皇明太陽(yáng)能股份有限公司 ■ 劉培先孫延樂 林超 張?jiān)仆?尹清洋

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基于單片機(jī)的小型
槽式太陽(yáng)能集熱器跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

皇明太陽(yáng)能股份有限公司 ■ 劉培先*孫延樂 林超 張?jiān)仆?尹清洋

摘 要：闡述了太陽(yáng)能小型槽式集熱器自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)過程，解決了小型槽式集熱器自動(dòng)跟蹤的問題。采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和過程控制，采用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，在大幅度降低成本的同時(shí)，保證了跟蹤系統(tǒng)的精度，對(duì)于小型槽式集熱器在太陽(yáng)能中溫領(lǐng)域的推廣起到了極大的推動(dòng)作用。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能聚光；小型槽式；太陽(yáng)能集熱器；單片機(jī)；追日跟蹤

0 引言

隨著食品加工、塑料加工、玻璃加工、化學(xué)工業(yè)、造紙工業(yè)、木材加工、合成橡膠、紡織工業(yè)等需求蒸汽的行業(yè)中利用太陽(yáng)能取熱的愿求漸趨強(qiáng)烈，太陽(yáng)能中溫領(lǐng)域逐漸發(fā)展起來。因?yàn)橛邢到y(tǒng)穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能小型槽式集熱器成為太陽(yáng)能中溫領(lǐng)域的首選。但現(xiàn)有的槽式集熱器跟蹤控制系統(tǒng)存在一定的缺點(diǎn)：1)多數(shù)沿用槽式集熱器的基于PLC的跟蹤控制系統(tǒng)，成本過高，不利于其大面積的推廣和商業(yè)化應(yīng)用；2)一部分采用光敏傳感器作為采集信號(hào)的跟蹤控制系統(tǒng)，跟蹤精度不高，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定；3)多數(shù)控制系統(tǒng)只能一對(duì)一地控制單組集熱器跟蹤，易造成資源浪費(fèi)及成本提高。根據(jù)小型槽式集熱器自身的特點(diǎn)及對(duì)輸出溫度要求相對(duì)不高的情況，本文提出基于單片機(jī)的太陽(yáng)能小型槽式跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)合天文學(xué)(太陽(yáng)高度角、方位角)公式[1]和傾角傳感器控制減速箱在渦輪蝸桿及電磁離合器的配合下，帶動(dòng)多組小型槽式集熱器自動(dòng)追日跟蹤，并對(duì)跟蹤精度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 電氣控制系統(tǒng)總體方案

本跟蹤系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。

1.1 硬件部分

硬件部分通過設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)，其中電路設(shè)計(jì)主要包括以下幾部分。

1)傾角采集電路的設(shè)計(jì)：此部分電路要實(shí)現(xiàn)的功能是通過傾角傳感器判斷小型槽式集熱器的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給單片機(jī)。為了保證信號(hào)采集精度，本系統(tǒng)采用的傾角傳感器分辨率為0.06°。

2)接近開關(guān)采集電路的設(shè)計(jì)：此部分電路要實(shí)現(xiàn)的功能是通過接近開關(guān)消除小型槽式集熱器跟蹤過程中積累的機(jī)械誤差，將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給單片機(jī)。

3)單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)根據(jù)用戶實(shí)際情況需要控制1個(gè)或多個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)單片機(jī)接收到傾角檢測(cè)電路采集到的信號(hào)后根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行判斷，然后控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。

4)通訊電路的設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)需要與觸摸屏或其他上位進(jìn)行通訊，根據(jù)特定情況采用RS-232-C或RS-485串口通訊[2]。

1.2 系統(tǒng)硬件工作原理

本系統(tǒng)硬件部分包括：輸入單元、控制單元、輸出單元和人機(jī)交互單元。輸入單元包括傾角傳感器、接近開關(guān)、數(shù)據(jù)采集電路；控制單元包括單片機(jī)、電源轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路、通訊模塊；輸出單元包括繼電器、直流電機(jī)、電源轉(zhuǎn)換電路、電磁離合器；人機(jī)交互單元由觸摸屏作為上位控制，可以手、自動(dòng)控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。具體如圖1所示，其中，輸入單元通過數(shù)據(jù)采集電路采集傾角傳感器和接近開關(guān)信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給控制單元中的單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)內(nèi)部設(shè)定程序判斷后控制輸出單元中繼電器的通斷，從而進(jìn)一步控制直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。

圖1　控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

1.3 軟件部分

軟件部分通過程序編寫實(shí)現(xiàn)，其中單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一是上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，二是下位機(jī)程序設(shè)計(jì)。本文采用觸摸屏作為上位控制，選用基于STM32F103VE 型號(hào)的ARM 單片機(jī)芯片控制器作為下位機(jī)，通訊方式采用RS-232-C。觸摸屏操作界面如圖2所示。

圖2　觸摸屏操作界面

觸摸屏可控制小型槽式集熱器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，還可通過補(bǔ)償值輸入、延遲值輸入、集熱器轉(zhuǎn)動(dòng)角度值輸入及經(jīng)緯度輸入對(duì)小型槽式集熱器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試及修正。

