斯特林太阳能发电阳光跟踪控制系统设计

摘要： 针对碟式斯特林太阳能发电系统阳光跟踪问题，设计了基于DCS体系的阳光跟踪控制系统。该系统采用PSD传感器和硬件计算电路实现光电检测，采用ARM处理器实现UI控制器模块、数据中心模块和运动控制模块的设计，各模块独立完成运算和处理功能，通过CAN总线进行通讯。在所设计硬件平台上，设计光电跟踪测控程序和视日运动轨迹跟踪程序。所设计测控系统成功应用于实际斯特林太阳能发电系统，运行稳定可靠，精度高。

Abstract： For problem of sunlight tracking， a new sunlight tracking control system based on DCS structure is designed. PSD position sensor is selected and corresponding calculation circuit is designed. The control system includes UI controller， calculation center and motion controller， each of them is designed based on ARM processer， and CAN bus is used to transfer data and commands. Photoelectric tracking program and solar orbit tracking program are designed based on designed hardware. The measuring and control system has been used on Stirling solar power system successfully， and the system operation is stable and reliable， the tracking precision is high.

关键词： 斯特林发动机；太阳能；光电跟踪；运动轨迹跟踪；ARM

Key words： stirling engine；solar；photoelectric tracking；motion orbit tracking；ARM

中图分类号：TH—39 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）27—0045—03

0 引言

斯特林太阳能发电是一种热能发电方式，该方式以太阳热能作为斯特林发动机的动力来源，从而带动发电机进行发电[1—4]。和传统的光伏发电相比，斯特林太阳能发电的效率要比光伏发电要高，同时成本比光伏发电要低。由于这些优点，今年来斯特林太阳能发电系统受到越来越多的关注。

目前斯特林太阳能发电系统主要采用碟式结构。碟式结构通过反光镜将太阳光聚集在集热盘上，利用集热盘的高温热能作为斯特林发动机的动力来源。为了实现太阳能利用率极大化，碟架需要动态的跟踪太阳位置，这样对于碟式斯特林太阳能发电系统来说，高精度的阳光检测传感器和完善的控制系统对发电效率影响很大。

本文在碟式太阳能发电系统基础上，研究设计了阳光检测电路，并对整个太阳跟踪系统的硬件和软件进行了设计。

1 阳光跟踪原理

本系统阳光跟踪是通过透光孔透射光斑，通过传感器检测光斑和中心位置的偏差，计算太阳方位并进行太阳跟踪。检测原理如图1所示。

设暗室高度H，光斑和中心轴线偏差L，则太阳偏差角度为

θ=tan—1（■）（1）

光电传感器检测到的光斑坐标是二维的，因此太阳偏差角通过θx和θy表示，因此式（1）扩展为式（2）：

θ■=tan■（■）θ■=tan■（■）（2）

式中：L■为光斑沿x向偏离量，L■为光斑沿y向偏离量。

检测到太阳偏离角后，控制系统调节执行机构，将光斑调整到中心位置。系统控制原理如图2所示。

2 光电检测部分

光电检测部分主要完成光斑位置检测，为控制系统提供实际太阳位置，供控制系统判别控制。光电检测部分传感器采用PSD传感器。PSD（Position sensitive Detectors）是一种新型的半导体光电位置敏感器件，它能把成像在敏感面上的光斑位置信号转换为电信号输出，该传感器抗干扰能力强、分辨率高、精度高、响应快，特别适合用于跟踪太阳光线[5][6]。传感器外观如图3所示。

PSD有X1、X2、Y1、Y2四个电极输出引脚，将PSD传感器放入开有一个光孔的暗盒内，当一束光落在PSD上坐标为（x，y）位置时，如图4所示，输出电流和位置的关系分别满足式（3）和式（4）。

■=■（3）

■=■（4）

根据上述公式，通过计算四路光电流，就可以得到光斑位置，即得到当前太阳的位置关系。处理电路的设计如图5所示。

PSD的4路光电流输出信号首先进行I/V变换，将电流信号转变为电压信号，然后分别进行加法和减法处理。前级加减运算结果再送入AD734进行除法运算，最后经过AD转换后送入单片机。单片机最终通过RS485接口实时地将太阳的对应关系送入太阳跟踪控制系统。

3 系统总体硬件设计

阳光跟踪系统采用模块化设计思路进行设计。根据功能的划分将整个系统分为UI控制器模块，数据中心模块，运控控制模块三部分。其中UI控制器模块提供人机交互功能，数据中心模块提供数据运算处理和控制指令发送等功能，运动控制模块实现执行机构驱动功能。三个模块均自带处理器，能独立完成相应功能，各模块之间通过CAN总线进行连接，构成了集散（DCS）测控框架。CAN是一种现场总线，实时性、可靠性、抗干扰性都很优秀。采用模块化的方式虽然增加了系统硬件的复杂性，但是改善了系统的可维护性和可靠性。系统硬件原理框图如图6所示。