曹健寧，王 菲

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

在科技與經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，能源已經(jīng)成為至關(guān)重要的條件之一。然而，地球上很多不可再生資源已經(jīng)消耗殆盡，所以發(fā)現(xiàn)和利用新能源已經(jīng)成為了人們關(guān)注的重要問(wèn)題。近些年，太陽(yáng)能的發(fā)展越來(lái)越受到人們的關(guān)注，其清潔環(huán)保、取之不盡用之不竭等諸多優(yōu)點(diǎn)倍受人們的青睞［1］。

早在90年代初期，德國(guó)和美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)研制出簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，并且推出了太陽(yáng)能廚房。不過(guò)那時(shí)的太陽(yáng)能跟蹤裝置只是東西方向的單軸運(yùn)轉(zhuǎn)，南北方向只能通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，極為不便并且精度不夠，對(duì)太陽(yáng)光的利用率也不高［2］。但是在2006年，Accion公司建立了西班牙最大的太陽(yáng)能電站，整個(gè)裝置包含了400個(gè)太陽(yáng)能跟蹤托盤，14400個(gè)太陽(yáng)能電池板，能夠根據(jù)太陽(yáng)的不同位置全天跟蹤太陽(yáng)光，到目前為止達(dá)到了世界的先進(jìn)水平［3］。在我國(guó)，早在1992年也已經(jīng)推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。近些年，太陽(yáng)光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域，國(guó)家氣象局研制的FST全自動(dòng)太陽(yáng)光跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽(yáng)輻射的觀測(cè)。太陽(yáng)能熱水器，太陽(yáng)能電池板已經(jīng)成功的進(jìn)入了個(gè)人家，為人們儲(chǔ)存熱量或者發(fā)電［4］。因此，我國(guó)的太陽(yáng)能技術(shù)也已經(jīng)站在了世界的先進(jìn)水平行列。

不過(guò)，對(duì)于太陽(yáng)能的利用還存在著很多不妥的地方，跟蹤精度不高，跟蹤條件受天氣的影響等很多因素降低了太陽(yáng)能的利用率。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、利用率較高、長(zhǎng)期穩(wěn)定的太陽(yáng)光實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)多種天氣下的太陽(yáng)光進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤，可保證較大的光電轉(zhuǎn)換率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案

太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)主要是由光電轉(zhuǎn)化模式和太陽(yáng)光運(yùn)行軌道跟蹤模式兩種跟蹤系統(tǒng)組成，可加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高太陽(yáng)光利用率。晴天時(shí)，先啟動(dòng)太陽(yáng)光軌道跟蹤，使裝置大致對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光的方向，達(dá)到探測(cè)器的跟蹤范圍。再啟動(dòng)光電跟蹤，對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行精確定位。陰天時(shí)，系統(tǒng)啟用太陽(yáng)光軌道跟蹤模式繼續(xù)跟蹤，當(dāng)天氣陰轉(zhuǎn)晴時(shí)，系統(tǒng)又再次轉(zhuǎn)入光電跟蹤。

該系統(tǒng)的光電跟蹤系統(tǒng)主要是用四象限探測(cè)器做為接收裝置，以C8051F040單片機(jī)作為核心，將接收到的太陽(yáng)光光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后，進(jìn)行放大、濾波，輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，由單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的跟蹤運(yùn)轉(zhuǎn)。圖1是該系統(tǒng)的基本原理框圖。

圖1 系統(tǒng)基本原理圖

太陽(yáng)運(yùn)行軌道跟蹤模式根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡來(lái)跟蹤太陽(yáng)光，太陽(yáng)軌跡位置由被測(cè)地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)確定。在經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)后，如果采用太陽(yáng)光軌道跟蹤有4種參數(shù)是最為重要的。分別是太陽(yáng)赤緯角δ，太陽(yáng)時(shí)角ψ，太陽(yáng)高度角H和太陽(yáng)方位角T。

