劉路路，黃祥康，邱選兵，魏計(jì)林

(太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，山西太原 030024)

隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求逐漸增大。太陽(yáng)能是一種新型的清潔能源，如何充分利用這種新型綠色能源，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，成為了當(dāng)今研究的熱門課題之一。

相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在使用相同功率太陽(yáng)能電池板的前提下，跟蹤式太陽(yáng)能系統(tǒng)相比固定式太陽(yáng)能系統(tǒng)的光伏轉(zhuǎn)換效率要高出約37.7%［1-3］。由此可見，在實(shí)際應(yīng)用中使用跟蹤式的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，將大幅度提高發(fā)電量，增加社會(huì)效益。

目前國(guó)內(nèi)外的太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)主要分為兩種［4］:一是利用視日運(yùn)動(dòng)法算出任一時(shí)刻的太陽(yáng)方位角和高度角，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電池板轉(zhuǎn)向太陽(yáng)位置，但該方法不能避免天氣條件的影響;二是利用傳感器采集光信號(hào)，將光信號(hào)處理后得到太陽(yáng)偏移位置，再將電池板指向太陽(yáng)位，而此方法的不足在于能否將跟蹤系統(tǒng)從日落角度恢復(fù)到日出角度［5］。因此文中采用上述兩種方法相結(jié)合的基于低功耗Cortex-M3核的ARM處理器，實(shí)現(xiàn)了高精度跟蹤定位太陽(yáng)的功能，首先CPU通過(guò)GPS獲取到控制系統(tǒng)的經(jīng)緯度和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，再根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)法理論計(jì)算出太陽(yáng)位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使電池板指向太陽(yáng)，然后利用四象限傳感器信號(hào)進(jìn)行修正;同時(shí)采用獨(dú)立的光強(qiáng)傳感器，獲得實(shí)時(shí)太陽(yáng)光照，從而以天氣情況判斷是否停止跟蹤系統(tǒng)，節(jié)約控制裝置能耗。

1 太陽(yáng)跟蹤原理

1.1 視日運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)天文學(xué)知識(shí)，地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期為一年，地球本身也在不停自轉(zhuǎn)，而自轉(zhuǎn)周期為一天。地球的自轉(zhuǎn)軸與其圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)平面始終為23.5°，由此形成了一年四季的變化。

圖1 地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)示意圖

由圖1可知，一年當(dāng)中，太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度始終在23.5°S到23.5°N之間變化。將某天太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度稱為太陽(yáng)赤緯角δ，δ(°)是天數(shù)n的函數(shù)，δ與 n之間的函數(shù)關(guān)系為

式中，n為一年當(dāng)中的天數(shù)，自1月1日起算。如2月5日，n=36。

地球自轉(zhuǎn)周期為24 h，假設(shè)地球不自轉(zhuǎn)，則在地球上的觀察者看來(lái)是太陽(yáng)每小時(shí)向西移動(dòng)15°，定義正午的時(shí)角ω(°)為0°，則一天之中的時(shí)角可用時(shí)角公式算出

式中，h為24小時(shí)制的時(shí)間。當(dāng)ω為正數(shù)時(shí)表示太陽(yáng)偏東，為負(fù)數(shù)時(shí)表示太陽(yáng)偏西。

在太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)中，主要用兩個(gè)參數(shù)表示太陽(yáng)位置:太陽(yáng)高度角α(°)和太陽(yáng)方位角Α(°)，如圖2所示。太陽(yáng)高度角α指太陽(yáng)照射某點(diǎn)的光線與照射點(diǎn)所在地平面的夾角，太陽(yáng)方位角Α指太陽(yáng)照射某點(diǎn)的光線在地平面上的投影與正南方的夾角，計(jì)算公式為［5-6］

式中，δ為太陽(yáng)赤緯角;ω是時(shí)角;φ是當(dāng)?shù)鼐暥?/p>

圖2 太陽(yáng)高度角與太陽(yáng)方位角

1.2 傳感器跟蹤法

在太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)中使用最為廣泛的是四象限光電探測(cè)器。它是將4個(gè)性能完全相同的硅光電池或光電二極管按直角坐標(biāo)要求排列的光電探測(cè)器件［7］。安裝時(shí)將探測(cè)器的感光面與太陽(yáng)能電池板放在同一平面上。當(dāng)太陽(yáng)光垂直射到太陽(yáng)能電池板時(shí)，探測(cè)器上的光斑位于正中心，如圖3所示。

圖3 陽(yáng)光直射時(shí)光斑位置

當(dāng)太陽(yáng)偏移一定位置時(shí)，則探測(cè)器的光斑則不再與中心重合，設(shè)光斑位置相對(duì)原點(diǎn)位置為 Δx、Δy，如圖4所示，傳感器輸出為

式中，y1～y4是四象限探測(cè)器第Ⅰ～第Ⅳ象限的輸出;C是由系統(tǒng)決定的常量。

圖4 陽(yáng)光斜射時(shí)光斑位置

系統(tǒng)根據(jù)Δx、Δy的值調(diào)整太陽(yáng)能板的方向，當(dāng)Δx=0、Δy=0時(shí)，表明探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。由于探測(cè)器感光面與太陽(yáng)能板共面，此時(shí)陽(yáng)光直射太陽(yáng)能電池板。

