基于单片机的小型槽式集热器跟踪系统设计探讨

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楼主 2020-09-27 08:09:13
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皇明太阳能股份有限公司/刘培先、孙延乐、林超、张云亭、尹清洋


摘要:本文阐述了太阳能小型槽式集热器自动跟踪系统软硬件的设计过程,解决了小型槽式集热器自动跟踪的问题。采用单片机进行数据采集和过程控制,采用触摸屏进行人机对话,在大幅度降低成本的同时,保证了跟踪系统的精度,对于小型槽式集热器在太阳能中温领域的推广起到了极大地推动作用。

关键词:太阳能聚光小型槽式 单片机 追日跟踪


0 引言

随着食品加工、塑料加工、玻璃加工、化学工业、造纸工业、木材加工、合成橡胶、纺织工业等需求蒸汽的行业中利用太阳能取热的需求渐趋强烈,太阳能中温领域逐渐得到发展。鉴于有着系统稳定、可操作性强的优势,太阳能小型槽式集热器成为了太阳能中温领域的首选。但是现有的槽式集热器跟踪控制系统存在一定的缺点:

1)多数沿用槽式集热器的基于PLC的跟踪控制系统,成本过高,不利于其大面积的推广和商业化应用;

2)一部分采用光敏传感器作为采集信号的跟踪控制系统,跟踪精度不高,系统运行不稳定;

3)多数控制系统只能一对一的控制单组集热器跟踪,容易造成资源浪费及成本提高。根据小型槽式集热器自身的特点及对输出温度要求相对不高的情况,本文提出的基于单片机的太阳能小型槽式跟踪控制系统结合天文学(太阳高度角、方位角)公式和倾角传感器控制减速箱在涡轮蜗杆及电磁离合器的配合下,带动多组小型槽式集热器自动追日跟踪。跟踪过程稳定、系统操作方便、成本低廉,为小型槽式集热器在太阳能中温领域的热利用提供了有力的技术支撑,极大地提高了市场竞争力,对于太阳能小型槽式集热器在光热领域的广泛推广具有极大的促进作用。


1 电气控制系统总体方案

 本跟踪系统是以单片机为控制核心的自动控制系统,整个系统包括硬件和软件的设计。


1.1硬件部分通过设计电路来实现,其中电路设计主要包括以下几部分:

 1)倾角采集电路的设计:此部分电路要实现的功能是通过倾角传感器来判断小型槽式集热器的转动位置,将角度信号转换为电信号传送给单片机。为了保证信号采集精度,本系统采用的倾角传感器的分辨率为0.06°。

  2)接近开关采集电路的设计:此部分电路要实现的功能是通过接近开关来消除小型槽式集热器跟踪过程中积累的机械误差,将位置信号转换为电信号传送给单片机。

  3)单片机控制电路的设计:本系统根据用户实际情况需要控制1个或者多个电机的正反转,当单片机接收到倾角检测电路采集到的信号后根据设定的程序进行判断,然后控制电机正转、反转或者停转。

  4)通讯电路的设计:本系统需要与触摸屏或其他上位进行通讯,根据特定情况采用RS-232-C或者RS-485串口通讯。


1.2系统硬件工作原理

本系统硬件部分包括输入单元、控制单元、输出单元和人机交互单元。输入单元包括倾角传感器、接近开关、数据采集电路;控制单元包括单片机、电源转换电路,驱动电路、通讯模块;输出单元包括继电器、直流电机、电源转换电路、电磁离合器;人机交互单元由触摸屏作为上位控制,可以手、自动控制电机的正、反转和停转。具体如图1所示,其中,输入单元通过数据采集电路采集倾角传感器和接近开关信号,并将信号传递给控制单元中的单片机,单片机根据内部设定程序判断后控制输出单元中继电器的通断,从而进一步控制直流电机的正、反转和停转。


图1控制系统原理结构


1.3软件部分通过程序编写来实现,其中单片机控制程序设计主要分为两部分:

