CN107256036A - 一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统及方法 - Google Patents

一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统及方法 Download PDF

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茅大均
张伟
代宪亚
付轩熠
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Abstract

本发明涉及一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统及方法,用于太阳能自动跟踪光热发电装置中东西方向调整电机和南北方向调整电机的控制,所述的追踪控制系统包括:主控制单元:该单元根据当前光强大小判定是否启动跟踪控制;视日运动轨迹跟踪粗调单元:该单元根据当前时间计算出太阳的空间位置,进而控制东西方向调整电机和南北方向调整电机至设定位置;传感器追踪精调单元:该单元根据光强大小对反射镜支架进行精确调节,直至反射镜对准太阳;所述的视日运动轨迹跟踪粗调单元和传感器追踪精调单元均连接主控制单元。与现有技术相比,本发明将视日运动轨迹跟踪粗调和传感器追踪精调相结合,提高跟踪速度的同时提高跟踪精度。

Description

一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能追踪控制系统及方法,尤其是涉及一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统及方法。
背景技术
现阶段跟踪太阳的方式主要分为传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪。传感器跟踪主要控制过程是:通过光敏传感器采集太阳的光强信号及其偏差信号与槽式光热发电太阳能集热装置水平与垂直方向的位置偏差信号,再将其反馈给数据处理器与控制器,经过数据的处理与放大,发出驱动信号,经过驱动电路控制步进电机的转动,经过减速机构缓慢调整角度,减小偏差,高精度的传感器跟踪系统受光学系统的限制,在太阳光线偏离传感器基准轴线一定角度后就无法跟踪。
而视日运动轨迹跟踪则是将太阳位置受时间、季节、所在地区经纬度等因素综合考虑。视日运动轨迹跟踪是根据某处地理位置、时间等利用已有数据,算法,计算出当前太阳位置,并根据计算结果驱动聚光器向目标点运动。视日运动轨迹跟踪算法复杂,现场控制器需要实时进行大量的计算,因此,就要求现场控制器具很高的数据处理能力以及较大的数据存储空间,除此之外,视日运动轨迹跟踪还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测,其跟踪系统成本较高。视日运动轨迹跟踪方法的控制系统是采用开环控制方法,由于跟踪装置结构不稳定性导致跟踪存在累积误差,需要定期校正;在跟踪过程中,系统自身无法对机构的传动误差、地基及天体运行轨道的变化产生的误差进行修正,跟踪精度会随着时间的推移而降低,因此也需要定期校正。
如图1所示为太阳能自动跟踪光热发电装置的结构示意图,该系统包括支座1、支柱2、反射镜支架3、销轴4、减速箱体5、主轴6、丝杆7、横支架8、南北方向调整电机9、减速器10和铰链11,主轴6通过轴承安装在减速箱体5上,主轴6的下端固定在支座1上,支柱2的下端固定在减速箱体5上,支柱2的上端通过销轴4与反射镜支架3,用于光热发电的反射镜固定在反射镜支架3上。支柱2上还水平连接有一个横支架8,横支架8端部铰接一个减速器10,减速器10中设有蜗杆,蜗杆与南北方向调整电机9相连,蜗杆与设在减速器中的蜗轮啮合,蜗轮中心设有螺孔与丝杆7连接配合,丝杆7的一端通过铰链11与反射镜支架3连接。减速箱体5内安装有由东西方向调整电机等构成的传动机构。减速箱体5中的东西方向调整电机通过带动齿轮转动,并带动减速箱体5、反射镜支架3沿水平水平方向转动,完成东西方向的跟踪。南北方向调整电机9通过蜗轮蜗杆、丝杆螺孔机构带动反射镜支架3支架沿垂直方向转动,完成南北方向的跟踪。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统,用于太阳能自动跟踪光热发电装置中东西方向调整电机和南北方向调整电机的控制,所述的追踪控制系统包括:
主控制单元:该单元根据当前光强大小判定是否启动跟踪控制;
视日运动轨迹跟踪粗调单元:该单元根据当前时间计算出太阳的空间位置,进而控制东西方向调整电机和南北方向调整电机至设定位置;
传感器追踪精调单元:该单元根据光强大小对反射镜支架进行精确调节,直至反射镜对准太阳;
所述的视日运动轨迹跟踪粗调单元和传感器追踪精调单元均连接主控制单元。
所述的主控制单元包括第一光敏电阻、电压检测电路和光电转换控制电路,所述的电压检测电路连接第一光敏电阻并检测第一光敏电阻电压,所述的电压检测电路连接至光电转换控制电路,当第一光敏电阻电压小于设定值时光电转换控制电路输出高电压启动跟踪控制,否则不启动跟踪控制。
所述的光电转换控制电路包括LM339,包括LM339正输入端连接所述的电压检测电路,LM339负输入端通过可调电阻W1接地,LM339负输入端还通过电阻R21连接5V电源,LM339输出端通过电阻R22连接三极管Q1基级,三极管Q1发射极接地,三极管Q1集电极通过电阻R23连接5V电源,三极管Q1集电极形成跟踪控制启动控制端。
所述的视日运动轨迹跟踪粗调单元包括实时时钟、存储器、太阳空间位置获取子单元和粗调控制子单元,所述的存储器用于存储太阳高度角方位角数表,该数表是太阳高度角和方位角随天数与小时数变化的二维变量,所述的实时时钟用于获取当前时间,太阳空间位置获取子单元根据当前时间在太阳高度角方位角数表中寻找对应的太阳高度角和方位角,粗调控制子单元根据获取的太阳高度角和方位角计算东西方向调整电机和南北方向调整电机的旋转角度并控制相应电机运动。
所述的传感器追踪精调单元包括传感器检测子单元和精调控制子单元,所述的传感器检测子单元检测当前光强并发送至精调控制子单元,精调控制子单元对检测的光强进行处理获取东西方向调整电机和南北方向调整电机的旋转角度并控制相应电机运动。
所述的传感器检测子单元包括第二光敏电阻和光强电压转换电路,所述的第二光敏电阻设有4个,4个第二光敏电阻对称分布在反射镜四条边处,所述的光强电压转换电路包括电源、分压电阻,所述4个第二光敏电阻分别对应连接一个分压电阻形成4条电压支路,所述的4条电压支路并联连接并连接电源,每条电压支路中第二光敏电阻和分压电阻连接点为光强电压转换测量点,所述的光强电压转换测量点连接至精调控制子单元。
所述的精调控制子单元包括2组光强电压比较电路和光强控制处理器,分别为东西方向光强电压比较电路和南北方向光强电压比较电路,东西方向光强电压比较电路输入端连接反射镜上位于东西方向的2条边上的第二光敏电阻所对应的光强电压转换测量点,对应地,南北方向光强电压比较电路输入端连接反射镜上位于南北方向的2条边上的第二光敏电阻所对应的光强电压转换测量点,2组光强电压比较电路输出端均连接光强控制处理器,光强控制处理器分别根据东西方向和南北方向的光强大小控制东西方向调整电机和南北方向调整电机的控制运动直至2组光强电压比较电路输出为0。
一种用于光热发电的太阳能追踪控制方法,该方法包括如下步骤:
(1)判断光强是否超过阈值,若是则执行步骤(2),否则继续执行步骤(1);
(2)根据当前时间计算出太阳的空间位置,进而控制东西方向调整电机和南北方向调整电机运动进行粗调,使反射镜对着太阳位置;
(3)获取反射镜四条边出的光强大小,将位于东西方向的2条边作为东西光强检测组,位于南北方向的2条边作为南北光强检测组;