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)通過傾角采集電路和接近開關(guān)采集電路分別采集傾角傳感器和接近開關(guān)的信號(hào)，然后將采集到的傾角傳感器的實(shí)測(cè)角度值與單片機(jī)根據(jù)天文學(xué)(太陽(yáng)高度角、方位角)公式計(jì)算得出的理論角度值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)實(shí)測(cè)角度值與理論角度值的差值大于或小于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器的通斷，以此控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)，進(jìn)而直流電機(jī)通過渦輪蝸桿帶動(dòng)多組小型槽式集熱器跟蹤太陽(yáng)。程序流程如圖3所示。

為了消除每日的積累誤差，在每日太陽(yáng)升起或重新上電后，單片機(jī)控制直流電機(jī)反轉(zhuǎn)(由東向西為正轉(zhuǎn))，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)至某組接近開關(guān)信號(hào)與設(shè)定信號(hào)相同時(shí)，單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)的電磁離合器吸合，此時(shí)，此組的小型槽式集熱器因與渦輪蝸桿分離而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，直到全部組列的小型槽式集熱器轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定位置(集熱器開口朝向正東)，即本系統(tǒng)中所有電磁離合器全部吸合時(shí)，直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，停頓5 s消除慣性后，單片機(jī)根據(jù)采集的傾角傳感器的實(shí)測(cè)角度值與理論角度值的差值比對(duì)后的結(jié)果控制集熱器追日跟蹤[3]。

跟蹤系統(tǒng)中天文學(xué)(太陽(yáng)高度角、方位角)公式的選擇也很重要，會(huì)從根源上影響整個(gè)系統(tǒng)的精度。一般公式存在以下的積累誤差：一是對(duì)平年和閏年不加區(qū)分，閏年的影響有累計(jì)效應(yīng)，會(huì)逐步增長(zhǎng)；二是所需要的數(shù)值會(huì)因所在地點(diǎn)的地理經(jīng)度及具體時(shí)刻而不同。為了處理以上的積累誤差，選用我國(guó)氣象科學(xué)院王柄忠研究員所提出的計(jì)算公式，公式對(duì)年度、經(jīng)度、時(shí)刻都進(jìn)行了修正。

圖3　程序流程

2 系統(tǒng)跟蹤精度及穩(wěn)定性分析

為了節(jié)約土地面積，最大化體現(xiàn)小型槽式集熱器的優(yōu)勢(shì)，集熱器被安裝在德州皇明真空管廠樓頂，如圖4所示。

圖4　小型槽式集熱器實(shí)物圖

在2014年5～8月份之間，選取滿足天氣晴朗，風(fēng)力≤3級(jí)的時(shí)段對(duì)小型槽式集熱器進(jìn)行光斑測(cè)量，得到跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際精度。具體方法為：將不銹鋼板制作的光靶安裝在小型槽式集熱器的焦線處，測(cè)量光靶上光斑的中心線到光靶中心線的距離，采用公式(1)計(jì)算系統(tǒng)跟蹤精度。光靶上的光斑如圖5所示。

圖5　光斑

根據(jù)幾何關(guān)系，跟蹤系統(tǒng)精度為：

式中，α為系統(tǒng)跟蹤精度；d為光斑中心線到光靶中心線的距離；D為小型槽式集熱器焦距。

具體數(shù)據(jù)如表1所示，其中每日精度為當(dāng)日的平均精度。可看出，光斑中心線到光靶中心線的距離d在1.69～2.52 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，跟蹤系統(tǒng)精度α保持在2.45～3.65 mrad的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性及較高的跟蹤精度。

表1　小型槽式集熱器跟蹤系統(tǒng)測(cè)試

3 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)外在太陽(yáng)能跟蹤方式上主要采用：視日軌跡(天文學(xué)公式)跟蹤、光電跟蹤、基于數(shù)字圖像處理的跟蹤和混合跟蹤等[4]。綜合考慮太陽(yáng)能小型槽式集熱器本身對(duì)于集熱溫度(80～120 ℃)要求不高的特點(diǎn)，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤精度與成本問題3者關(guān)系對(duì)其在中溫領(lǐng)域推廣的影響，本文采用基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，以視日軌跡(天文學(xué)公式)跟蹤方式，成功解決了其自動(dòng)跟蹤過程中出現(xiàn)的降低成本與提高跟蹤精度、降低成本與保持穩(wěn)定性之間合理控制的問題，對(duì)于太陽(yáng)能小型槽式集熱器在中溫領(lǐng)域的應(yīng)用起到極大地推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王炳忠. 第一講太陽(yáng)能中天文參數(shù)的計(jì)算[J]. 太陽(yáng)能, 1999, (2): 8－10.

[2] 王東江, 劉亞軍. 太陽(yáng)跟蹤自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)字與技術(shù)應(yīng)用, 2010, (7): 19－26.

[3] 魯硯青, 虎恩典. 基于PLC的槽式拋物面太陽(yáng)能集熱器單軸跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 科技和產(chǎn)業(yè), 2014, 14(5): 128－132.

[4] 王林軍, 邵磊, 門靜, 等. 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào), 2014, 35(1): 283－287.

通信作者：劉培先 (1986—)，男，本科，主要從事太陽(yáng)能光熱發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)方向的研究。lpxn123@126.com

收稿日期：2015-10-30