線性菲涅爾單軸跟蹤系統的設計范文

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《自動化儀表雜志》2015年第十二期

摘要:

針對能源需求不斷提高、太陽能熱發電日趨成熟的現狀，設計了一種基于DSPTMS320F2812的線性菲涅爾單軸跟蹤系統。給出了系統硬件的詳細設計過程，提出了跟蹤系統的控制算法，完成了對整個系統的控制，使線性菲涅爾鏡場中反射鏡能實時跟蹤太陽，并將太陽光線反射到固定安裝的吸收器上。經聯機上電試驗，驗證了該跟蹤控制系統設計方案的可行性，達到了設計的跟蹤精度。

關鍵詞:

單軸跟蹤系統；線性菲涅爾；DSP；TMS320F2812；太陽跟蹤；太陽能發電

隨著人們對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能源儲量有限，二是傳統能源對環境的影響［1］，使人類的生存受到了嚴重的威脅，人們開始開發和利用綠色可再生能源。太陽能作為一種綠色的可再生新能源開始受到廣泛關注。大規模聚光型太陽能熱發電主要原理是利用太陽輻射所產生的熱能發電。聚光型太陽能熱發電中，聚光系統是必不可少的，目前聚光熱發電系統主要有塔式、碟式、槽式和線性菲涅爾等［2－5］。

1線性菲涅爾反射裝置

線性菲涅爾反射裝置(linearFresnelreflector，LFR)如圖1所示，LFR鏡場由若干個平面或微弧面反射鏡組成，吸收器固定安裝在鏡場中央上方高度為H的位置。LFR工作時，反射鏡將太陽光線反射到鏡場上方的吸收器上，吸收器吸收鏡場聚集的太陽光線輻射用來發電。隨著太陽自東向西的運動，太陽光線入射角度也會相應地發生變化，鏡場中鏡元反射的光線不能照射到吸收器上，因此LFR聚光系統需要采用單軸跟蹤，才能使每一鏡元都能將太陽光線反射到固定的吸收器上［6］。對此一些研究人員設計了基于PLC［7］和基于單片機［8］的太陽能單軸跟蹤系統。但PLC的價格昂貴，而單片機在控制算法的實現以及通信能力等方面存在一定的限制，所以本文設計了基于數字信號處理器(DSP)的線性菲涅爾單軸太陽跟蹤系統，并已進入試用階段。該系統既能實時快速地處理信號，又便于擴展，容易實現閉環精準控制，使線性菲涅爾鏡場中鏡元實時跟蹤太陽，并始終將太陽光線反射到吸收器上。

2系統硬件設計

在眾多DSP系列中，TMS320C2000系列數字信號處理器具有良好的控制和信號處理能力，能快速而準確地處理采樣得到的電壓和電流信號，以實現復雜的控制算法。本文設計的跟蹤系統選用TMS320F2812作為核心控制芯片，它具有體積小、價格低，同時具有事件管理能力和嵌入式控制功能。圖2為以DSP2812為核心的跟蹤系統功能框圖。核心控制芯片DSP2812完成對信號的處理和追日算法的實現，對直流電機進行位置閉環控制，控制信號經由功率驅動電路驅動電機正反轉，實現對太陽的跟蹤控制。控制器還可以通過RS-232與上位機進行異步通信，實時監測系統參數，以便在出現故障時可及時發現并維修。跟蹤系統不但要求能跟蹤太陽，并且要求安全可靠［9］，從系統運行環境及可靠性考慮，還應進行風速保護，避免風速過高時系統結構損壞。DSP通過對風速傳感器信號的采集和處理，判斷風速等級，達到危險風速時封鎖控制器的輸出，將所有鏡元位置復位。

2．1DSP供電及外圍電路正常工作情況下，DSP2812芯片內核工作電壓為1．8V，而I/O口的工作電壓為3．3V。使用TPS767D301作為控制芯片的供電電源，電路結構比較簡單，既能滿足控制系統對電壓需求，又可以很好地滿足處理器上電/掉電時的次序要求。利用DSP的串行數據通信功能，結合RS-232接口電路，可實現驅動器主控制芯片與上位機的通信。外圍設備的高電平為24V、5V，而DSP的I/O接口電平為3．3V，為實現DSP與外圍設備的正常接口，就必須進行外設信號的電平轉換，即信號緩沖。本文中采用高速光耦合器TLP521以及SN74AHCT245DW構成電平轉換電路，優點在于其接收5V和3．3V邏輯電平的同時還可以保證信號有較快的傳輸速度。為保證系統工作的可靠性，盡可能減小高頻信號對控制及輸入脈沖信號的干擾，輸入輸出信號應該進行隔離，使得兩部分電路沒有直接的電氣聯系，因此系統采用TLP521高速光耦合器，構成隔離電路。系統利用實時時間計算太陽位置，因此需要實時采集外部時間，利用DSP的SPI功能，與DS1390專用時鐘芯片可構成滿足系統要求的時鐘電路。