在設(shè)定跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后，前兩種參數(shù)有固定的公式可以很容易的計(jì)算出具體數(shù)值，后兩種參數(shù)太陽(yáng)的高度角和方位角是由控制系統(tǒng)按照太陽(yáng)的地平坐標(biāo)公式自動(dòng)運(yùn)算，然后太陽(yáng)每分鐘角度變化的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹瑱C(jī)中，由單片機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行高度和方位雙軸的跟蹤。天黑后，系統(tǒng)自動(dòng)停止跟蹤。

2 探測(cè)器的選擇

光電跟蹤模式中，傳感器的選擇極為重要，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤精度和準(zhǔn)確性。我們選用GT111型四象限光電探測(cè)器，其本身為N型設(shè)計(jì)，密封陶瓷封裝，擁有六只管腳，一只接地，一只接偏壓，另外四只管腳分別接四象限探測(cè)器的四個(gè)光敏二極管。它具有光敏面積大、響應(yīng)速度快、可靠性高、精確度較高等優(yōu)點(diǎn)，十分適用于本系統(tǒng)［5］。

2.1 四象限探測(cè)器的工作原理

四象限探測(cè)器是由四個(gè)性能完全相同的光敏電阻按照直角坐標(biāo)的要求排列成四個(gè)象限坐落在一個(gè)芯片上，當(dāng)太陽(yáng)光照射其表面時(shí)，每個(gè)象限所受到的光照面積的大小與每個(gè)象限中光敏電阻所輸出的電流的大小是成正比的，當(dāng)四個(gè)象限光照強(qiáng)度相同時(shí)，四個(gè)光敏電阻所輸出的電流信號(hào)是相同的。當(dāng)四個(gè)象限的光照強(qiáng)度不同時(shí)，四個(gè)象限的光敏電阻所輸出的電信號(hào)就會(huì)有明顯的差異［6］。由此可以推斷出目標(biāo)方位并進(jìn)行跟蹤。

2.2 光斑半徑取值范圍的研究

光斑的大小和四象限探測(cè)器有效面積的大小直接影響探測(cè)器輸出電流變化，并形成有效測(cè)量范圍，如果光斑的取值不當(dāng)，探測(cè)器不能有效的利用太陽(yáng)光，那么會(huì)直接影響系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光跟蹤的精度和準(zhǔn)確性［7］。下面對(duì)光斑的取值范圍做一下討論。

圖2 光斑直徑與四象限探測(cè)器的半徑相同

如圖2所示［8］，當(dāng)光斑處于l時(shí)，探測(cè)器沒(méi)有電流輸出。當(dāng)光斑向右移動(dòng)時(shí)，探測(cè)器電流輸出漸漸增大。當(dāng)光斑移動(dòng)到2時(shí)，此時(shí)的電流輸出最大。當(dāng)光斑過(guò)了2處繼續(xù)向右移動(dòng)，那么二、三象限的照射面積就開始減少，電流輸出也同時(shí)開始減少，一、四象限內(nèi)負(fù)值電流開始增加，當(dāng)光斑移動(dòng)到3處時(shí)，光斑照射在四個(gè)象限的面積相等，探測(cè)器這時(shí)輸出為零，誤差值為零。如果再向右移動(dòng)，一、四象限的照射面積就會(huì)大于二、三象限的照射面積，電流輸出值為負(fù)值。直到光斑移動(dòng)到4處，一個(gè)完整的光斑就照射在一、四象限，探測(cè)器的電流輸出達(dá)到負(fù)的最大值。當(dāng)光斑繼續(xù)向遠(yuǎn)端移動(dòng)，探測(cè)器的輸出電流逐漸變小，移至5處探測(cè)器輸出為零。

圖3、圖4［8］分別是光斑直徑小于和大于四象限探測(cè)器半徑的示意圖，不難看出這兩種情況在2-3，5-6范圍內(nèi)都有一段直線，都沒(méi)有充分的利用太陽(yáng)光，所以跟蹤的靈敏度都被很大程度上的降低了。

