碟式太阳能聚光器跟踪系统研究(上)

湖南科技大学 湖南省机械设备健康维护省重点实验室 ■ 彭长清 彭佑多 谢伟华 尹喜 黄军卫

一 引言

碟式太阳能热发电是太阳能热发电中光电转换效率最高的一种方式，跟踪太阳可大大提高碟式太阳能的利用率。香港大学建筑系的SCM HUI和KP Cheung教授研究了太阳光角度与太阳能接收率之间的关系，研究表明：跟踪与非跟踪太阳时能量接收率相差37.7%，精确地跟踪太阳可大大提高接收器的热效率[1]。据国外研究，单、双轴跟踪系统与固定式系统相比分别能增加25%和41%的功率输出[2]。虽然跟踪系统与固定式系统相比更复杂、成本更高，但它可通过增加年输出功率而有效降低成本。因此，研究碟式太阳跟踪控制意义重大。

本文概括总结了太阳跟踪系统的主要控制方式和控制结构，重点阐述了目前在太阳跟踪系统中普遍采用的光控、程控和混合控制方式。分析了碟式热发电系统中光控+时控+GPS控制的新型混合控制方式，并根据太阳跟踪系统存在的主要问题，提出了碟式太阳能聚光器跟踪系统的研究关键。

二 跟踪控制方式及研究概况

1光电传感器跟踪控制方式(光控)

光控是把来自不同位置的光电传感器上的太阳辐射强度模拟信号放大处理后送入模数转换器转换成数字信号，再送入处理器，处理器比较两组偏差信号的正负和大小后输出相应的相序代码，控制步进电机动作，从而驱动机械执行机构的转向和角度来控制聚光器运动，使其始终正对着太阳。光控的优点是灵敏度高，结构设计较为简单，能实时测量太阳光的方向。但光控有一个难以克服的缺点是易受天气影响，多云、阴雨天气找不到太阳的正确位置时需要人工干预。

在太阳跟踪系统中采用光电传感器的控制方式及所开展的相应研究工作较多。2002年美国亚利桑那大学推出了一种新型太阳能跟踪装置，该装置通过光传感器和光电检测电路将光信号转换为电信号输入单片机，单片机输出控制信号控制电机实现跟踪[3]。杨培环[4]采用光电传感器作为探测元件，实时探测太阳位置并将信号送达核心处理芯片，完成对太阳位置的探测和跟踪。许守平、王岱[5,6]设计了一种把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的四象限太阳位置光电传感器探测装置。薛建国[7]构建了由光电二极管检测和比较，以单片机控制方位角和高度角且跟踪精度较高的双轴跟踪系统，此系统在晴天检测时能自动跟踪太阳并实时储存正确数据，消除因季节变化而产生的累积误差，在阴天时能自动引用晴天时的位置。

为提高跟踪精度，梁勇等人[8,9]设计了一种在传统一级光电传感器跟踪的基础上加四个性能相同的光电池进行粗定位跟踪的两级光电传感器跟踪方案。通过四片光电池受到的辐照度产生差异来实现对跟踪装置的粗略定位，再根据安装的精定位光电池的输出进行精确定位。第一级探测太阳方位的视角大，能够很好地适应太阳出现的随机性，减少机械磨损和降低系统的驱动能耗。与传统方式相比，两级跟踪方案具有跟踪范围大、稳定性高等优点；与程控相比，具有结构简单、价格低廉、设计简便等优点。

通过比较现有的太阳光线检测方式和跟踪方式，并基于图像处理跟踪方法对太阳的定位准确度较高，具有提高跟踪精度等特点。近年来在光控研究方面有人提出以图像传感器代替光敏电阻等光电传感器来实现对太阳光线角度的检测。

Abraham Kribus[10]提出采用图像处理技术来实现聚光器的跟踪定位。由于图像传感器采集光斑图像并输出数字图像信号，处理器对该信号进行处理，计算出太阳光线相对于接收屏偏转的高度角和方位角，DSP根据偏转角度通过步进电机控制机械执行机构运动，使其始终正对着太阳。因此该装置能够高效接收检测到的太阳光，跟踪精度高。赵志刚等人[11]设计了一种基于CMOS图像传感器的全自动便携式太阳辐射计，此系统具有定位精度高、可自由规定零点等优点。刘丽微[12]提出了基于CMOSOV767O图像传感器和TMS320LF2407A DSP数字信号处理器实现太阳跟踪的方案。

2 程序、时间、视日运动轨迹跟踪控制方式(程控)

