碟式太陽能聚光器跟蹤系統(tǒng)研究(上)

湖南科技大學(xué) 湖南省機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ■ 彭長清 彭佑多 謝偉華 尹喜 黃軍衛(wèi)

一 引言

碟式太陽能熱發(fā)電是太陽能熱發(fā)電中光電轉(zhuǎn)換效率最高的一種方式，跟蹤太陽可大大提高碟式太陽能的利用率。香港大學(xué)建筑系的SCM HUI和KP Cheung教授研究了太陽光角度與太陽能接收率之間的關(guān)系，研究表明：跟蹤與非跟蹤太陽時(shí)能量接收率相差37.7%，精確地跟蹤太陽可大大提高接收器的熱效率[1]。據(jù)國外研究，單、雙軸跟蹤系統(tǒng)與固定式系統(tǒng)相比分別能增加25%和41%的功率輸出[2]。雖然跟蹤系統(tǒng)與固定式系統(tǒng)相比更復(fù)雜、成本更高，但它可通過增加年輸出功率而有效降低成本。因此，研究碟式太陽跟蹤控制意義重大。

本文概括總結(jié)了太陽跟蹤系統(tǒng)的主要控制方式和控制結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了目前在太陽跟蹤系統(tǒng)中普遍采用的光控、程控和混合控制方式。分析了碟式熱發(fā)電系統(tǒng)中光控+時(shí)控+GPS控制的新型混合控制方式，并根據(jù)太陽跟蹤系統(tǒng)存在的主要問題，提出了碟式太陽能聚光器跟蹤系統(tǒng)的研究關(guān)鍵。

二 跟蹤控制方式及研究概況

1光電傳感器跟蹤控制方式(光控)

光控是把來自不同位置的光電傳感器上的太陽輻射強(qiáng)度模擬信號放大處理后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再送入處理器，處理器比較兩組偏差信號的正負(fù)和大小后輸出相應(yīng)的相序代碼，控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向和角度來控制聚光器運(yùn)動(dòng)，使其始終正對著太陽。光控的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，能實(shí)時(shí)測量太陽光的方向。但光控有一個(gè)難以克服的缺點(diǎn)是易受天氣影響，多云、陰雨天氣找不到太陽的正確位置時(shí)需要人工干預(yù)。

在太陽跟蹤系統(tǒng)中采用光電傳感器的控制方式及所開展的相應(yīng)研究工作較多。2002年美國亞利桑那大學(xué)推出了一種新型太陽能跟蹤裝置，該裝置通過光傳感器和光電檢測電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入單片機(jī)，單片機(jī)輸出控制信號控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)跟蹤[3]。楊培環(huán)[4]采用光電傳感器作為探測元件，實(shí)時(shí)探測太陽位置并將信號送達(dá)核心處理芯片，完成對太陽位置的探測和跟蹤。許守平、王岱[5,6]設(shè)計(jì)了一種把四個(gè)性能完全相同的光電二極管按照直角坐標(biāo)要求排列而成的四象限太陽位置光電傳感器探測裝置。薛建國[7]構(gòu)建了由光電二極管檢測和比較，以單片機(jī)控制方位角和高度角且跟蹤精度較高的雙軸跟蹤系統(tǒng)，此系統(tǒng)在晴天檢測時(shí)能自動(dòng)跟蹤太陽并實(shí)時(shí)儲存正確數(shù)據(jù)，消除因季節(jié)變化而產(chǎn)生的累積誤差，在陰天時(shí)能自動(dòng)引用晴天時(shí)的位置。

為提高跟蹤精度，梁勇等人[8,9]設(shè)計(jì)了一種在傳統(tǒng)一級光電傳感器跟蹤的基礎(chǔ)上加四個(gè)性能相同的光電池進(jìn)行粗定位跟蹤的兩級光電傳感器跟蹤方案。通過四片光電池受到的輻照度產(chǎn)生差異來實(shí)現(xiàn)對跟蹤裝置的粗略定位，再根據(jù)安裝的精定位光電池的輸出進(jìn)行精確定位。第一級探測太陽方位的視角大，能夠很好地適應(yīng)太陽出現(xiàn)的隨機(jī)性，減少機(jī)械磨損和降低系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能耗。與傳統(tǒng)方式相比，兩級跟蹤方案具有跟蹤范圍大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)；與程控相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、設(shè)計(jì)簡便等優(yōu)點(diǎn)。

通過比較現(xiàn)有的太陽光線檢測方式和跟蹤方式，并基于圖像處理跟蹤方法對太陽的定位準(zhǔn)確度較高，具有提高跟蹤精度等特點(diǎn)。近年來在光控研究方面有人提出以圖像傳感器代替光敏電阻等光電傳感器來實(shí)現(xiàn)對太陽光線角度的檢測。

