，，

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

太陽能作為一種清潔可持續(xù)使用能源，與常規(guī)能源相比較，它可以無限使用，不會(huì)枯竭，而且安全無害，只要加以收集、轉(zhuǎn)換即可直接使用，因而在開發(fā)利用過程中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在分析了當(dāng)前船用太陽能發(fā)電現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術(shù)和雙軸混合控制太陽能跟蹤技術(shù)為核心，研究并設(shè)計(jì)了一種船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置。該裝置可實(shí)現(xiàn)在船舶這一特殊的運(yùn)動(dòng)載體和水中航行這一特定環(huán)境下，通過自動(dòng)跟蹤太陽的碟式聚光鏡將太陽光聚焦于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動(dòng)活塞做功，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能輸出，作為輔助能源應(yīng)用在船舶的照明系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、輔助機(jī)械等方面，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的良好效果[1]。

1 碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)

近年來，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)獲得了大量的研究且在陸上得到了廣泛應(yīng)用，但在船舶上的應(yīng)用目前主要集中于小型船舶上，在全動(dòng)力船舶和大型遠(yuǎn)洋船舶上推廣不多。其主要原因就是光伏發(fā)電因受材料的限制，發(fā)電量不高，效率低，其發(fā)電成本相對(duì)較高，系統(tǒng)成本回收期較長(zhǎng)，在船舶領(lǐng)域的發(fā)展受到了很大程度的限制。太陽能熱發(fā)電較光伏發(fā)電更能適應(yīng)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。目前，太陽能熱力發(fā)電單機(jī)容量已發(fā)展到兆瓦級(jí)，全球已有數(shù)十座兆瓦級(jí)太陽能熱電站投入試驗(yàn)運(yùn)行[2]。按集熱器類型的不同太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為槽式、塔式和碟式三種系統(tǒng)。碟式系統(tǒng)具有高效、模塊化和具備組成混合發(fā)電系統(tǒng)的能力等特點(diǎn)，既可以作分布式系統(tǒng)單獨(dú)供電，也可以并網(wǎng)發(fā)電。在所有太陽能發(fā)電技術(shù)中，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有最高的光熱轉(zhuǎn)換效率(約85%)和光電轉(zhuǎn)換效率(約31%)，因此有潛力成為最便宜的可再生能源之一。碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置原理圖見圖1。

圖1 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置系統(tǒng)原理

表1是幾種太陽能發(fā)電形式的技術(shù)性能對(duì)比。從中可見，碟式太陽能熱發(fā)電具有光電轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電規(guī)模靈活、耗水量少等優(yōu)點(diǎn)。又由于該系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地的平坦性要求低，因此應(yīng)用范圍廣泛。以上的這些優(yōu)點(diǎn)，為碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技在船舶上的應(yīng)用提供了可能。

表1 太陽能發(fā)電形式的一些工程技術(shù)性能對(duì)比[3]

2 發(fā)電裝置系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文研究并設(shè)計(jì)了一種船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置，其硬件系統(tǒng)構(gòu)成主要包括：碟式聚光器、聚光器支架、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)支架、太陽能斯特林機(jī)、由斯特林機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)、太陽雙軸跟蹤裝置、以及自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，見圖2。

圖2 船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)

其中，碟式聚光反射器呈扇形分割，由6個(gè)扇形聚光反射鏡片組拼接成一旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)；反射鏡支架固定于船舶甲板上，用于支撐并安裝所述碟式聚光反射鏡；斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)支架一端固定連接所述碟式聚光反射鏡支架，另一端固定連接太陽能斯特林機(jī)上；太陽能斯特林機(jī)的接收器位于碟式聚光反射鏡的焦點(diǎn)處；發(fā)電機(jī)固定連接所述太陽能斯特林機(jī)上，構(gòu)成斯特林發(fā)電機(jī)模塊；太陽雙軸跟蹤裝置安裝于所述反射鏡支架上，包括兩臺(tái)直流電機(jī)、兩臺(tái)減速器、一個(gè)絲杠螺母副和一個(gè)帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)通過信號(hào)線連接所述太陽雙軸跟蹤裝置，控制所述碟式聚光反射鏡的運(yùn)行。整個(gè)裝置主要用螺栓連接，便于拆裝和運(yùn)輸。裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)、定位和連接等機(jī)械結(jié)構(gòu)都簡(jiǎn)單可靠，跟蹤運(yùn)動(dòng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，這樣不僅加工容易且增加了系統(tǒng)的可靠性。