程控是通过控制器根据时间和当地的经纬度按相应的公式和参数计算出太阳的实时方位，再计算出跟踪装置被要求的位置，然后控制器输出控制信号给驱动器控制步进电机驱动机械执行机构达到要求的位置，从而实现对太阳高度角和方位角的实时跟踪。程控的优点是在有云时仍能正常工作，缺点是存在累积误差，并且自身不能消除。程控不对阴天、晴天加以区分，只是按程序设定的时间定时启动跟踪装置，跟踪系统的能耗较大；另外，控制时间间隔的限定和机械操作的微小误差，会导致长时间的累积误差，造成聚光器偏离太阳方位。一般在太阳辐照度较低，光控难以响应太阳位置的变化时采用程控。在美国加州建成的10 MW太阳Ⅰ号塔式电站，就是使用程控系统实现全天候实时跟踪的[13]。

中国科学院上海物理技术研究所研制了二维程控太阳跟踪控制系统，该装置通过对太阳运行轨迹理论的分析和研究，确定了太阳跟踪器的运动数学模型，通过微机控制实现太阳的跟踪[14]。綦慧等人[15]采用传统的视日运动跟踪法设计完成了基于XC3S1500 开发板的太阳能自动跟踪系统。舒志兵等[16]设计了一种基于欧姆龙PLC的太阳能跟踪系统，控制器根据相关的公式和参数计算出白天太阳的位置，再转化成相应的脉冲发送给伺服驱动器，驱动伺服电机实时跟踪太阳。于鹏程等人[17]基于32位ARM微控制器构建平台，依据高精度的太阳位置算法，通过步进电机的开环程控跟踪方式实现了全自动跟踪。他们的设计大大提高了跟踪的精度，对于实现大型太阳能热发电具有重要意义。王海鹏等人[18]设计并制作了一种以单片机为核心的新型太阳自动跟踪装置。该装置根据地理纬度、太阳赤纬角和太阳时角计算出太阳高度角和方位角，从而控制步进电机，通过传动机构实现聚光器自动跟踪太阳的目的。该装置具有电路简单、工作稳定、受外界条件影响较小等优点。

3 光控和程控相结合的混合跟踪控制方式

光控和程控相结合的混合跟踪控制方式克服了程控存在累积误差，光控受天气变化影响大的缺点。它通过程序计算聚光镜位置，传感器进行校正，避免累积误差。在无云时使用光控，当云遮挡太阳时，启动程控，直到云过后，再重新使用光控，这样就能够得到最佳的跟踪效果。由于混合跟踪控制具有较高的跟踪精度，在实际应用中越来越多地采用这种联合控制的方法[19]。

国家气象计量站采用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的方式，研制了具有全自动、全天候、跟踪精度高等优点的FST型太阳跟踪器，充分保证了太阳辐射观测的需要[20]。赵丽伟等[21～25]提出了一种光电跟踪(最大光照度测定)与视日运动轨迹跟踪(日历跟踪、时钟跟踪)互补控制的混合跟踪控制方式，晴天选择跟踪灵敏度高的光电跟踪方式，阴天或多云时，则切换到视日运动轨迹跟踪，这种控制方式结构简单、跟踪精度高、范围大，但容易受到其他光线的干扰，不能很好地判断晴天太阳被遮挡的情况时启用哪种方式较好。许守平等人[26]设计了一种以四象限光电探测器作为太阳传感器检测实际太阳位置并和太阳运行轨迹定位相结合的混合控制方法。该方法具有精度高、价格低、便于自动控制、适用范围广等优点。尤金正[27]设计了一种新型的以视日运动轨迹跟踪为主，采用图像传感器作为闭环部分传感元件获取跟踪偏差的闭环式双轴太阳跟踪控制器。此跟踪控制器在可靠性、跟踪精度、抗干扰性等方面均得到了有效的提高。

传统的混合跟踪方式是在晴天时采用光控，云天时采用程控，虽消除了光控受天气影响较大的问题，但没有解决程控误差累积的问题。

夏小燕[28]提出在程控的基础上应用两个高精度角度传感器的跟踪方案。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量值作反馈，对程序进行累积误差修正。这种跟踪方案跟踪精度高、工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。但算法复杂，高精度角度传感器成本高，对于需要降低成本的小型碟式系统来说，该种方法并不十分适用。吴小所等人[29]提出在阴雨天气仅采用传感器跟踪，而在晴天采用程序跟踪和传感器校正跟踪相结合的混合跟踪方法。首先进行程序跟踪，在满足特定光强的条件下，通过光检测电路对程序跟踪的结果进行校正跟踪，从而达到闭环控制的目的，进一步提高系统的跟踪精度。王尚文等人[30～34]提出采用视日运动轨迹作为初调节，光电跟踪作为精密调节的混合跟踪方式。整个跟踪过程中传感器不断检测光线强度是否满足设定的传感器跟踪阈值，若满足，则进入传感器精确跟踪；否则，仍处于粗跟踪状态。粗定位由程序控制，不存在跟踪死区，跟踪范围广；精定位采用传感器检测，无累积误差，跟踪精度高。这种系统有效避免了视日运动轨迹跟踪的误差累积和光电跟踪过程中长时间阴天而使系统误动作的问题。由于跟踪传感装置结构简单、跟踪方法易于实现，且传感器价格低廉，有望应用于高聚光型太阳能热发电系统。任超[35]提出将光控和程控同时用在一次跟踪动作里。系统实际跟踪轨迹值由视日运动轨迹理论计算值、预修正量和光电跟踪产生的对预修正量进行调整的调整量确定，一次跟踪结束后，系统将本次光电跟踪的调整量累加到预修正量中，进行系统误差的消除。当光电跟踪产生的调整量为零，系统以视日运动轨迹理论计算值和之前确定的预修正量进行跟踪，此时的跟踪角度可认为是最佳角度，这既提高了系统的稳定性又提高了跟踪精度。并且由于有了光电跟踪的修正，太阳自动跟踪装置在安装时不必严格要求聚光器正对当地正南方且水平，并且装置发生基础变形与控制过程积累产生的误差也能得到修正，因此大大降低了设备的安装成本，提高了使用可靠性。