綜上所述，當(dāng)光斑直徑等于探測(cè)器的半徑時(shí)時(shí)，即充分利用了光照能量，又獲得較大的有效測(cè)量輸出電流變化的范圍，所以是最佳的選擇。

圖3 光斑直徑小于四象限探測(cè)器的半徑

圖4 光斑直徑大于四象限探測(cè)器的半徑

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件電路主要是由放大電路、濾波電路、單片機(jī)C8051F040、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)、LED顯示、按鍵、時(shí)鐘等所組成。首先設(shè)計(jì)出硬件電路的原理框圖。如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框圖

在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，選取的單片機(jī)是C8051F040，其本身具有可靠性高、運(yùn)算速度快、擴(kuò)展功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足于本系統(tǒng)的要求。我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)接收裝置，將接收到的太陽(yáng)光形成一個(gè)直徑與四象限探測(cè)器半徑相等的圓形光斑，原因前面已經(jīng)進(jìn)行了分析，這里不再重復(fù)。當(dāng)太陽(yáng)光照到探測(cè)器上時(shí)，探測(cè)器會(huì)輸出四路微弱的光電流，要用放大器將信號(hào)放大。

由于在探測(cè)器輸出的信號(hào)中存在著電壓的紋波、光響應(yīng)度、感光面積、暗電流和結(jié)電容等參數(shù)，這會(huì)直接影響到單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，導(dǎo)致單片機(jī)不能輸出精確的信號(hào)。所以，在將信號(hào)放大后我們需要一個(gè)低通濾波器，在信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之前，處理掉電壓的紋波，保證電路的正確運(yùn)行。

信號(hào)進(jìn)入C8051F040單片機(jī)。經(jīng)過(guò)單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，給出太陽(yáng)的方位角和高度角的電壓偏差信號(hào)(也就是太陽(yáng)光斑偏離中心的距離)，通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使兩個(gè)角度的電壓偏差值趨于零，這樣就會(huì)達(dá)到太陽(yáng)光實(shí)時(shí)跟蹤的目的。存貯芯片我們選用的是AT24C32，它可以保存每一時(shí)刻探測(cè)器輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)。如果發(fā)生突然斷電這種意外，該芯片仍然可以保存斷電前一刻的太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角的數(shù)值，以便再次正常工作時(shí)可以用來(lái)作比較，計(jì)算兩次的角度差值，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，能夠精確的跟蹤太陽(yáng)光。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示為系統(tǒng)的軟件流程圖。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

接通電源之后，系統(tǒng)會(huì)判定是否在正常的工作時(shí)間段內(nèi)，如果是夜晚則該系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)束。如果是白天，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行初始化，這里包括看門狗電路。系統(tǒng)先進(jìn)行太陽(yáng)光軌道跟蹤，單片機(jī)自動(dòng)計(jì)算太陽(yáng)的高度角、方位角，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行粗定位，使其達(dá)到光電跟蹤的范圍。隨后系統(tǒng)進(jìn)行光電跟蹤模式，將接收到的微弱光電流進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換、放大、濾波，輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，給出控制信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)機(jī)對(duì)太陽(yáng)的方位和高度進(jìn)行精確的跟蹤。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種太陽(yáng)光實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光電跟蹤和太陽(yáng)光軌道跟蹤兩種跟蹤模式。光電跟蹤部分以單片機(jī)C8051F040為控制核心，通過(guò)四象限光電探測(cè)器對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行接收裝換，由處理電路進(jìn)行放大、濾波，最后由單片機(jī)輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。太陽(yáng)光軌道跟蹤則是由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算太陽(yáng)的高度角、方位角等相關(guān)參數(shù)，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行定位，由控制系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)每一時(shí)刻的角度變化來(lái)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤。兩種跟蹤模式相互補(bǔ)充，不需要過(guò)多的控制，運(yùn)行穩(wěn)定，跟蹤精度高?？蓮V泛應(yīng)用于地下建筑、無(wú)窗建筑、礦業(yè)和勘探等場(chǎng)合，為提高太陽(yáng)光利用率提供了重要的依據(jù)。

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