2 跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的跟蹤機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤的重要部分，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板的主要傳動(dòng)環(huán)節(jié)。跟蹤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)角度量、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、傳動(dòng)比以及傳動(dòng)效率等因素。其精密程度也將直接影響到系統(tǒng)的可靠性和跟蹤太陽(yáng)的精度。

目前，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)有單軸式和雙軸式兩種。雖然單軸式結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但其只有一個(gè)自由度，而太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡不是單一的圓周運(yùn)動(dòng)，因此單軸式的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)只能簡(jiǎn)單粗略地跟蹤，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的要求。綜合考慮各種因素，文中采用雙軸式跟蹤方式，實(shí)際制作的跟蹤控制模型如圖5所示。

圖5 太陽(yáng)跟蹤裝置模型圖

雙軸式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖6所示，主要由水平和仰角的控制電機(jī)、減速傳動(dòng)齒輪和支架構(gòu)成。圖7是跟蹤機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖。水平控制電機(jī)通過(guò)減速齒輪帶動(dòng)系統(tǒng)水平旋轉(zhuǎn)，跟蹤太陽(yáng)方位角;而仰角控制電機(jī)則改變電池板仰角的大小，跟蹤太陽(yáng)的高度角。設(shè)計(jì)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制范圍0°～360°，仰角控制范圍0°～90°，滿足各緯度跟蹤要求。

圖6 云臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述太陽(yáng)跟蹤原理，所設(shè)計(jì)的高精度太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)，其組成如圖8所示?？刂葡到y(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)放大電路、通信電路、GPS模塊、單片機(jī)控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及機(jī)械云臺(tái)等組成。

圖8 控制系統(tǒng)框圖

光強(qiáng)傳感器用于檢測(cè)當(dāng)前光強(qiáng)，系統(tǒng)根據(jù)此光強(qiáng)信號(hào)判斷是否啟動(dòng)跟蹤;四象限傳感器的信號(hào)通過(guò)放大電路進(jìn)行調(diào)整，輸出4個(gè)象限的電壓信號(hào)提供太陽(yáng)位置偏移量;系統(tǒng)采用RS232接口是為了使系統(tǒng)能與PC機(jī)通信，如PC機(jī)可采集光強(qiáng)信號(hào)、太陽(yáng)方位等信息;GPS模塊則是為系統(tǒng)提供緯度和時(shí)間;電機(jī)驅(qū)動(dòng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)械云臺(tái)的水平和仰角的控制電機(jī)。

3.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作前，將電池板水平方向指向正南位置。通電后，單片機(jī)從GPS模塊獲取緯度和實(shí)時(shí)時(shí)間信息，計(jì)算出此刻太陽(yáng)高度角和方位角后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)水平和仰角步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)角度將電池板指向正對(duì)太陽(yáng)位置。并檢測(cè)傳感器的信號(hào)判斷是否已對(duì)準(zhǔn)，若是，則定位太陽(yáng)完成，否則需進(jìn)行角度修正。

角度修正方法:假設(shè)進(jìn)行修正前位置如圖9所示，此時(shí)太陽(yáng)光與電池板的法線夾角為φ，單片機(jī)從傳感器信號(hào)計(jì)算得到Δx、Δy。首先進(jìn)行仰角修正，驅(qū)動(dòng)仰角電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作使仰角減小，當(dāng)檢測(cè)到Δy=0時(shí)，仰角修正完成，如圖10所示。接著進(jìn)行水平角修正，當(dāng)檢測(cè)到Δx=0時(shí)，角度修正完成，電池板正對(duì)太陽(yáng)。

圖9 角度修正前位置示意圖

圖10 仰角修正完成時(shí)示意圖

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，所設(shè)計(jì)的軟件流程主要包括CPU解碼從GPS模塊接收的數(shù)據(jù)，得到緯度和時(shí)間信息，經(jīng)計(jì)算后得到太陽(yáng)高度角和方位角并作出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)、角度修正及判斷光強(qiáng)等，其系統(tǒng)控制流程和角度修正流程如圖11所示。

4 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

圖12為2012年10月6日太原市(37.82°N，112.48°E)，用式(3)和式(4)求得的太陽(yáng)高度角和方位角隨時(shí)間變化曲線。

圖11 角度修正流程

圖12 太陽(yáng)高度角和方位角隨時(shí)間變化圖

表1是2012年12月6日系統(tǒng)在太原市(37.82°N，112.48°E)從8～17點(diǎn)工作得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 一天之中太陽(yáng)高度角、方位角的理論值和實(shí)測(cè)值

由圖12可知，太陽(yáng)高度角在正午12時(shí)達(dá)到最大值，且以12時(shí)為軸對(duì)稱分布;太陽(yáng)的方位角在8時(shí)以前和16時(shí)以后是單調(diào)遞增，而在8時(shí)到16時(shí)之間是單調(diào)遞減。表1中的數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)可達(dá)±1.5°以內(nèi)的跟蹤精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)使用視日運(yùn)動(dòng)軌跡法或傳感器單一方法不能準(zhǔn)確、合理跟蹤太陽(yáng)的缺點(diǎn)，文中結(jié)合其各自優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ARM的高精度太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)±1.5°范圍內(nèi)的跟蹤精度，且成本低、可靠性高。

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