4 光控+时控+GPS跟踪控制方式

目前碟式热发电系统聚光器的跟踪控制方式和塔式电站中定日镜的跟踪控制方式完全相同，大多采用光控和程控相结合的混合跟踪控制方式。碟式太阳能热发电系统中提出了一种采用光控+时控+GPS控制高度角——方位角式的新型全跟踪混合控制方式。

此控制方案的设计思路：跟踪装置首先通过GPS控制方式准确跟踪到当地的经纬度和时间，系统程序可以计算出此时的太阳高度角、方位角理论计算值，当日的日出时间、日落时间，然后启动一级光电传感器粗略跟踪，即通过光电检测电路判断太阳光强大小是否满足光电跟踪的光强电压。当光强信号达到光电跟踪时启动二级光电传感器精确跟踪，即程序通过跟踪传感器判断聚光器与太阳光是否垂直，如果垂直，保持当前聚光器的偏转角度；若不垂直，将聚光器的朝向与太阳的高度角、方位角理论计算值传送给驱动器，驱动器驱动高度角和方位角步进电机带动双轴驱动机构运动，双轴驱动机构负责将太阳能聚光器调整至正对太阳的位置。否则进入视日运动轨迹跟踪模式。这是完整的一步跟踪过程。一定时间间隔后，如10min后，再次完成一步跟踪动作。时间间隔的选择视具体情况而定，如机械机构的精度、日照时间的长短、步进电机步距角的选择等。在本系统里预采用9～10min。在日落那一刻，控制程序控制步进电机将聚光器转回基准位置。系统继续工作，但不再驱动聚光器转动。当时间到日出那一刻时，控制程序再次发送脉冲控制步进电机带动机械执行机构将聚光器转动到日出的位置，然后再以一定的时间间隔完成，一步步跟踪动作直至日落。如此循环往复，实现全天候、全自动对太阳的精确跟踪，此功能可在软件中通过控制程序实现。整个跟踪过程中一级光电传感器粗略跟踪电路不断检测光线强度是否满足设定的光强跟踪阈值。若满足，则进入二级传感器精确跟踪；否则，仍处于粗跟踪状态。

碟式太阳能跟踪控制系统由GPS接收机、太阳位置传感器、运算控制器、步进电机驱动器、步进电机、机械执行机构和太阳能集热器等组成。本系统里光控+时控和GPS控制的混合控制方式，克服了在阴天、多云的情况下使用传感器跟踪控制不稳，而在晴天时时钟跟踪累计误差大的缺点。交替光控、时控和GPS控制的混合控制系统，将抵消两者偏差信号，提供最准确的控制信号，所以能够得到最佳的控制效果，而且能够实现高精度的全天候太阳的自动跟踪。

三 跟踪控制结构及研究概况

1 闭环、开环及其混合跟踪控制结构

常见的太阳跟踪系统按照被控制量(跟踪装置的位置、转角)对控制量(电机转速、转角等)是否存在反馈分为闭环和开环控制结构。若存在反馈称为闭环控制结构。闭环结构能通过反馈来消除跟踪误差，理论上精度更高、效率更大，但受天气、温度、环境的影响大，特殊环境会导致系统运行不正常。若不存在反馈的称为开环控制结构。开环结构是按一定的程序通过电动机驱动聚光器跟踪太阳，即根据视日运动轨迹跟踪控制。开环结构虽受天气、温度、环境的影响小，结构简单，成本低，但是存在累积误差，且自身不能消除，跟踪精度低。陈维等人[36,37]设计的闭环结构能使当太阳光线偏离聚光器主光轴时，安装在聚光器上的感光元件产生偏差信号，经放大处理后以反馈信号的形式送回控制器，控制器再发送指令给电动机，转动聚光器使其对准太阳。张利明同时又提出以步进电机为驱动机构的开环跟踪控制策略，设计了跟踪效果好、运行可靠性高的用于碟式太阳能聚光器跟踪控制的单片机系统。 (待续见第4期)