楊泳雪，王 記，樂建華，朱志剛，胡衛(wèi)國，顧曉雷

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京211100）

太陽能是地球上清潔安全的能源之一，多年來人們對(duì)其產(chǎn)品的研發(fā)熱度不斷升溫。但因受到晝夜、季節(jié)、氣候、地理緯度和海拔高度等影響，太陽輻射間斷而不穩(wěn)定[1]，因此太陽能的利用率普遍較低，這就對(duì)太陽能的收集和利用提出了更高的要求。

由于集光平面接收的太陽輻射度與太陽光入射角（太陽光與集光平面的夾角）有關(guān)，入射角增加，接收太陽輻射度增加，進(jìn)而太陽能的利用率增大，所以使太陽能利用裝置的集光平面與太陽光入射角始終保持最大值（90°），是在有限的集光面積內(nèi)提高裝置太陽能利用率的有效方法之一。依據(jù)這一理論，國內(nèi)外相繼研制出了多種太陽能跟蹤裝置，如壓差式、控放式、光電式和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤式等。

壓差式屬純機(jī)械式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但沒有足夠的工作空間，且精度較低；控放式能進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使收集到的能源得以充分轉(zhuǎn)化利用，成本低，但只能用于單軸跟蹤，不能自動(dòng)復(fù)位，因而不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求，且存在跟蹤過度情況；視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤依靠計(jì)算太陽的準(zhǔn)確位置實(shí)現(xiàn)跟蹤，具有較高的適應(yīng)性，在任何氣候條件下都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，但算法復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)計(jì)算，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間要求很高，除此之外，由于對(duì)位置檢測(cè)的精度要求高，導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高。與上述跟蹤裝置相比，光電式可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，對(duì)日光的跟蹤精度較高，且可供選擇的傳感器較多，如PSD、攝像頭、光敏電阻以及光電二極管等。因光敏電阻之類的廉價(jià)光電元件成本較低，因此受到普遍關(guān)注。

本文介紹一種光電式太陽光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用自行設(shè)計(jì)的光敏電阻陣列式感光模塊對(duì)太陽光的入射方向進(jìn)行檢測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文介紹的太陽光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能是：(1)檢測(cè)太陽光位置信號(hào)，獲取太陽光點(diǎn)的位置偏差，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電機(jī)帶動(dòng)集光平面轉(zhuǎn)動(dòng)，使集光平面與太陽光線垂直；(2)通過定時(shí)及天氣判斷，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在夜間和陰雨天氣停止工作，以節(jié)省能源、降低系統(tǒng)損耗；(3)白天工作過后，控制器在設(shè)定的復(fù)位時(shí)間里向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出復(fù)位指令，控制集光平面回轉(zhuǎn)至初始位置并朝向東邊，等待第二天的工作。系統(tǒng)工作原理如圖1所示，該系統(tǒng)由檢測(cè)模塊、主控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括光點(diǎn)位置檢測(cè)電路、集光器朝向檢測(cè)電路、陰晴檢測(cè)電路、主控器電路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等模塊。主要硬件電路原理圖如圖2所示。下面分別介紹各模塊設(shè)計(jì)原理。

圖2 主要硬件電路原理圖

2.1 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊包括光點(diǎn)檢測(cè)模塊、陰晴檢測(cè)模塊、集光平面朝向檢測(cè)模塊三部分。

圖3所示為光點(diǎn)檢測(cè)模塊的感光平面圖，該模塊主要由25個(gè)光敏電阻排列成5×5的陣列結(jié)構(gòu)，分別組成U1～U25位置單元，用于檢測(cè)太陽光的位置。

圖3 5×5光敏電阻陣列式感光模塊示意圖

將上述陣列式感光模塊置于一密封盒子中，在密封盒位于感光模塊中心位置單元U13的正上方位置開一小孔作為通光孔，并將該密封盒安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的托盤上，使密封盒的上下平面與托盤平面平行。

在無光線進(jìn)入通光孔時(shí)，通過合理調(diào)整光敏電阻的電路參數(shù)，使無光照時(shí)U1～U25位置單元的光敏電阻輸出信號(hào)相等。

當(dāng)托盤正對(duì)太陽時(shí)，光點(diǎn)投射在U13上，此時(shí)U13的光敏電阻獲得的太陽光輻射最大，其輸出信號(hào)也最大；隨著時(shí)間推移，太陽位置發(fā)生變化，光點(diǎn)位置也隨之發(fā)生移動(dòng)。根據(jù)光點(diǎn)偏移的位置，將5×5陣列式感光模塊分成以下9個(gè)區(qū)域：U11、U12為上區(qū)域，U14、U15為下區(qū)域，U3、U8為左區(qū)域，U18、U23為右區(qū)域，U1、U2、U10、U9為左上區(qū)域，U19、U20、U21、U22為右上區(qū)域，U4、U5、U6、U7為左下區(qū)域，U16、U17、U24、U25為右下區(qū)域，U13為正中區(qū)域。主控制通過尋找25個(gè)輸出信號(hào)的最大值，判斷光點(diǎn)所處區(qū)域，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整集光平面的位置，使集光平面與太陽光垂直。假設(shè)當(dāng)前U1單元光敏電阻輸出信號(hào)最大，即光點(diǎn)的偏移位置為左上區(qū)域，則控制器將控制俯仰軸和水平軸的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使集光平面繞俯仰軸向北及繞水平軸向西轉(zhuǎn)動(dòng)，直到U13單元光敏電阻輸出信號(hào)最大。