Abraham Kribus[10]提出采用圖像處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)聚光器的跟蹤定位。由于圖像傳感器采集光斑圖像并輸出數(shù)字圖像信號，處理器對該信號進(jìn)行處理，計(jì)算出太陽光線相對于接收屏偏轉(zhuǎn)的高度角和方位角，DSP根據(jù)偏轉(zhuǎn)角度通過步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使其始終正對著太陽。因此該裝置能夠高效接收檢測到的太陽光，跟蹤精度高。趙志剛等人[11]設(shè)計(jì)了一種基于CMOS圖像傳感器的全自動(dòng)便攜式太陽輻射計(jì)，此系統(tǒng)具有定位精度高、可自由規(guī)定零點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。劉麗微[12]提出了基于CMOSOV767O圖像傳感器和TMS320LF2407A DSP數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)太陽跟蹤的方案。

2 程序、時(shí)間、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制方式(程控)

程控是通過控制器根據(jù)時(shí)間和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度按相應(yīng)的公式和參數(shù)計(jì)算出太陽的實(shí)時(shí)方位，再計(jì)算出跟蹤裝置被要求的位置，然后控制器輸出控制信號給驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到要求的位置，從而實(shí)現(xiàn)對太陽高度角和方位角的實(shí)時(shí)跟蹤。程控的優(yōu)點(diǎn)是在有云時(shí)仍能正常工作，缺點(diǎn)是存在累積誤差，并且自身不能消除。程控不對陰天、晴天加以區(qū)分，只是按程序設(shè)定的時(shí)間定時(shí)啟動(dòng)跟蹤裝置，跟蹤系統(tǒng)的能耗較大；另外，控制時(shí)間間隔的限定和機(jī)械操作的微小誤差，會導(dǎo)致長時(shí)間的累積誤差，造成聚光器偏離太陽方位。一般在太陽輻照度較低，光控難以響應(yīng)太陽位置的變化時(shí)采用程控。在美國加州建成的10 MW太陽Ⅰ號塔式電站，就是使用程控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)跟蹤的[13]。

中國科學(xué)院上海物理技術(shù)研究所研制了二維程控太陽跟蹤控制系統(tǒng)，該裝置通過對太陽運(yùn)行軌跡理論的分析和研究，確定了太陽跟蹤器的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過微機(jī)控制實(shí)現(xiàn)太陽的跟蹤[14]。綦慧等人[15]采用傳統(tǒng)的視日運(yùn)動(dòng)跟蹤法設(shè)計(jì)完成了基于XC3S1500 開發(fā)板的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。舒志兵等[16]設(shè)計(jì)了一種基于歐姆龍PLC的太陽能跟蹤系統(tǒng)，控制器根據(jù)相關(guān)的公式和參數(shù)計(jì)算出白天太陽的位置，再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤太陽。于鵬程等人[17]基于32位ARM微控制器構(gòu)建平臺，依據(jù)高精度的太陽位置算法，通過步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)程控跟蹤方式實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)跟蹤。他們的設(shè)計(jì)大大提高了跟蹤的精度，對于實(shí)現(xiàn)大型太陽能熱發(fā)電具有重要意義。王海鵬等人[18]設(shè)計(jì)并制作了一種以單片機(jī)為核心的新型太陽自動(dòng)跟蹤裝置。該裝置根據(jù)地理緯度、太陽赤緯角和太陽時(shí)角計(jì)算出太陽高度角和方位角，從而控制步進(jìn)電機(jī)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聚光器自動(dòng)跟蹤太陽的目的。該裝置具有電路簡單、工作穩(wěn)定、受外界條件影響較小等優(yōu)點(diǎn)。

3 光控和程控相結(jié)合的混合跟蹤控制方式

光控和程控相結(jié)合的混合跟蹤控制方式克服了程控存在累積誤差，光控受天氣變化影響大的缺點(diǎn)。它通過程序計(jì)算聚光鏡位置，傳感器進(jìn)行校正，避免累積誤差。在無云時(shí)使用光控，當(dāng)云遮擋太陽時(shí)，啟動(dòng)程控，直到云過后，再重新使用光控，這樣就能夠得到最佳的跟蹤效果。由于混合跟蹤控制具有較高的跟蹤精度，在實(shí)際應(yīng)用中越來越多地采用這種聯(lián)合控制的方法[19]。

