碟式斯特林太陽自動跟蹤控制系統(tǒng)設計

摘要：針對碟式斯特林太陽能熱發(fā)電中的太陽跟蹤問題，提出了基于GPS的開環(huán)程序粗跟蹤和四象限硅光電池跟蹤校準的閉環(huán)跟蹤解決方法。以ATmega128單片機為主控制器，根據(jù)GPS模塊和反饋裝置獲得的信息，控制碟轉(zhuǎn)向機構(gòu)的水平、俯仰兩個方向運動，實現(xiàn)對太陽位置的跟蹤，形成了一個精度高、受環(huán)境影響較小的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠保證碟式聚光器的光斑始終落在斯特林發(fā)動機的接收器上。
關(guān)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(fā)電裝置是一種通過聚焦太陽光產(chǎn)生高溫，進而推動斯特林發(fā)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(fā)電裝置系統(tǒng)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(zhuǎn)化為熱能推動發(fā)電機運轉(zhuǎn)和輸出電能。裝置中設計有轉(zhuǎn)向機構(gòu)，可保證裝置通過調(diào)節(jié)聚光器的仰角及水平角度實現(xiàn)追蹤太陽的目的，以提高太陽能利用率。為了使轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)其功能并最大限度地利用太陽能，需要設計一個能夠?qū)崟r對太陽進行大范圍跟蹤的太陽跟蹤系統(tǒng)，使太陽光始終聚集在斯特林發(fā)動機的太陽光接收器上。

本文采用混合控制方式，結(jié)合了開環(huán)跟蹤與閉環(huán)控制的優(yōu)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(tǒng)，實現(xiàn)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(fā)動機的接收器上，提高系統(tǒng)的安全性和發(fā)電效率。

1 系統(tǒng)原理
通過GPS接收器，得到碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置所在地的經(jīng)度、緯度以及UTC時間；通過開環(huán)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(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)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(huán)控制，微調(diào)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(fā)動機的接收器上，以保證發(fā)動機的效率最大化。系統(tǒng)組成原理框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件
2．1 微控制器ATrnega128
ATmega128單片機是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)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(nèi)部帶有128 KB的在系統(tǒng)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(shù)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(tài)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(fā)出指令，通過接口電路驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)，使碟式聚光器保持安全位置狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)的安全。當系統(tǒng)采集的實時環(huán)境光強和實時時間都小于設定的最小經(jīng)濟發(fā)電光強時，碟式斯特林太陽能熱發(fā)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(wèi)星信號，通過串口輸出信息。ATmega128單片機解碼出當?shù)氐慕?jīng)度、緯度以及UTC時間，根據(jù)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(zhuǎn)換才能保持穩(wěn)定通信，其電路如圖3所示。