塔式太阳能热发电中的定日镜跟踪系统设计 http://www.paper.edu.cn 耿其东 1,2，陈飞 1 1 河海大学机电工程学院，江苏常州 （213022） 2 盐城工学院机械工程学院，江苏盐城 （224051） E-mail:kengqidong@163.com 摘 要：在塔式太阳能热发电中，应用全新的跟踪聚光理论——陈氏跟踪方法【1】，以 PIC16F877 单片机为控制核心，设计了独特的闭环控制定日镜跟踪系统。新的跟踪方式使 得定日镜的象散小，特别是象散随时间变化较小；闭环控制系统能够在任何气候条件下实 现对日的稳定可靠跟踪。 关键词：太阳能热发电，跟踪，定日镜，单片机，闭环 中图分类号：TP273 1. 引言 塔式太阳能热发电的工作原理是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光反射到固定 在塔顶部的接收器上，产生高温并加热工质产生过热蒸汽，推动汽轮发电机组发电，从而 将太阳能转化为电能。 定日镜在电站中不仅数量最多、占据场地最大，而且是工程投资的重头。定日镜的跟 踪效果严重影响着太阳能的利用效率。研究表明：对日跟踪与不跟踪，能量的接收率相差 37.7％[2]，精确地跟踪太阳可使接收器的热效率大大提高，进而提高了整个装置的太阳能 利用率，从而拓宽了太阳能的利用领域。 2. 定日镜跟踪系统的设计 2.1 跟踪方式 传统跟踪方式主要是方位角+仰角的跟踪方式。这种跟踪方式是指定日镜运行时通过 转 动基座来调整定日镜的方位，同时调整镜面仰角的方式。理论上，此方式可以完全实现对 日跟踪，但是这种跟踪方式存在固有的缺陷，像差相当大，聚光效果欠佳。自旋+仰角跟 踪方式是指采用镜面自旋，同时调整镜面仰角的方式来实现定日镜的对日跟踪，这是由新 的聚光跟踪理论推导出的一种跟踪方法，也叫“陈氏跟踪方法”。和传统的跟踪方式相比， 新的跟踪方式下的整个系统的象散较小，特别是象散随时间的变化小，从而提高了太阳的 聚光效率。 2.2 控制方式 定日镜控制系统是用来控制定日镜以实现将不同时刻的太阳光线全部反射到同一个位 置的目标，从而达到定点投射的目的。太阳光定点投射的含义即：定日镜入射光线的方位 角和高度角均是变化的，但目标点的位置不变。目前，定日镜控制方式主要采用程序控制 或传感器控制。这两种控制方式都属于开环控制。程序控制方式，就是通过计算的太阳运 动规律来控制跟踪机构的运动，它的缺点是存在累积误差。传感器控制方式，是由传感器 实时测出入射太阳光线的方向，以此控制跟踪机构的运动，它的缺点是在多云的条件下难 以找到反射镜面正确定位的方向。以程序控制为主，采用传感器实时监测作反馈的控制方 式是一种闭环控制方式，这种控制方式对程序进行了累积误差修正，使之在任何气候条件 - 1 - 

http://www.paper.edu.cn 下都能得到稳定而可靠的跟踪控制。 2.3 控制系统的硬件设计 MICROCHIP 公司的 PIC 系列单片机是目前全球应用最为广泛的单片机。PIC 系列单 片机的优点是它指令单字节化，单周期化，有哈佛总线结构与哈佛体系结构精简指令集（中 档系列单片机只有 33 条指令）寻址方式简单、运行速度快、功耗低、驱动能力强、寻址范 围大、外围电路简单开发方便。 硬件结构图如图 1 所示。 图 1 硬件结构图 串口电路采用 RS-485 接口组成的半双工网络，与计算机实现双向通信。计算机由 GPS 提供准确的当地经纬度和准确时间，并根据陈氏跟踪理论计算出自旋角和仰角，通过串口 传输给 PIC 单片机。 MAXIM 公司的 MAX485 收发器芯片主要是为了满足 RS-485 通信标准而设计的一种 芯片, 该芯片内含一个驱动器和一个接收器,具有低功耗、单+5V 电源供电、驱动器有过载 保护、无需外接元器件等特点,其共模输入电压范围在-7V～+12V 之间,因而具有广泛的应 用。其内部结构图如图 2 所示： 图 2MAX485 结构图 图 2 中 2 脚和 3 脚分别是接受使能端和发送使能端，1 脚和 4 脚根据 PIC16F877 的交叉开 关选择，分别接 RA0 和 RA1 脚。8 脚为芯片电源，6 脚和 7 脚为差分输入、输出端。 太阳光检测电路由光敏电阻作为传感器来检测天空光线变化，由此组成惠斯顿电桥， 用来控制步进电机的跟踪和停止。(注意：ADC 的输入端有一个 0.01µF 的电容，这个电容 是为了保证 ADC 的转换精度) CDS 是暗电阻为 100KΩ，光电阻为 5K-10KΩ。 CDS 所在 桥臂的滑动变阻器的电阻调至 100KΩ(光敏电阻的暗电阻为 100K Ω),当 CDS 的电阻为 - 2 - 