(4)对东西光强检测组检测的东侧光强和西侧光强进行对比并控制东西方向调整电机运动直至东侧光强和西侧光强相等,同时对南北光强检测组检测的南侧光强和北侧光强进行对比并控制南北方向调整电机运动直至南侧光强和北侧光强相等,返回步骤(1)。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明将视日运动轨迹跟踪粗调和传感器追踪精调相结合,提高跟踪速度的同时提高跟踪精度;
(2)本发明视日运动轨迹跟踪粗调采用了简化的数学算法,通过查表的方式快速获取太阳高度角和方位角,减少计算,可以用成本较低的控制器代替昂贵的控制器,除此之外,系统电路相对简单,结构紧凑,硬件成本较低,因此,可以节约生产成本;
(3)本发明设置在进行光强检测并跟踪调节时设置4个第二光敏电阻,从而通过对应两侧的光强差值来调整反射镜的在东西方向以及南北方向的倾斜角度,这种方式既可以克服单一的传感器跟踪存在的跟踪范围窄,以及粗跟踪不稳定的问题,又可以避免了视日运动轨迹跟踪需要定时修正的问题,以保证系统工作过程的稳定性和准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。
附图说明
图1为太阳能自动跟踪光热发电装置的结构示意图;
图2为本发明用于光热发电的太阳能追踪控制系统的总体结构框图;
图3为本发明光强电压转换电路的电路图;
图4为本发明光强电压比较电路的电路图;
图5为本发明主控制单元光电转换控制电路的电路图;
图6为本发明用于光热发电的太阳能追踪控制方法的流程框图;
图中,1为支座,2为支柱,3为反射镜支架,4为销轴,5为减速箱体,6为主轴,7为丝杆,8为横支架,9为南北方向调整电机,10为减速器,11为铰链,21为MCU,22为实时时钟,23为存储器,24为光强检测传感器,25为东西方向调整电机,26为南北方向调整电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统,用于太阳能自动跟踪光热发电装置中东西方向调整电机25和南北方向调整电机26的控制,追踪控制系统包括:
主控制单元:该单元根据当前光强大小判定是否启动跟踪控制;
视日运动轨迹跟踪粗调单元:该单元根据当前时间计算出太阳的空间位置,进而控制东西方向调整电机25和南北方向调整电机26至设定位置;
传感器追踪精调单元:该单元根据光强大小对反射镜支架进行精确调节,直至反射镜对准太阳;
视日运动轨迹跟踪粗调单元和传感器追踪精调单元均连接主控制单元。
主控制单元包括第一光敏电阻、电压检测电路和光电转换控制电路,电压检测电路连接第一光敏电阻并检测第一光敏电阻电压,电压检测电路连接至光电转换控制电路,当第一光敏电阻电压小于设定值时光电转换控制电路输出高电压启动跟踪控制,否则不启动跟踪控制。
光电转换控制电路包括LM339,包括LM339正输入端连接电压检测电路,LM339负输入端通过可调电阻W1接地,LM339负输入端还通过电阻R21连接5V电源,LM339输出端通过电阻R22连接三极管Q1基级,三极管Q1发射极接地,三极管Q1集电极通过电阻R23连接5V电源,三极管Q1集电极形成跟踪控制启动控制端。
视日运动轨迹跟踪粗调单元包括实时时钟22、存储器23、太阳空间位置获取子单元和粗调控制子单元,存储器23用于存储太阳高度角方位角数表,该数表是太阳高度角和方位角随天数与小时数变化的二维变量,实时时钟22用于获取当前时间,太阳空间位置获取子单元根据当前时间在太阳高度角方位角数表中寻找对应的太阳高度角和方位角,粗调控制子单元根据获取的太阳高度角和方位角计算东西方向调整电机25和南北方向调整电机26的旋转角度并控制相应电机运动。
表1~表3分别给出了1月1日、1月2日以及6月1日所对应的太阳高度角方位角数表。
表1 1月1日太阳高度角方位角数表
表2 1月2日太阳高度角方位角数表
表3 6月1日太阳高度角方位角数表
传感器追踪精调单元包括传感器检测子单元和精调控制子单元,传感器检测子单元检测当前光强并发送至精调控制子单元,精调控制子单元对检测的光强进行处理获取东西方向调整电机25和南北方向调整电机26的旋转角度并控制相应电机运动。
