熊田忠，黃捷，孫承志，陳海霞

( 三江學院電氣與自動化工程學院，江蘇南京210012)

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也稱集中型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。如圖1 所示，塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群，將陽光聚集到固定在塔頂部的接收器上，用以產生高溫，加熱工質產生過熱蒸汽或高溫氣體，驅動汽輪機發(fā)電機組或燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉換為電能。

圖1 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

塔式太陽能熱發(fā)電站的優(yōu)點:聚光倍數高，容易達到較高的工作溫度，陣列中的定日鏡數目越多，其聚光比越大，接收器的集熱溫度也就愈高;能量集中過程是靠反射光線一次完成的，方法簡捷有效;接收器散熱面積相對較小，因而可得到較高的光熱轉換效率;多種工質，儲熱方案多樣性;分布式系統(tǒng)，科技進步。塔式太陽能熱發(fā)電站的缺點:定日鏡控制難度大;鏡場系統(tǒng)投資大。

某塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)要求:供電電壓18 ～30 V DC;電機動態(tài)功耗低于60 W，電機不運轉時，切斷電機電源;步進電機啟動及停止平穩(wěn)無振動;電機轉動最大速度300 r/min;水平方向(方位角)軸轉動范圍0° ～360°，垂直方向(高度角)軸轉動范圍0°～85°;機械定位精度0.4×10－3rad (0.022 92°)，鏡子輸出最小轉動0.1×10－3rad (0.005 73°);系統(tǒng)一個模組3.6 萬個節(jié)點;成本低廉。

RS485 總線和Modbus 協(xié)議廣泛地應用于工業(yè)控制領域［1－2］。作者采用簡單實用的RS485 接口、ModbusRTU 協(xié)議，組成2 層總線網絡，實現多節(jié)點運動控制系統(tǒng)的群控;同時，每個節(jié)點實現按當前日期時間、相對塔距、相對塔方位、塔高、所處經緯度等自動調節(jié)鏡面方位角與俯仰角，實現塔式太陽能發(fā)熱系統(tǒng)對陽光的聚焦。

1 方案設計

對于每個節(jié)點，機械系統(tǒng)方案采用:0° ～85°轉動部分用步進電機直聯(lián)高精度渦輪蝸桿;0° ～360°轉動部分也用步進電機直聯(lián)高精度渦輪蝸桿;機械設計上保證了自鎖性，電機不運轉時可以切斷電源。機械方案簡圖如圖2 所示。鏡片距離發(fā)射光接收部分最遠距離以300 m 計，機械定位精度0.4 ×10－3rad 時，鏡片輸出誤差在反射耀斑中心誤差為240 mm (鏡片轉動一個微小角度α，反射光的偏轉角度為2α，當α為0.4 × 10－3rad 時，耀斑偏轉2 × 0.4 × 0.001 ×300 ×1 000 =240 mm)，則機械結構設計上要考慮精度與剛性。

圖2 節(jié)點機械結構示意圖

控制系統(tǒng)采用單片機為控制器，RS485 接口的Modbus 通信方式進行群控。36 000 節(jié)點采用單片機直接控制2 臺步進電機，只作Modbus 從站，需要1個UART。每個節(jié)點有唯一“組號(1 ～150) +組內號(1 ～240)”的標號。節(jié)點在空間上按一定規(guī)律排列，組內240 個節(jié)點聚集在一起。150 只按組號作Modbus 中轉，每個Modbus 中轉掛240 個節(jié)點，也采用單片機，需要2 個UART。總線結構如圖3 所示。

圖3 Modbus 總線分層結構

選擇步進電機步距角:0.9°，傳動比:180，則每發(fā)1 個脈沖鏡片轉0.005°，符合鏡片輸出最小角度要求。根據高度角電機x 向轉動范圍:0° ～85°，最大脈沖總數17 000 (采用2 字節(jié)，16 位無符號整數)。根據方位角電機y 向轉動范圍:0° ～360°，最大脈沖總數72 000 (可采用4 字節(jié)存儲，長整數)。

由于每秒鐘太陽偏轉約0.004 2° (360/ (24 ×3 600))，根據機械允許定位精度，若取控制允許角度偏差為1' = 0.016 7°，則最長約4 s (0.016 7°/0.004 2°)需要更新調整角度。步進電機處于極低速運轉狀態(tài)，幾乎就是單步運行，機械設計和電氣控制上要注意避免低頻振蕩現象，發(fā)完脈沖后可以斷電進行機械自鎖，防止丟步和滑步。