2．2功率電路和手動調整電路跟蹤器設定功率容量為600W，母線電壓設定為24V，峰值母線電流設定為20A。選用高速MOSFETN型IRF4905及P型SN70N10A構成驅動器的H逆變橋，驅動電路由光耦電路及共射三極管電路構成。當系統出現驅動欠壓和過壓過流等異常情況時，能夠隔離驅動信號，防止對后續執行機構構成損害。功率電路為高度角直流電機供電，能夠輸出±24V的直流電，保證電機的穩定運行及正反轉。跟蹤系統增加了手動調整模塊，在安裝調試及手動校準時，可通過操控手動板，觀察菲涅爾反射鏡的動作。此外，還需要對輸出開關信號進行邏輯保護，使得控制器只輸出正確的驅動信號，這樣就能保證控制器輸出的執行信號不會出現誤動作，導致橋壁直通，損壞功率驅動電路。跟蹤器的執行機構是電壓為24V的直流電機，控制器的主電源為5V。因此，整個跟蹤器的供電應包括兩部分:24V直流供電和5V直流供電。24V直流電源作為電機及傳感器電源，5V直流電源作為控制器電源。空氣開關控制通斷外部220V交流電，將交直流電源、DSP外圍接口與功率電路和手動調整電路組裝即可得到整個跟蹤控制器。

3系統軟件設計

3．1控制原理本文所設計的跟蹤系統采用主動式單軸跟蹤，需要根據太陽相對于地球的運動規律實時跟蹤太陽，因此需要計算出太陽高度角。太陽和跟蹤裝置處于不同的坐標系下，根據不同坐標系間的轉換計算，可以得到太陽高度角α的求解式。根據當地時區以及經緯度，即可求得任意時刻該地的太陽高度角。當太陽高度角變化Δα時，控制器控制鏡元相應的轉動Δα/2就可以將太陽光線反射到吸收器上。系統還需計算出日出、日落的時間，從而決定系統啟動和鏡元回歸初始位置的時間，顯然日出、日落時太陽的高度角α為0，代入式(1)即可求得日出、日落時間。在得到跟蹤軌跡之后，就需要設計相應的控制方法來控制鏡元的轉動，跟蹤系統采用閉環控制，系統的控制原理如圖3所示。跟蹤系統的設定值根據地理位置信息以及實時獲取的時間信息計算得出，跟蹤系統的實際輸出由角度傳感器實時獲取并反饋給控制器，控制器根據設定值以及當前跟蹤系統的實際輸出計算出控制量，以控制跟蹤系統跟蹤太陽。

3．2控制算法實現跟蹤系統控制流程如圖4所示。在得到跟蹤角度與反饋的角度信號之后，就需要通過相應的控制算法來控制鏡場鏡元的轉動。由于風速對反射鏡的影響較大，過高的風速容易對鏡場造成毀壞，因此控制器應具備風速保護的功能，當風速大于20m/s時跟蹤系統將產生風力警報，控制鏡元復位并禁止自動運行。另外，由于在對傳感器信號進行轉換時，需要計算脈沖的累計值，因此控制器還需設置專門的掉電保持功能，以免掉電后數據丟失。跟蹤系統只在白天運行，需要計算出日出、日落時間，以決定系統的啟停。太陽落山之后，應將支架復位，以便第二天的跟蹤，因此還應設計其返回的角度值。

4精度檢測實驗

將跟蹤系統安裝到線性菲涅爾鏡場中進行上電實驗。經過多次測量取平均值的方法測量出高度角的數據，如表1所示。從精度檢測實驗結果可以看出，最大誤差為0．39°，可以滿足線性菲涅爾聚光系統對高跟蹤精度的要求。

5結束語

本文設計了基于DSP的太陽能單軸跟蹤系統，通過精度檢測實驗驗證了跟蹤系統能正常工作，并且有較高的控制精度，能控制線性菲涅爾鏡場中鏡元實時精確地跟蹤太陽，將太陽光線反射到吸收器上。

參考文獻

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作者：歐陽海玉 賈廷綱 牛玉剛 單位：華東理工大學化工過程先進控制和優化技術教育部重點實驗室 上海電氣集團股份有限公司自動化事業部