传感器检测子单元包括第二光敏电阻和光强电压转换电路,第二光敏电阻设有4个,4个第二光敏电阻对称分布在反射镜四条边处,光强电压转换电路包括电源、分压电阻,所述4个第二光敏电阻分别对应连接一个分压电阻形成4条电压支路,4条电压支路并联连接并连接电源,每条电压支路中第二光敏电阻和分压电阻连接点为光强电压转换测量点,光强电压转换测量点连接至精调控制子单元。
精调控制子单元包括2组光强电压比较电路和光强控制处理器,分别为东西方向光强电压比较电路和南北方向光强电压比较电路,东西方向光强电压比较电路输入端连接反射镜上位于东西方向的2条边上的第二光敏电阻所对应的光强电压转换测量点,对应地,南北方向光强电压比较电路输入端连接反射镜上位于南北方向的2条边上的第二光敏电阻所对应的光强电压转换测量点,2组光强电压比较电路输出端均连接光强控制处理器,光强控制处理器分别根据东西方向和南北方向的光强大小控制东西方向调整电机25和南北方向调整电机26的控制运动直至2组光强电压比较电路输出为0。
总的来说本实施用于光热发电的太阳能追踪控制系统的结构框图如图2所示,其具体硬件结构主要包括实时时钟22、存储器23和MCU21,光强检测传感器24共有5个光敏电阻以及对应的转换电路,5个光敏电阻即为上述1个第一光敏电阻和4个第二光敏电阻,MCU21集成了主控制单元视、日运动轨迹跟踪粗调单元和传感器追踪精调单元这三个单元的所有控制工作,进而实现东西方向调整电机25和南北方向调整电机26的控制。控制过程是:先从电脑中将确定地理位置信息的太阳高度角方位角数表传入到存储器23中,然后第一光敏电阻检测光强,若光强超过设定阈值则进行跟踪控制,否则不进行跟踪控制。具体跟踪控制为:MCU21从实时时钟22中读出时间信息,从存储器23中查数表,得出高度角与方位角并发出驱动信号。这样程序法的初步定位完成了。接下来通过光强检测传感器24中的4个第二光敏电阻检测光强实现精调。
具体地,光强电压转换电路如图3所示,图中RS5为第一光敏电阻,RS1、RS2、RS3、RS4为第二光敏电阻,其中RS1、RS2为一组,用于东西两侧光强测量,RS3和RS4为一组,用于南北两侧光强测量,RS11、RS12、RS13、RS14和RS15均为分压电阻。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件,无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很小;当受到光照时,半导体材料电导率增加,电阻减小。其阻值随光照增强而减小。
光敏电阻作为光电式传感器的一种,它具有灵敏度高、光谱响抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号,并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值,于是,就把对光照信号的处理转化为对电压信号V的处理。图3中,V5电压信号转换的是光强信号,其功能是测量光照强度,将信号传递给单片机处理,再结合时钟时间从而判断出天气状况,是阴天还是晴天,是否有乌云遮挡。V1,V2电压信号分别表示东西方向的光照强度,通过V1,V2的电压做差即东西方向的光照强度差,可以判断出太阳光线与反射镜的水平方向的方位差,使系统做出调整,只要V1,V2的的差值超过设定值,系统就要做出调整。V3,V4电压信号分表表示的是南北方向的光照强度信号,其工作原理与V1,V2原理相同。
对于测量得到的V1和V2以及V3和V4需要进行信号处理,以V1和V2为例,V1,V2作为比较器的输入电压,在使用单个集成运放构成加减法电路时存在两个缺点,一是电阻的选取调整不方便,二是对于每个信号源的输入电阻均较小,因此采用两级电路,如图4所示,第一级电路为同向比例运算电路。由图可得:
若R1=R2,R3=Rf1,则:
本实施例中Rf2/R4=9,所以Vo=10(V1-V2),即将东西方向的电位差放大了10倍并输出。其中二极管起到钳位作用当电压过高时D3导通使得输出点电位为5.7V,输出电位过低时可以使输出点电位保持在-0.7V,这样整体可以起到保护作用不至于烧坏单片机。其中南北方向是东西方向电路图完全一样,原理也相同。
对于主控制单元根据当前光强大小判定是否启动跟踪控制,本实施例采用第一光敏电阻R5以及相应的信号处理电路完成,在上述完成第一光敏电阻RS5的电压V5测量之后,采用图5所示的判断光照强度的信号处理电路来进行光照强度的信号处理,其实主要就是一个电压比较电路采用的是LM339,其W1是电位器,调整W1的电阻就可以调整参考点电压值,当V5值大于参考值时有放大输出三极管导通输出口呈低电位状态,反之呈高电位状态。这样可以很容易的对光照强度的阀值进行设定。从而很容易对体现天亮还是黑状态的光照强度通过对电位器的调整(参考电压)而做出调整。
如图6所示,一种用于光热发电的太阳能追踪控制方法,该方法包括如下步骤:
(1)判断光强是否超过阈值,若是则执行步骤(2),否则继续执行步骤(1);
(2)根据当前时间计算出太阳的空间位置,进而控制东西方向调整电机25和南北方向调整电机26运动进行粗调,使反射镜对着太阳位置;
(3)获取反射镜四条边出的光强大小,将位于东西方向的2条边作为东西光强检测组,位于南北方向的2条边作为南北光强检测组;
(4)对东西光强检测组检测的东侧光强和西侧光强进行对比并控制东西方向调整电机25运动直至东侧光强和西侧光强相等,同时对南北光强检测组检测的南侧光强和北侧光强进行对比并控制南北方向调整电机26运动直至南侧光强和北侧光强相等,返回步骤(1)。
本设计中的跟踪控制系统采用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的方式。首先将单片机与电脑通讯,把以当地理信息为变量的数表下载到EEPROM中,系统初始化完成。然后主程序对是否是在白天进行判断,如果是,则从实时时钟22中读入时间,对照着预先存入存储器23中的数表,得出该位置的高度角与方位角,通过驱动电机,对其进行粗调。最后通过传感器的信号输入,获取光照强度,东西,南北光强差信号等信息光强信号和偏差型号,由获取的太阳与槽式集热板之间水平与垂直方向的位置偏差信号与光强信号,反馈给数据处理器与控制器单片机,经过数据的处理与放大,发出驱动信号,经过驱动电路控制步进电机的转动,通过机械控制系统缓慢调整角度从而带动整个槽式抛物面转动,使聚光器始终与太阳保持一个最佳角度,把太阳光聚集在集热器上,直到传感器能对太阳重新定位。光电传感器利用光敏电阻特性设计而成。光敏电阻对不同的光强会有不同的电阻值,产生不同的电压信号给单片机处理,当乌云遮挡时,光强很弱,单片机就可以停止光电跟踪,避免了盲目跟踪。

Claims (8)

1.一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统,用于太阳能自动跟踪光热发电装置中东西方向调整电机和南北方向调整电机的控制,其特征在于,所述的追踪控制系统包括:
主控制单元:该单元根据当前光强大小判定是否启动跟踪控制;
视日运动轨迹跟踪粗调单元:该单元根据当前时间计算出太阳的空间位置,进而控制东西方向调整电机和南北方向调整电机至设定位置;
传感器追踪精调单元:该单元根据光强大小对反射镜支架进行精确调节,直至反射镜对准太阳;
所述的视日运动轨迹跟踪粗调单元和传感器追踪精调单元均连接主控制单元。
2.根据权利要求1所述的一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统,其特征在于,所述的主控制单元包括第一光敏电阻、电压检测电路和光电转换控制电路,所述的电压检测电路连接第一光敏电阻并检测第一光敏电阻电压,所述的电压检测电路连接至光电转换控制电路,当第一光敏电阻电压小于设定值时光电转换控制电路输出高电压启动跟踪控制,否则不启动跟踪控制。
