碟式太阳能就地盯梢操控体系规划
3.1 嵌入式碟式太阳能操控器硬件规划
如图3所示，嵌入式碟式太阳能操控器由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、伺服驱动器通讯电路、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。
其间，ARM嵌入式微处理器选意图法半导体出产的Cortex-M3架构的32位单片机，型号为STM32F107VCT6，CPU时钟频率高达72MHz，有256KB的Flash，64KB的SRAM，含有1路10/100M 以太网操控器，2路CAN接口，16通道的ADC接口，5个UART，80个GPIO。不管从功用仍是从外设上都彻底满意碟式太阳能操控器的需求。为了进步操控器的可靠性，一切的电子元件选型都选用宽温型(-40℃~+85℃)，输入输出接口电路选用光耦和阻隔电源进行阻隔。
3.2 嵌入式碟式太阳能操控器软件规划
嵌入式碟式太阳能操控器ARM微处理器内部运转嵌入式操作体系，多个使命一起运转。首要包括：GPS通讯子使命、风速收集子使命、光学追日传感器子使命、太阳能追寻操控子使命、数学模型解算子使命、伺服电机状况检测子使命、显现屏通讯子使命和DCS通讯子使命等构成。多个使命协同作业，共同完结碟式太阳能定日镜的追寻和操控功用。程序流程图如图4所示。
GPS通讯子使命首要完结太阳方位算法相关的经纬度、海拔、时区、时刻等变量的读取。当GPS信号正常时，能够对操控器内部的时钟模块进行校时。当GPS信号弱或许信号丢掉后，将主动切换到内部的实时时钟模块，来获取时刻信息，以确保太阳方位算法的精确性。
风速收集子使命首要来获取实时的风速，履行劲风维护程序。当风速传感器检测到风等级大于8级时，程序进入劲风维护子程序，并将定日镜快速回到维护方位。当风力削弱后，程序跳出劲风维护子程序，持续履行太阳盯梢程序，使定日镜持续回到作业方位，持续盯梢。
光学追日传感器子使命首要来收集太阳光照耀方位信息，反应“视点闭环”操控的差错信息，在光照杰出的条件下，完结主动机械差错调整的功用。
太阳能追寻操控子使命首要来完结碟式定日镜的手动和主动运转操控。程序首要判别体系的操控方法，假如在主动形式下，程序履行主动操控的逻辑程序，若不在主动形式则体系进入手动形式。为了削减伺服电机的动作时刻，程序采纳盯梢差错PID操控的方法，子程序实时核算碟式太阳能定日镜的盯梢视点并与定日镜的当时视点进行比较，在两者差错大于必定差错值时，程序履行盯梢指令。体系的作业时刻能够进行设置，当追寻视点大于必定视点时，体系开端作业，比及日落时，操控器宣布指令，使定日镜快速运动到维护方位，等候次日发动。
数学模型解算子使命首要来完结太阳实时高度角和方位角依据实践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精确性休戚相关，归于空间三维坐标实时解算，核算量十分大。
伺服电机状况检测子使命首要来依托通讯来完结、伺服电机驱动器装备有RS485通讯接口，经过通讯协议获取驱动器的报警信息，可完结过压、过流、短路、断相、过温、过载维护功用。比方，水平传动组织是经过2台伺服电机同步驱动一个减速组织来完结，假如两台伺服电机某一台呈现毛病时，就不能完结同步功用，此刻必须将别的一台也停止下来，不然会引起减速器的损坏。因而，伺服电机状况关于设备维护起着十分重要的作用。
显现屏通讯子使命首要来完结碟式太阳能定日镜运转状况的监控、体系参数和报警参数的设置，实时数据和历史数据的存储等。
DCS通讯子使命首要来完结操控器与镜场DCS操控体系之间的通讯。
4 碟式太阳能操控器使用及作用
使用本文研发的嵌入式ARM碟式太阳能操控器、开发了一套碟式太阳能就地操控体系，用于驱动碟式太阳能定日镜，以剖析碟式太阳能定日镜在不同年份不同时节的运转特性和盯梢作用。
4.1 使用
本文规划的碟式太阳能盯梢操控器使用于山东德州的碟式太阳能小型演示项目中，该演示项目2012年建成，至今安稳运转5年有余。
4.2 测验作用
选取2015-2016两年夏至日进行盯梢数据记载测验，记载一天内定日镜的抱负追寻视点以及定日镜丈量视点的数据，差值作为盯梢差错来进行数值剖析。表1为本体系ARM操控器核算出的太阳盯梢视点、定日镜的丈量视点比照表格。从表中能够直观的看出定日镜丈量视点改变趋势与规划的盯梢战略是共同的。当盯梢差错设置为0.05°时，实测最大差错为0.05°从近几年的数据剖析来看，依据ARM操控器的碟式盯梢操控体系满意碟式太阳能光热发电的要求。
5 定论
本文规划了一种依据ARM-Cortex M3架构单片机的碟式太阳能盯梢操控器，而且使用到碟式太阳能定日镜中，进行了使用并剖析了使用作用。本文规划的主动追日体系选用接连盯梢驱动方法，选用光学闭环和视点闭环两种闭环操控方法，实践运转成果标明最大盯梢差错可操控在±0.05°以内，在遇到劲风等恶劣气候时，设备能快速返回到维护方位。该操控器具有本钱低、盯梢精度较高、便于主动操控等特色，是适用于碟式太阳能光热体系的盯梢作用较好的一种盯梢操控方法，具有较高的实用性和宽广的使用远景。
参考文献：
[1]黄素逸,黄树红.太阳能热发电原理及技能[M].北京:中国电力出版社,2012.
[2]王云峰,季杰,何伟,等.抛物碟式太阳能定日镜的聚光特性剖析与规划[J].光学学报,2012,32(1):221-228.
[3]窦伟,许洪华,李晶.盯梢式光伏发电体系研讨[J].太阳能学报,2007,28(2):169-173.
[4]陈维,李戬洪.抛物柱面聚集的几种盯梢方法的光学功用剖析[J].太阳能学报,2003(4):477-482.
[5]李垣陵.两种嵌入式操作体系的比较[J].电子产品世界,2002(10B):18-20.
[6]司利云,王铁勇,吴盘龙.嵌入式实时操作体系μC/OS-Ⅱ及其使用[J].电子产品世界,2002(16):77-78.
本文来源于《电子产品世界》2017年第7期第55页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