國家氣象計(jì)量站采用傳感器定位和太陽運(yùn)行軌跡定位相結(jié)合的方式，研制了具有全自動(dòng)、全天候、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)的FST型太陽跟蹤器，充分保證了太陽輻射觀測的需要[20]。趙麗偉等[21～25]提出了一種光電跟蹤(最大光照度測定)與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤(日歷跟蹤、時(shí)鐘跟蹤)互補(bǔ)控制的混合跟蹤控制方式，晴天選擇跟蹤靈敏度高的光電跟蹤方式，陰天或多云時(shí)，則切換到視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單、跟蹤精度高、范圍大，但容易受到其他光線的干擾，不能很好地判斷晴天太陽被遮擋的情況時(shí)啟用哪種方式較好。許守平等人[26]設(shè)計(jì)了一種以四象限光電探測器作為太陽傳感器檢測實(shí)際太陽位置并和太陽運(yùn)行軌跡定位相結(jié)合的混合控制方法。該方法具有精度高、價(jià)格低、便于自動(dòng)控制、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。尤金正[27]設(shè)計(jì)了一種新型的以視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤為主，采用圖像傳感器作為閉環(huán)部分傳感元件獲取跟蹤偏差的閉環(huán)式雙軸太陽跟蹤控制器。此跟蹤控制器在可靠性、跟蹤精度、抗干擾性等方面均得到了有效的提高。

傳統(tǒng)的混合跟蹤方式是在晴天時(shí)采用光控，云天時(shí)采用程控，雖消除了光控受天氣影響較大的問題，但沒有解決程控誤差累積的問題。

夏小燕[28]提出在程控的基礎(chǔ)上應(yīng)用兩個(gè)高精度角度傳感器的跟蹤方案。當(dāng)跟蹤裝置開始運(yùn)行時(shí)，用兩片高精度角度傳感器初始定位，在運(yùn)行當(dāng)中，以程序控制為主，角度傳感器瞬時(shí)測量值作反饋，對程序進(jìn)行累積誤差修正。這種跟蹤方案跟蹤精度高、工作過程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型太陽能發(fā)電裝置。但算法復(fù)雜，高精度角度傳感器成本高，對于需要降低成本的小型碟式系統(tǒng)來說，該種方法并不十分適用。吳小所等人[29]提出在陰雨天氣僅采用傳感器跟蹤，而在晴天采用程序跟蹤和傳感器校正跟蹤相結(jié)合的混合跟蹤方法。首先進(jìn)行程序跟蹤，在滿足特定光強(qiáng)的條件下，通過光檢測電路對程序跟蹤的結(jié)果進(jìn)行校正跟蹤，從而達(dá)到閉環(huán)控制的目的，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的跟蹤精度。王尚文等人[30～34]提出采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡作為初調(diào)節(jié)，光電跟蹤作為精密調(diào)節(jié)的混合跟蹤方式。整個(gè)跟蹤過程中傳感器不斷檢測光線強(qiáng)度是否滿足設(shè)定的傳感器跟蹤閾值，若滿足，則進(jìn)入傳感器精確跟蹤；否則，仍處于粗跟蹤狀態(tài)。粗定位由程序控制，不存在跟蹤死區(qū)，跟蹤范圍廣；精定位采用傳感器檢測，無累積誤差，跟蹤精度高。這種系統(tǒng)有效避免了視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的誤差累積和光電跟蹤過程中長時(shí)間陰天而使系統(tǒng)誤動(dòng)作的問題。由于跟蹤傳感裝置結(jié)構(gòu)簡單、跟蹤方法易于實(shí)現(xiàn)，且傳感器價(jià)格低廉，有望應(yīng)用于高聚光型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。任超[35]提出將光控和程控同時(shí)用在一次跟蹤動(dòng)作里。系統(tǒng)實(shí)際跟蹤軌跡值由視日運(yùn)動(dòng)軌跡理論計(jì)算值、預(yù)修正量和光電跟蹤產(chǎn)生的對預(yù)修正量進(jìn)行調(diào)整的調(diào)整量確定，一次跟蹤結(jié)束后，系統(tǒng)將本次光電跟蹤的調(diào)整量累加到預(yù)修正量中，進(jìn)行系統(tǒng)誤差的消除。當(dāng)光電跟蹤產(chǎn)生的調(diào)整量為零，系統(tǒng)以視日運(yùn)動(dòng)軌跡理論計(jì)算值和之前確定的預(yù)修正量進(jìn)行跟蹤，此時(shí)的跟蹤角度可認(rèn)為是最佳角度，這既提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性又提高了跟蹤精度。并且由于有了光電跟蹤的修正，太陽自動(dòng)跟蹤裝置在安裝時(shí)不必嚴(yán)格要求聚光器正對當(dāng)?shù)卣戏角宜剑⑶已b置發(fā)生基礎(chǔ)變形與控制過程積累產(chǎn)生的誤差也能得到修正，因此大大降低了設(shè)備的安裝成本，提高了使用可靠性。

4 光控+時(shí)控+GPS跟蹤控制方式

目前碟式熱發(fā)電系統(tǒng)聚光器的跟蹤控制方式和塔式電站中定日鏡的跟蹤控制方式完全相同，大多采用光控和程控相結(jié)合的混合跟蹤控制方式。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中提出了一種采用光控+時(shí)控+GPS控制高度角——方位角式的新型全跟蹤混合控制方式。