3.根据权利要求1所述的一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统,其特征在于,所述的光电转换控制电路包括LM339,包括LM339正输入端连接所述的电压检测电路,LM339负输入端通过可调电阻W1接地,LM339负输入端还通过电阻R21连接5V电源,LM339输出端通过电阻R22连接三极管Q1基级,三极管Q1发射极接地,三极管Q1集电极通过电阻R23连接5V电源,三极管Q1集电极形成跟踪控制启动控制端。
4.根据权利要求1所述的一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统,其特征在于,所述的视日运动轨迹跟踪粗调单元包括实时时钟、存储器、太阳空间位置获取子单元和粗调控制子单元,所述的存储器用于存储太阳高度角方位角数表,该数表是太阳高度角和方位角随天数与小时数变化的二维变量,所述的实时时钟用于获取当前时间,太阳空间位置获取子单元根据当前时间在太阳高度角方位角数表中寻找对应的太阳高度角和方位角,粗调控制子单元根据获取的太阳高度角和方位角计算东西方向调整电机和南北方向调整电机的旋转角度并控制相应电机运动。
5.根据权利要求1所述的一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统,其特征在于,所述的传感器追踪精调单元包括传感器检测子单元和精调控制子单元,所述的传感器检测子单元检测当前光强并发送至精调控制子单元,精调控制子单元对检测的光强进行处理获取东西方向调整电机和南北方向调整电机的旋转角度并控制相应电机运动。
6.根据权利要求5所述的一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统,其特征在于,所述的传感器检测子单元包括第二光敏电阻和光强电压转换电路,所述的第二光敏电阻设有4个,4个第二光敏电阻对称分布在反射镜四条边处,所述的光强电压转换电路包括电源、分压电阻,所述4个第二光敏电阻分别对应连接一个分压电阻形成4条电压支路,所述的4条电压支路并联连接并连接电源,每条电压支路中第二光敏电阻和分压电阻连接点为光强电压转换测量点,所述的光强电压转换测量点连接至精调控制子单元。
7.根据权利要求5所述的一种用于光热发电的太阳能追踪控制系统,其特征在于,所述的精调控制子单元包括2组光强电压比较电路和光强控制处理器,分别为东西方向光强电压比较电路和南北方向光强电压比较电路,东西方向光强电压比较电路输入端连接反射镜上位于东西方向的2条边上的第二光敏电阻所对应的光强电压转换测量点,对应地,南北方向光强电压比较电路输入端连接反射镜上位于南北方向的2条边上的第二光敏电阻所对应的光强电压转换测量点,2组光强电压比较电路输出端均连接光强控制处理器,光强控制处理器分别根据东西方向和南北方向的光强大小控制东西方向调整电机和南北方向调整电机的控制运动直至2组光强电压比较电路输出为0。
8.一种用于光热发电的太阳能追踪控制方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)判断光强是否超过阈值,若是则执行步骤(2),否则继续执行步骤(1);
(2)根据当前时间计算出太阳的空间位置,进而控制东西方向调整电机和南北方向调整电机运动进行粗调,使反射镜对着太阳位置;
(3)获取反射镜四条边出的光强大小,将位于东西方向的2条边作为东西光强检测组,位于南北方向的2条边作为南北光强检测组;
(4)对东西光强检测组检测的东侧光强和西侧光强进行对比并控制东西方向调整电机运动直至东侧光强和西侧光强相等,同时对南北光强检测组检测的南侧光强和北侧光强进行对比并控制南北方向调整电机运动直至南侧光强和北侧光强相等,返回步骤(1)。
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