3 跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要將碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在船舶上，首先需要解決的問題就是自動(dòng)跟蹤太陽的碟式聚光器跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于“斯特林”熱機(jī)及其吸熱器等部分是不動(dòng)的，把移動(dòng)的太陽能穩(wěn)定地匯集聚焦到置于移動(dòng)船舶上的太陽接收器上，要有一套自動(dòng)跟蹤裝置，這種跟蹤裝置應(yīng)該是以太陽為目的物的主動(dòng)尋找的雙通道閉環(huán)跟蹤裝置?；诖?，本文提出了一種采用高度角-方位角雙軸混合跟蹤式(視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合)船用碟式太陽跟蹤聚光器跟蹤控制系統(tǒng)，該碟式聚光器可實(shí)現(xiàn)在船舶航行過程中對(duì)太陽運(yùn)行位置變化的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)碟式聚光器的轉(zhuǎn)角提高該船用太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的綜合轉(zhuǎn)化效率。

3.1 跟蹤控制系統(tǒng)硬件

1)微控制器采用STM32 F3。STM32 F3微控制器整合了帶有DSP與FPU指令、工作頻率為72 MHz的32位ARM Cortex-M4內(nèi)核和高級(jí)模擬外設(shè)，從而提高了靈活性。該控制器通過整合Cortex-M4內(nèi)核、快速12位5 MSPS和精密16位sigma-delta ADC、可編程增益放大器(4檔增益、精確度為1%)、快速50 ns比較器和工作頻率為144 MHz的多功能時(shí)鐘控制單元實(shí)現(xiàn)了嵌入式DSC設(shè)計(jì)創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)了最佳控制效果。其優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)使其能有效控制并處理電路板內(nèi)的混合信號(hào)，如三相電機(jī)控制、生物識(shí)別和工業(yè)傳感器輸出或音頻濾波器等。

2)GPS接收器。采用HOLUX(長(zhǎng)天科技股份有限公司)生產(chǎn)的環(huán)天BU-353S4 SIRF 4芯片，支持NMEA0183通信協(xié)議支持NMEA0183通訊協(xié)議，內(nèi)建超大電容, 可儲(chǔ)存快速取得的衛(wèi)星訊號(hào)數(shù)據(jù)。接收器帶48個(gè)追蹤頻道，靈敏度為-163 dBm,定位精度為2.5 m，并支持WAAS(wide area augmentation System)。STM32 F3單片機(jī)解碼出船舶航行過程中的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度以及UTC(coordinated universal time)時(shí)間，根據(jù)相關(guān)天文公式計(jì)算出當(dāng)前太陽高度角和方位角。

在時(shí)刻t，太陽的高度角h和方位角α分別為

h(t)= arc sin-1[sin(δt)sin(φt)+

cos(δt)cos(φt)cos(ωt)]

(1)

(2)

式中：φ——當(dāng)前船舶所在的地理緯度；

δ——太陽赤緯角；

ω——太陽時(shí)角[4]。

其中赤緯角可由Cooper的近似計(jì)算公式求得

(3)

式中：n——1年中的第幾天。

一天當(dāng)中隨時(shí)間變化引起的太陽位置的變化可由太陽時(shí)角ω表示，太陽在正午時(shí)太陽時(shí)角為0°，每小時(shí)變化15°，上午為正，下午為負(fù)。因此有

ω=(12-T)·15°

(4)

