碟式斯特林太阳自动跟踪控制系统设计

摘要：针对碟式斯特林太阳能热发电中的太阳跟踪问题，提出了基于GPS的开环程序粗跟踪和四象限硅光电池跟踪校准的闭环跟踪解决方法。以ATmega128单片机为主控制器，根据GPS模块和反馈装置获得的信息，控制碟转向机构的水平、俯仰两个方向运动，实现对太阳位置的跟踪，形成了一个精度高、受环境影响较小的闭环控制系统，能够保证碟式聚光器的光斑始终落在斯特林发动机的接收器上。
关键词：太阳自动跟踪；ATmega128；混合控制；碟式斯特林

引言
碟式斯特林太阳能热发电装置是一种通过聚焦太阳光产生高温，进而推动斯特林发动机(热气机)输出电能的装置。图1为典型碟式斯特林太阳能热发电装置系统原理图。它通过碟式聚光器聚焦太阳光，使之进入太阳光接收器，并转化为热能推动发电机运转和输出电能。装置中设计有转向机构，可保证装置通过调节聚光器的仰角及水平角度实现追踪太阳的目的，以提高太阳能利用率。为了使转向机构实现其功能并最大限度地利用太阳能，需要设计一个能够实时对太阳进行大范围跟踪的太阳跟踪系统，使太阳光始终聚集在斯特林发动机的太阳光接收器上。

本文采用混合控制方式，结合了开环跟踪与闭环控制的优点，以ATmega128单片机为主控制器，设计了一款碟式斯特林太阳跟踪控制系统，实现大范围的各种天气状况下的太阳跟踪，使碟式聚光器聚焦光斑都落在斯特林发动机的接收器上，提高系统的安全性和发电效率。

1 系统原理
通过GPS接收器，得到碟式斯特林太阳能热发电装置所在地的经度、纬度以及UTC时间；通过开环的程序跟踪，计算出太阳高度角和方位角，确定太阳当前的位置；输出PWM信号，驱动转向机构的水平与俯仰步进电机，使碟式聚光器达到预期位置；采用四象限硅光电池对碟式
聚光器做自动定位和误差校正，进行闭环控制，微调聚光碟的位置，确保太阳光通过碟式聚光器聚焦都落在斯特林发动机的接收器上，以保证发动机的效率最大化。系统组成原理框图如图2所示。

2 系统硬件
2．1 微控制器ATrnega128
ATmega128单片机是基于AVR RISC结构8位低功耗CMOS微处理器，为AVR单片机系列中的高性能单片机。ATmega128单片机内部带有128 KB的在系统可编程Flash程序存储器、4 KB的EEPROM、4 KB的SRAM、53个通用I／O端口线、32个通用工作寄存器、8通道10位ADC、53个可编程I／O端口线、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器／计数器(T／C)，能够很方便地控制步进电机。
2．2 天气模块
天气模块主要用于天气状态的检测，如光强、风速和阴雨等。当风速达到或大于设定值时，ATmega128单片机发出指令，通过接口电路驱动转向机构，使碟式聚光器保持安全位置状态，从而保证系统的安全。当系统采集的实时环境光强和实时时间都小于设定的最小经济发电光强时，碟式斯特林太阳能热发电装置做出相应处理，等待光强达到设定值时再次运行。
2．3 GPS接收器
GPS接收器采用Motorola公司的M12模块，M12模块接收卫星信号，通过串口输出信息。ATmega128单片机解码出当地的经度、纬度以及UTC时间，根据天文公式，计算出当前太阳高度角和方位角。由于ATmega128单片机和M12模块的I／O操作电压范围不同，所以两者的串口之间需通过光电耦合器进行电平转换才能保持稳定通信，其电路如图3所示。