一是上位机程序设计,二是下位机程序设计。本文采用触摸屏作为上位控制,选用基于STM32F103VE 型号的ARM 单片机芯片控制器作为下位机,通讯方式采用RS-232-C。触摸屏操作界面如图2所示。


图2 触摸屏操作界面


触摸屏可以控制小型槽式集热器的正转、反转、停转。还可以通过补偿值输入、延迟值输入、集热器转动角度值输入及经纬度输入对小型槽式集热器的运行状态进行调试及修正。


系统上电后,单片机通过倾角采集电路和接近开关采集电路分别采集倾角传感器和接近开关的信号,然后将采集到的倾角传感器的实测角度值与单片机根据天文学(太阳高度角、方位角)公式计算得出的理论角度值进行对比,当实测角度值与理论角度值的差值大于或小于设定值时,单片机通过驱动电路控制继电器的通断,以此控制直流电机的正转、反转、停转,进而直流电机通过涡轮蜗杆带动多组小型槽式集热器跟踪太阳。为了消除每日的积累误差,在每日太阳升起或者重新上电后,单片机控制直流电机反转(至东向西为正转),当转动至某组接近开关信号与设定信号相同时,单片机通过驱动电路控制相应的电磁离合器吸合,此时,此组的小型槽式集热器因与涡轮蜗杆分离而停止转动,直到全部组列的小型槽式集热器转动至设定位置(集热器开口朝向正东),即本系统中所有电磁离合器全部吸合时,直流电机停止转动,停顿5秒消除惯性后,单片机根据采集的倾角传感器的实测角度值与理论角度值的差值比对后的结果控制集热器追日跟踪。程序流程如图3所示。


图3程序流程


跟踪系统中天文学(太阳高度角、方位角)公式的选择也很重要,它从根源上影响着整个系统的精度。一般公式存在以下的积累误差:一是对平年和闰年不加区分,闰年的影响有累计效应,会逐步增长;二是我们所需要的数值,会因所在地点的地理经度以及具体时刻而不同。为了处理以上的积累误差,选用了我国气象科学院王柄忠研究员所提出的计算公式,公式对年度、经度、时刻都进行了修正。


2 系统跟踪精度及稳定性分析


为了节约土地面积,最大化地体现小型槽式集热器的优势,集热器被安装在德州皇明真空管厂楼顶,如图4所示。


图4小型槽式集热器实物图


在2014年5~8月份之间,选取满足风力≤3级的晴朗天气时段对小型槽式集热器进行光斑测量,得到了跟踪系统的实际精度。具体方法为将不锈钢板制作的光靶安装在小型槽式集热器的焦线处,测量光靶上光斑的中心线到光靶中心线的距离,采用公式(1)计算系统跟踪精度。光靶上的光斑如图5所示。



图5光斑


根据几何关系,跟踪系统精度采用如下计算公式:


具体数据如表1所示,其中每日精度为当日的平均精度。

表1  小型槽式集热器跟踪系统测试


由表1的测试数据可以得出,光斑的中心线到光靶中心线的距离(d)在1.69~2.52mm范围内波动,跟踪系统精度(a)保持在2.45~3.65mrad的范围内,表现了其良好的稳定性及较高的跟踪精度。


3 结论

目前国内外在太阳能跟踪方式上主要采用:视日轨迹(天文学公式)跟踪、光电跟踪、基于数字图像处理的跟踪和混合跟踪等。综合考虑太阳能小型槽式集热器本身对于集热温度(80~120℃)要求不高的特点,以及系统的稳定性、跟踪精度与成本问题三者关系对其在中温领域推广的影响,本文采用基于单片机的控制系统的软硬件设计,以视日轨迹(天文学公式)跟踪方式,成功解决了其自动跟踪过程中出现的降低成本与提高跟踪精度,降低成本与保持稳定性之间合理控制的问题。对于太阳能小型槽式集热器在中温领用的应用上起到了极大的推动作用。

来源:中国太阳能产业资讯


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