式中：T——船舶所在地時(shí)間。

3)機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。主要由水平方向調(diào)整電機(jī)、俯仰方向調(diào)整電機(jī)、絲杠螺母副、減速器、帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)STM32 F3單片機(jī)根據(jù)GPS接收模塊得到船舶當(dāng)前所在位置的經(jīng)緯度和UTC時(shí)間，根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算出當(dāng)前的太陽高度角增量和方位角增量，輸出一定數(shù)量的PWM(pulse width modulation)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在水平和俯仰兩個(gè)方向上進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的初步跟蹤。

4)電子羅盤。采用美國(guó)KVH公司生產(chǎn)的C100電子(數(shù)字)羅盤，其具有體積小、價(jià)格低、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。它采用磁通門技術(shù)，航向精度可達(dá)到0.5°以內(nèi)，分辨率為0.1°，通過其數(shù)字接口，可提供地球磁場(chǎng)X、Y軸的水平分量，其本身采用鋁殼封裝，工作溫度-40°～+65°，內(nèi)置的自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，可對(duì)磁場(chǎng)變化而引起的誤差進(jìn)行修正[5]。

電子羅盤根據(jù)其原理識(shí)別出船舶航行方向與北方向的夾角并通過接口輸出角度值，當(dāng)船舶航向改變時(shí)，由單片機(jī)STM32 F3采集電子羅盤輸出的角度值變化量，進(jìn)行各種判斷、處理；同時(shí)單片機(jī)發(fā)出指令給方位角調(diào)整電機(jī)，驅(qū)動(dòng)碟式太陽跟蹤聚光器回轉(zhuǎn)到船舶航向改變前的朝向。

5)反饋調(diào)整模塊。利用光電二極管的輸出，判斷碟式聚光器的軸線是否正對(duì)太陽，通過碟式聚光器軸線與理想位置的偏差調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從而調(diào)整聚光器的位置，使聚光器主光軸指向太陽。如圖3所示，裝置采用4個(gè)光電二極管作為傳感器來檢測(cè)光強(qiáng)的變化，跟蹤太陽的位置，進(jìn)行誤差校正。

圖3 光電二極管跟蹤太陽原理

4個(gè)完全相同的光電二極管封裝于一個(gè)高壁圓筒傳感器盒內(nèi)，均勻分布在東南西北4個(gè)方位處，并沿靠近筒壁布置，圓筒有一定高度遮擋斜射的太陽光。傳感器盒固定在聚光器邊緣面上，用來監(jiān)測(cè)太陽光。其中PD1和PD2這2個(gè)光電二極管用于檢測(cè)東西方向光線變化，調(diào)整太陽碟式聚光器東西方向角，即方位角；PD3和PD4這2個(gè)光電二極管則用于調(diào)整太陽碟式聚光器南北方向角，即高度角。檢測(cè)電路見圖4 示。

圖4 檢測(cè)電路

當(dāng)太陽光垂直照射到聚光器表面時(shí)，PD1和PD2接受的太陽輻射強(qiáng)度相同，經(jīng)比較器后輸出信號(hào)為零；當(dāng)太陽光偏離聚光器主光軸時(shí)，PD1和PD2接受的太陽輻射強(qiáng)度不同，經(jīng)比較器后輸出偏差信號(hào)，完成信號(hào)采樣過程。偏差信號(hào)通過運(yùn)放及相應(yīng)保護(hù)電路，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)偏差信號(hào)的正負(fù)和大小決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，直到小于精度允許范圍，電機(jī)停止動(dòng)作。特別地，當(dāng)東西方位或南北方位的兩個(gè)光電傳感器感受到的光強(qiáng)差值偏差數(shù)字信號(hào)絕對(duì)值小于某個(gè)設(shè)定閥值時(shí)，單片機(jī)不發(fā)出讓電機(jī)動(dòng)作的信號(hào);當(dāng)光強(qiáng)差值偏差數(shù)字信號(hào)絕對(duì)值超過設(shè)定閥值時(shí)，單片機(jī)才發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣控制的目的是提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

