碟式斯特林太陽自動跟蹤控制系統設計

摘要：針對碟式斯特林太陽能熱發電中的太陽跟蹤問題，提出了基于GPS的開環程序粗跟蹤和四象限硅光電池跟蹤校準的閉環跟蹤解決方法。以ATmega128單片機為主控制器，根據GPS模塊和反饋裝置獲得的信息，控制碟轉向機構的水平、俯仰兩個方向運動，實現對太陽位置的跟蹤，形成了一個精度高、受環境影響較小的閉環控制系統，能夠保證碟式聚光器的光斑始終落在斯特林發動機的接收器上。
關鍵詞：太陽自動跟蹤；ATmega128；混合控制；碟式斯特林

引言
碟式斯特林太陽能熱發電裝置是一種通過聚焦太陽光產生高溫，進而推動斯特林發動機(熱氣機)輸出電能的裝置。圖1為典型碟式斯特林太陽能熱發電裝置系統原理圖。它通過碟式聚光器聚焦太陽光，使之進入太陽光接收器，并轉化為熱能推動發電機運轉和輸出電能。裝置中設計有轉向機構，可保證裝置通過調節聚光器的仰角及水平角度實現追蹤太陽的目的，以提高太陽能利用率。為了使轉向機構實現其功能并最大限度地利用太陽能，需要設計一個能夠實時對太陽進行大范圍跟蹤的太陽跟蹤系統，使太陽光始終聚集在斯特林發動機的太陽光接收器上。

本文采用混合控制方式，結合了開環跟蹤與閉環控制的優點，以ATmega128單片機為主控制器，設計了一款碟式斯特林太陽跟蹤控制系統，實現大范圍的各種天氣狀況下的太陽跟蹤，使碟式聚光器聚焦光斑都落在斯特林發動機的接收器上，提高系統的安全性和發電效率。

1 系統原理
通過GPS接收器，得到碟式斯特林太陽能熱發電裝置所在地的經度、緯度以及UTC時間；通過開環的程序跟蹤，計算出太陽高度角和方位角，確定太陽當前的位置；輸出PWM信號，驅動轉向機構的水平與俯仰步進電機，使碟式聚光器達到預期位置；采用四象限硅光電池對碟式
聚光器做自動定位和誤差校正，進行閉環控制，微調聚光碟的位置，確保太陽光通過碟式聚光器聚焦都落在斯特林發動機的接收器上，以保證發動機的效率最大化。系統組成原理框圖如圖2所示。

2 系統硬件
2．1 微控制器ATrnega128
ATmega128單片機是基于AVR RISC結構8位低功耗CMOS微處理器，為AVR單片機系列中的高性能單片機。ATmega128單片機內部帶有128 KB的在系統可編程Flash程序存儲器、4 KB的EEPROM、4 KB的SRAM、53個通用I／O端口線、32個通用工作寄存器、8通道10位ADC、53個可編程I／O端口線、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數器(T／C)，能夠很方便地控制步進電機。
2．2 天氣模塊
天氣模塊主要用于天氣狀態的檢測，如光強、風速和陰雨等。當風速達到或大于設定值時，ATmega128單片機發出指令，通過接口電路驅動轉向機構，使碟式聚光器保持安全位置狀態，從而保證系統的安全。當系統采集的實時環境光強和實時時間都小于設定的最小經濟發電光強時，碟式斯特林太陽能熱發電裝置做出相應處理，等待光強達到設定值時再次運行。
2．3 GPS接收器
GPS接收器采用Motorola公司的M12模塊，M12模塊接收衛星信號，通過串口輸出信息。ATmega128單片機解碼出當地的經度、緯度以及UTC時間，根據天文公式，計算出當前太陽高度角和方位角。由于ATmega128單片機和M12模塊的I／O操作電壓范圍不同，所以兩者的串口之間需通過光電耦合器進行電平轉換才能保持穩定通信，其電路如圖3所示。