上述感光模塊巧妙地運(yùn)用了PSD四象限探測(cè)器測(cè)量光點(diǎn)偏移的基本原理，理論精度達(dá)1.5 mm，與以往的2 mm理論精度光敏電阻跟蹤器相比，精度有較大提高，但價(jià)格卻比PSD四象限探測(cè)器低很多。

陰晴檢測(cè)模塊由一塊空載電壓為2 V的多晶硅太陽能電池板構(gòu)成。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，在陰雨天氣里，該太陽能電池板的輸出電壓均值為1.31 V，而在晴天，其輸出電壓均值為1.96 V，因此取1.31 V作為陰雨天氣判別的閾值。

朝向檢測(cè)模塊由HMC5883L電子羅盤構(gòu)成，該模塊輸出的角度值可通過I2C總線直接傳送給控制器，作為控制集光平面夜間復(fù)位的位置反饋信號(hào)。同時(shí)，在PC上位機(jī)獲取該信號(hào)，可對(duì)系統(tǒng)的工作情況實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀測(cè)。

2.2 主控制器設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中主控制器的主要任務(wù)是完成光點(diǎn)位置、集光平面朝向、陰晴天氣的數(shù)據(jù)采集和分析，并作出控制決策，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。由于ARM7系列芯片中的STM32F103RBT6內(nèi)置有一個(gè)系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、51路I/O和復(fù)用16路A/D資源，無需進(jìn)行過多外圍擴(kuò)展，因此選擇該芯片作為主控制器芯片。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

如圖4所示，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)以地平坐標(biāo)系為參考系統(tǒng)[2]，采用高度角—方位角全跟蹤方式[2]，驅(qū)動(dòng)集光平面追蹤太陽光的位置。該機(jī)構(gòu)利用蝸桿減速電機(jī)M1和步進(jìn)電機(jī)M2分別控制托盤方位角（0～180°）和俯仰角（0～90°）的變化。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，并能夠產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩，該機(jī)構(gòu)在水平軸上通過一對(duì)大小齒輪與電機(jī)連接，在俯仰軸上應(yīng)用梯型絲杠作為推桿，使機(jī)構(gòu)連接成三角形的支撐結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)一方面具有減速作用，使托盤平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)又產(chǎn)生較大的力矩；另一方面蝸桿減速電機(jī)和絲杠都具有自鎖功能，在實(shí)際應(yīng)用中起到抗風(fēng)及位置鎖定作用，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

由于裝有感光模塊并開有通光孔的密封盒和集光平面均與托盤平行安裝，因此托盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，集光平面隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，光線透過通光孔在感光模塊上形成的光點(diǎn)位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化?？刂破鞲鶕?jù)光點(diǎn)的偏移區(qū)域控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，電機(jī)帶動(dòng)托盤轉(zhuǎn)動(dòng)，直至光點(diǎn)投射在正中區(qū)域U13，此時(shí)集光平面正好與太陽光垂直。

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件實(shí)現(xiàn)的基本功能是：(1)根據(jù)時(shí)鐘提供的時(shí)間和陰晴檢測(cè)電路輸出的天氣信息，決定是否啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作；(2)根據(jù)光點(diǎn)位置信息，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電機(jī)作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

若在工作時(shí)間內(nèi)（白天），且天氣為晴，系統(tǒng)將啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作；若不在工作時(shí)間內(nèi)（夜里），或天氣為陰，系統(tǒng)將使執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷電停止工作，以節(jié)約能源。工作期間內(nèi)，當(dāng)太陽光經(jīng)通光孔照射到陣列式感光模塊的感光面上時(shí)，主控制器循環(huán)采集來自光點(diǎn)檢測(cè)電路輸出的太陽光點(diǎn)位置信息，并與U13中心位置進(jìn)行比較后，輸出位置偏差和方位信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使集光平面追蹤太陽光。系統(tǒng)控制軟件框圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)太陽光的跟蹤效果，采用一塊6 V 1.1 W的多晶硅太陽能電池板代替集光平面安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的托盤上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為6∶00～18∶00。圖6為該多晶硅太陽能電池板在對(duì)太陽光實(shí)施跟蹤和不實(shí)施跟蹤的情況下輸出電壓在上述時(shí)間段內(nèi)的變化曲線。

圖5 系統(tǒng)控制程序流程圖

圖6 太陽能電池板輸出電壓折線圖

從圖中可看出，在6∶00～8∶00和16∶30～18∶00兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，對(duì)太陽光實(shí)施跟蹤與不實(shí)施跟蹤時(shí)相比，太陽能電池板的輸出電壓明顯提高，說明在這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)對(duì)太陽光實(shí)施跟蹤可顯著提高太陽能的利用效率。

調(diào)查及實(shí)驗(yàn)顯示，太陽光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)對(duì)提高太陽能的利用率有重要作用，具有廣闊的市場(chǎng)前景，適用各種太陽能利用裝置，如光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱水器、太陽灶等。在此類裝置上安裝太陽光跟蹤系統(tǒng)，可較大幅度提高裝置本身的太陽能利用率。

本文設(shè)計(jì)的太陽光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、成本低等特點(diǎn)，適合安裝在車、船等流動(dòng)性較強(qiáng)的載體上。

[1]余海.太陽能利用綜述及提高其利用率的途徑[J].新能源研究與利用，2004，7(3)：34-37.

[2]金晶晶.太陽光線自動(dòng)跟蹤裝置[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2007.