以下方案計算中，通信速率按9 600 b/s，按每個字節(jié)實際發(fā)送11 位，每個Modbus 報文長度為有效數據字節(jié)加上9 個字節(jié)，組內號用“#”表示，每個小方格表示1 字節(jié)數據。

方案一:全部總站高性能計算機進行運算，根據當前日期時間、所處經緯度、各節(jié)點相對塔方位角、塔高和各節(jié)點至塔垂直距離計算出每個節(jié)點當前時間x、y 向電機理論轉角所應發(fā)脈沖，逐一發(fā)到每個節(jié)點，每個節(jié)點根據已轉角度脈沖與之比較，從而調整鏡片姿態(tài)。

采用組輪寫方式。向每個節(jié)點發(fā)送數據量見表1，共7 個字節(jié)。每組發(fā)數據長度(9 +7 ×240) =1 689 B，1 689 ×11/9 600≈1.94 s，若采用3 s 輪流發(fā)送，150 組需時7.5 min，顯然該方案不可取。

表1 方案一組輪寫方式每節(jié)點有效數據格式

采用組廣播寫方式。每個節(jié)點數據需增加組號，格式見表2 所示。每次寫全部數據長度約8 ×150 ×240 =288 000 B，數據太多，需要大內存單片機，成本高;而且每發(fā)送完一次數據需時約288 000 ×11/9 600≈330 s=5.5 min，顯然也不能采用。

表2 方案一組廣播每節(jié)點有效數據

方案二:只做時間同步和特殊控制，特殊控制采用1 個字節(jié)表示，比如可以根據某位來控制所有節(jié)點進入風沙保護模式、回零點模式等。#S 和#E 用來控制組內節(jié)點不工作鏡片序號范圍，不工作鏡片數量可以根據實際塔溫等來動態(tài)閉環(huán)控制?？傉九c中轉站均采用廣播方式，每次發(fā)送有效數據格式見表3。而每個節(jié)點單片機需要設定所處經緯度、節(jié)點相對塔方位角、塔高和節(jié)點至塔垂直距離，可以在調試時通過Modbus 發(fā)送或者通過現場設定存儲于掉電能保持的存儲器中，比如EEPROM 中;也可以在程序中修改，然后下載至單片機程序存儲器。每個節(jié)點單片機根據當前日期時間、所處經緯度、節(jié)點相對塔方位角、塔高和節(jié)點至塔垂直距離等，通過一定運算，計算出當前時間x、y 向電機應發(fā)脈沖數，與已發(fā)脈沖比較，然后調整步進電機姿態(tài)，從而實時控制鏡片。該方案節(jié)點單片機需要有較強的數據處理能力，每個節(jié)點是一個太陽光自動跟蹤裝置［3］。

表3 方案二數據格式

該方案采用廣播方式，每次發(fā)送數據長度5 +8 =13 B，每次耗時約15 ×13/9 600≈0.02 s，可考慮0.5 s 廣播一次，總站、中轉Modbus 相同，時間誤差小于1 s。

2 實施要點

按照方案二，實施要點主要有兩個:其一為節(jié)點單片機對該節(jié)點鏡面角度的控制，其二為兩層基于RS485 的Modbus 主從站軟件設計，后者主要是Modbus 協(xié)議的CRC 校驗程序的編寫。

可以選擇PIC24F16KA101 單片機作中轉和節(jié)點控制器，該單片機為16 位架構，16 kB 的Flash 程序存儲器，512 字節(jié)EEPROM，2 個UART 接口，1 個9通道10 位A/D 轉換，3 個16 位定時器，CPU 主頻最高達32 MHz，指令速度達16 MIPS，符合此例要求。為了計算的精度考慮，方位角、至塔距離、塔高、經度、緯度等可采用雙精度浮點數。太陽高度角和方位角計算公式［4－5］如下:

式中:h 為太陽高度角，地球上某點的切平面與某時刻此點和太陽連線的夾角;A 為太陽方位角，太陽直射光線在地平面上的投影線與當地地平面子午線正南向所夾的角，通常以南點S 為0°，向西為正值，向東為負值;φ 為當地的地理緯度;δ 為太陽赤緯角，是太陽光線與地球赤道的夾角，以北為正，一年內，太陽赤緯角在±23.271°之間變動。要確定某一天的太陽赤緯角，可以利用下面的公式 δ =23.45sin((284 + DAY)×360°/365)來進行近似的計算，其中DAY 為一年中從1 月1 日起到該天的天數;Ω 為太陽時角，地球一天24 h 自轉360°，每小時的自轉角為15°，規(guī)定當地正午12:00 時的時角0°，上午為負，下午為正。例如，上午10 時Ω = －30°，下午3 時Ω=45°，當地時間可以用當地所處經度對當地時區(qū)標準時間進行修正。

鏡面法向高度角和方位角可按圖4 計算，從而可以確定每時刻x、y 向步進電機的理論轉角。

圖4 鏡面法向高度角和方位角的計算

圖中:H 為塔高;L 為節(jié)點至塔垂直距離;A3為節(jié)點相對于塔方位角;h1為鏡面理論反射高度角;A1為鏡面理論反射方位角;h2為鏡面法向高度角;A2為鏡面法向方位角。

選取步進電機及配套驅動器，采取脈沖加方向控制，程序控制時表示步進電機當前位置脈沖為找零點后所發(fā)脈沖的累加，反方向為負號。節(jié)點控制器對x、y 向電機的控制程序略。

表4 Modbus 報文格式

通信程序可利用該單片機的串口發(fā)送程序進行，ModbusRTU 協(xié)議實現［6］的關鍵是CRC 校驗。產生CRC 的過程如下:

(1)把16 位CRC 寄存器置成FFFF H;

(2)第一個8 位數據與CRC 寄存器低8 位進行異或運算，把結果放入CRC 寄存器;

(3)CRC 寄存器向右移一位，MSB 填零，檢查

LSB;

(4)若LSB 為0，重復步驟(3)，再右移一位;若LSB 為1，CRC 寄存器與A00l H 進行異或運算;

(5)重復步驟(3)和(4)直至完成8 次移位，完成8 位字節(jié)的處理;

(6)重復步驟(2)— (5)，處理下一個8 位數據，直至全部字節(jié)處理完畢;

(7)CRC 寄存器的最終值為CRC 值。

(8)把CRC 值放入信息時，高8 位和低8 位應分開放置，先送低8 位，后送高8 位。

需要注意的是，以上第(3)步中的LSB 指的是該步驟移出的這一位，而不是右移一位后CRC 寄存器的最低位，否則將得不到正確的結果。

Modbus 報文格式如表4 所示，從站地址0 表示廣播方式，功能10H 表示寫多個保持寄存器，起始地址從40001 開始，寄存器數目4 個字 (8 字節(jié))，字節(jié)數8。

3 結束語

文中介紹的塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的定日鏡陣列聚焦系統(tǒng)節(jié)點眾多、成本低廉、結構合理、方法可行，有較高的應用價值。也帶來每個節(jié)點的安裝調試工作量大的問題，其節(jié)點的布局和鏡場總體調度［7］等問題還需要進一步深入研究。

【1】劉篤喜，徐修明，許建社，等.Modbus 協(xié)議在分布式伺服測角系統(tǒng)中的應用［J］.機床與液壓，2007，35 (1):157 －159.

【2】田志勇，戴一平.基于Modbus 總線的變頻驅動液壓系統(tǒng)設計［J］.機床與液壓，2010，38 (4):79 －81.

【3】劉俊，劉京誠，謝磊，等. 太陽光自動跟蹤裝置的設計［J］.機床與液壓，2010，38 (9):45 －48.

【4】郭鐵錚，劉德有，錢艷平，等.基于DSP 的定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)研究［J］.太陽能學報，2010，31 (1):5 －11.

【5】關繼文，孔令成，張志華.高精度太陽能跟蹤控制器設計與實現［J］.自動化與儀器儀表，2010 (3):23 －25.

【6】全國工業(yè)過程測量和控制標準化技術委員會. GB/T 19582.2-2008 基于Modbus 協(xié)議的工業(yè)自動化網絡規(guī)范:第2 部分:Modbus 協(xié)議在串行鏈路上的實現指南［S］.北京:中國標準出版社，2008.

【7】辛秋霞，卞新高，楊縫縫.塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)鏡場調度方法的研究［J］. 太陽能學報，2010，31 (3):317 －322.