http://www.paper.edu.cn 100KΩ 时，桥臂两端的电压差为 0V。在步进电机朝向东方的初始位置，装有一个精密定 位开关，当单片机检测到的电压差为 0V 时，如果定位开关是 on，说明这时由黑夜变为白 天，定日镜将会开始自动跟踪太阳:如果定位开关是 off，说明这时由白天变为黑夜，步进 电机会自动复位到定位开关处。当桥臂两端的电压差不为 0V 时，步进电机不转动;如果定 位开关是 on，说明这时处于黑夜，这时处于白天，定日镜自动跟踪太阳。 在跟踪过程中采用角位移传感器来反馈定日镜的方位。因而，有大量的模拟信号需要 实时采集并传输到控制系统进行处理，为了确保传输数据的准确性和实时性，这里选用了 LM258 通过电压跟随后，接 5.1V 的稳压管，因为反馈是从最后的输出取，所以信号不会 因为稳压管具有的漏电流而哀减。改善信号的阻抗特性,保护瞬间的过压过流信号对单片机 造成损害. 图 3 太阳光检测电路 步进电机驱动电路采用的是 DIP-16 封装的 UC3717 芯片，这是一种用来驱动二相步进 电机的专用芯片，它由可控逻辑输入端和内置保护二极管的单稳态输出端组成。两片 UC3717 和一些外部原件可以组成一个完备的二相步进电机的驱动系统。如图 4 所示： UC3717 的换相输入端为管脚 8，它控制二相步进电机绕组的电流方向，内置的施密特触发 器产生换相延时，可以有效消除电流换相时输出管脚的电流噪音干扰。 图 4 采样信号放大和跟随电路 图 5 步进电机驱动电路 2.4 控制系统的软件设计 采用 PIC 汇编语言编程，主要包括主程序，初始化程序，自动跟踪子程序等。其中主 -3- 

程序用来巡回检测和控制整个系统工作。主程序流程图如图 6 所示： http://www.paper.edu.cn 3. 结束语 图 6 主程序图 本文设计的定日镜跟踪系统的主要特点是采用新的跟踪和聚光理论，使得定日镜的象 散小，特别是象散随时间变化较小；闭环控制系统能够在任何气候条件下实现对日的稳定 可靠跟踪。系统稳定，跟踪效果好。 参考文献 [1] 刘祖平，一种跟踪和聚光的全新的理论[J]，中国科学技术大学学报，2006. [2] 张宝星， 太阳能利用的跟踪与聚集系统研究[A]，合肥工业大学研究生硕士学位论文，2006. [3] 饶鹏，孙胜利，叶虎勇，两维程控太阳跟踪器控制系统的研制[J]，控制工程，2004. [4] 张明峰，PIC 单片机入门与实战 [M ]，北京航空航天大学出版社，2001. [5] SYSTEM,Solar Energy Vo1.57, No.6, pp.465-469, 1996. SoterisA.Kalogirou,DESIGN AND CONSTRUCTION OF A ONE-AXIS SUN-TRACKING -4- 

http://www.paper.edu.cn Design of Heliostat Tracking System in Tower Solor Thermal Power Generation 1College of Mechanical Electrical Engineering, Hohai University, Jiangsu, Changzhou (213022) 2School of Mechanical Engineering Yancheng institute of technology, Jiangsu Geng Qidong1,2, Chen Fei1 Yancheng (224051) Abstract A unique closed-loop system is designed for heliostat, which is controlled by the core of singlechip PIC16F877,and based on Chen Theory —an innovative theory of tracking and focusing in solor thermal power generation. The theory makes a small astigmatism of heliostat ,which is espically comparatively small with time change;the closed-loop system can achieve the stabilization and dependability in tracking the sun in any climatic condition. Keywords: solor thermal power generation, tracking ,heliostat, singlechip ,closed-loop 作者简介：耿其东，男，1979 年生，助教，硕士研究生，主要研究方向是单片机控制和太 阳能热发电。 -5-