此控制方案的設(shè)計(jì)思路：跟蹤裝置首先通過GPS控制方式準(zhǔn)確跟蹤到當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和時(shí)間，系統(tǒng)程序可以計(jì)算出此時(shí)的太陽高度角、方位角理論計(jì)算值，當(dāng)日的日出時(shí)間、日落時(shí)間，然后啟動(dòng)一級光電傳感器粗略跟蹤，即通過光電檢測電路判斷太陽光強(qiáng)大小是否滿足光電跟蹤的光強(qiáng)電壓。當(dāng)光強(qiáng)信號達(dá)到光電跟蹤時(shí)啟動(dòng)二級光電傳感器精確跟蹤，即程序通過跟蹤傳感器判斷聚光器與太陽光是否垂直，如果垂直，保持當(dāng)前聚光器的偏轉(zhuǎn)角度；若不垂直，將聚光器的朝向與太陽的高度角、方位角理論計(jì)算值傳送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)高度角和方位角步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將太陽能聚光器調(diào)整至正對太陽的位置。否則進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式。這是完整的一步跟蹤過程。一定時(shí)間間隔后，如10min后，再次完成一步跟蹤動(dòng)作。時(shí)間間隔的選擇視具體情況而定，如機(jī)械機(jī)構(gòu)的精度、日照時(shí)間的長短、步進(jìn)電機(jī)步距角的選擇等。在本系統(tǒng)里預(yù)采用9～10min。在日落那一刻，控制程序控制步進(jìn)電機(jī)將聚光器轉(zhuǎn)回基準(zhǔn)位置。系統(tǒng)繼續(xù)工作，但不再驅(qū)動(dòng)聚光器轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)時(shí)間到日出那一刻時(shí)，控制程序再次發(fā)送脈沖控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)將聚光器轉(zhuǎn)動(dòng)到日出的位置，然后再以一定的時(shí)間間隔完成，一步步跟蹤動(dòng)作直至日落。如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)全天候、全自動(dòng)對太陽的精確跟蹤，此功能可在軟件中通過控制程序?qū)崿F(xiàn)。整個(gè)跟蹤過程中一級光電傳感器粗略跟蹤電路不斷檢測光線強(qiáng)度是否滿足設(shè)定的光強(qiáng)跟蹤閾值。若滿足，則進(jìn)入二級傳感器精確跟蹤；否則，仍處于粗跟蹤狀態(tài)。

碟式太陽能跟蹤控制系統(tǒng)由GPS接收機(jī)、太陽位置傳感器、運(yùn)算控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和太陽能集熱器等組成。本系統(tǒng)里光控+時(shí)控和GPS控制的混合控制方式，克服了在陰天、多云的情況下使用傳感器跟蹤控制不穩(wěn)，而在晴天時(shí)時(shí)鐘跟蹤累計(jì)誤差大的缺點(diǎn)。交替光控、時(shí)控和GPS控制的混合控制系統(tǒng)，將抵消兩者偏差信號，提供最準(zhǔn)確的控制信號，所以能夠得到最佳的控制效果，而且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的全天候太陽的自動(dòng)跟蹤。

三 跟蹤控制結(jié)構(gòu)及研究概況

1 閉環(huán)、開環(huán)及其混合跟蹤控制結(jié)構(gòu)

常見的太陽跟蹤系統(tǒng)按照被控制量(跟蹤裝置的位置、轉(zhuǎn)角)對控制量(電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等)是否存在反饋分為閉環(huán)和開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。若存在反饋稱為閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。閉環(huán)結(jié)構(gòu)能通過反饋來消除跟蹤誤差，理論上精度更高、效率更大，但受天氣、溫度、環(huán)境的影響大，特殊環(huán)境會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不正常。若不存在反饋的稱為開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。開環(huán)結(jié)構(gòu)是按一定的程序通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)聚光器跟蹤太陽，即根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制。開環(huán)結(jié)構(gòu)雖受天氣、溫度、環(huán)境的影響小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是存在累積誤差，且自身不能消除，跟蹤精度低。陳維等人[36,37]設(shè)計(jì)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)能使當(dāng)太陽光線偏離聚光器主光軸時(shí)，安裝在聚光器上的感光元件產(chǎn)生偏差信號，經(jīng)放大處理后以反饋信號的形式送回控制器，控制器再發(fā)送指令給電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)聚光器使其對準(zhǔn)太陽。張利明同時(shí)又提出以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的開環(huán)跟蹤控制策略，設(shè)計(jì)了跟蹤效果好、運(yùn)行可靠性高的用于碟式太陽能聚光器跟蹤控制的單片機(jī)系統(tǒng)。 (待續(xù)見第4期)