6)天氣模塊。主要用于海面天氣狀態(tài)的檢測(cè)，如光強(qiáng)、風(fēng)速和陰雨等。當(dāng)海面風(fēng)速達(dá)到或大于設(shè)定值時(shí)，STM32 F3單片機(jī)發(fā)出指令，通過接口電路驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向使碟式聚光器受風(fēng)面積最小，從而保證系統(tǒng)的安全，海面風(fēng)速信息通?？梢詮鸟{駛臺(tái)獲取。當(dāng)系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)環(huán)境光強(qiáng)小于設(shè)定的最小經(jīng)濟(jì)發(fā)電光強(qiáng)時(shí)，船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置做出相應(yīng)處理，等待光強(qiáng)達(dá)到設(shè)定閥值時(shí)再次運(yùn)行。

3.2 跟蹤控制原理

跟蹤系統(tǒng)采用高度角-方位角雙軸混合跟蹤的控制方式，通過GPS接收器，實(shí)時(shí)獲得船舶所在地的經(jīng)緯度以及UTC時(shí)間；通過開環(huán)的程序跟蹤，計(jì)算出太陽高度角和方位角，確定太陽當(dāng)前的位置；輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的水平與俯仰電機(jī)，使碟式聚光器達(dá)到預(yù)期位置，完成視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的初步跟蹤；當(dāng)船舶航向改變時(shí)，電子羅盤通過接口輸出角度變化量，由單片機(jī)采集電子羅盤輸出的角度值，進(jìn)行各種判斷、處理，同時(shí)發(fā)出指令給回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)碟式聚光器回轉(zhuǎn)到船舶航向改變前的朝向；采用光電二極管對(duì)碟式聚光器做自動(dòng)定位和誤差校正，進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)光電跟蹤。通過微調(diào)聚光器的位置，確保太陽光通過碟式聚光器聚焦都落在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的接收器上，以保證發(fā)電裝置光電轉(zhuǎn)換效率的最大化。跟蹤系統(tǒng)組成原理框圖見圖5。

以STM32 F3為主控制器，實(shí)現(xiàn)混合控制的主程序是一個(gè)無限循環(huán)程序，它能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行后根據(jù)太陽角度調(diào)整船用碟式斯特林太陽能發(fā)電裝置碟式太陽跟蹤聚光器的方位，根據(jù)反饋信號(hào)進(jìn)行微調(diào)，產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽跟蹤。當(dāng)監(jiān)測(cè)到有中斷產(chǎn)生時(shí)，主程序停止運(yùn)行，中斷程序設(shè)計(jì)包括天氣危害檢測(cè)處理、船舶航向改變處理和超出跟蹤時(shí)間區(qū)間處理等，中斷程序完成后再回到主程序。主程序流程見圖6。

圖5 跟蹤系統(tǒng)組成原理

圖6 主程序流程圖設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

在實(shí)際船舶航行試驗(yàn)中，采用直徑為1.5 m的碟式聚光反射鏡作為聚光器，聚光跟蹤控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確將太陽光斑匯集聚焦到斯特林發(fā)電機(jī)的接收器上，隨著太陽角度變化及船舶航向的變化，該光斑能夠一直保持在斯特林發(fā)電機(jī)的接收器上。光斑的偏離誤差保持在1 cm以內(nèi)，系統(tǒng)的跟蹤精度控制在1°以內(nèi)，滿足了船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電要求，實(shí)現(xiàn)了船舶在航行過程中對(duì)太陽的全自動(dòng)跟蹤，顯著提高了船用碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置對(duì)太陽能的利用效率，聚光器接收到的太陽輻射總量較固定式平均提高了約30%，初步達(dá)到了預(yù)期目的。

為了使碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術(shù)更好地應(yīng)用于船舶上，今后應(yīng)當(dāng)在提高太陽跟蹤控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低斯特林發(fā)電機(jī)成本兩個(gè)方面還應(yīng)該更加深入地開展實(shí)驗(yàn)研究工作。

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