黃彥智，何 寧，趙佳慶

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004)

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基于陣列光電傳感陽光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃彥智，何 寧，趙佳慶

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004)

依據(jù)太陽光線變化的緩慢性、間歇性及環(huán)境天氣的變化，設(shè)計(jì)了一種光電跟蹤和太陽軌道跟蹤相結(jié)合的實(shí)時(shí)陽光跟蹤系統(tǒng)，采用陣列光電傳感與時(shí)鐘計(jì)算組合方法，分析太陽運(yùn)動(dòng)軌跡、角度姿態(tài)對(duì)陽光跟蹤與能量轉(zhuǎn)換效率的影響，探討四元陣光電傳感對(duì)太陽運(yùn)動(dòng)角度與方向變化的陽光跟蹤光電控制系統(tǒng)原理，通過光照強(qiáng)弱與時(shí)鐘計(jì)算太陽歷史位置進(jìn)行精確跟蹤。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)太陽位置的二維實(shí)時(shí)跟蹤和太陽能電池姿態(tài)控制，在光強(qiáng)大范圍變化條件下也可以精確的跟蹤，大大提高了太陽光的利用。

光電傳感；四元陣列；陽光跟蹤；方位控制；電池姿態(tài)

0 引言

太陽能作為新能源的代表，以其分布廣、可循環(huán)、儲(chǔ)量大、安全無污染等優(yōu)點(diǎn)在能源更替中具有無可替代的地位。然而它也存在能流密度較低、能量間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間變化等問題，這就對(duì)太陽能的收集和利用提出了更高的要求[1]。太陽能電池是一種半導(dǎo)體器件，其光電轉(zhuǎn)換能量的多少除了受自身制作工藝和材料影響外，還與能量轉(zhuǎn)化效率有關(guān)。陽光跟蹤系統(tǒng)能夠保持太陽能電池板正對(duì)太陽，使陽光垂直照射于電池，獲得最大轉(zhuǎn)換效率。研究表明，單軸跟蹤系統(tǒng)能提高發(fā)電量20%左右，而雙軸跟蹤系統(tǒng)能提高發(fā)電量達(dá)35%左右[2]。

近年來，太陽跟蹤系統(tǒng)主要采用光電傳感模式、視日運(yùn)動(dòng)軌跡模式和綜合模式，其中綜合模式跟蹤效果相對(duì)較佳，但也存在缺點(diǎn)，比如可追蹤角度小、抗干擾性差、容易跟錯(cuò)或丟失目標(biāo)，函數(shù)運(yùn)算復(fù)雜，增加功耗[3-4]。針對(duì)現(xiàn)有太陽能跟蹤系統(tǒng)的不足，提出一種新四元陣列光電池傳感跟蹤和歷史軌跡跟蹤相結(jié)合的跟蹤方式。該系統(tǒng)具有追蹤精確、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，能大大提高太陽光的利用率。

1 四元陣列陽光跟蹤原理

四元陣列陽光探測(cè)器主要由4塊硅光電池組成，如圖1所示。圖1底部所示為陣元結(jié)構(gòu)，每個(gè)象限由一個(gè)獨(dú)立的硅光電池構(gòu)成，陽光經(jīng)過凸透鏡聚光形成均勻光斑，四元陣硅光電池放置在透鏡適當(dāng)?shù)慕姑嫔稀８鶕?jù)硅光電池特性，光生電流隨光照面積線性增長[5]。當(dāng)太陽光線垂直于電池的感光面時(shí)，光斑圓心與四象限坐標(biāo)原點(diǎn)重合，此時(shí)4個(gè)硅光電池電流在閾值范圍內(nèi)相等，若入射光線與陣列感光面法線成角度入射，光斑成像落在4個(gè)象限的面積不相同，硅光電池輸出的電流信號(hào)幅值不等，控制器比較四個(gè)象限的輸出信號(hào)，調(diào)整陣元光電傳感姿態(tài)，即可對(duì)入射陽光進(jìn)行定位跟蹤。由于光電池具有較大的光敏面，與大口徑光學(xué)天線構(gòu)建系統(tǒng)簡單，若采用光敏面較小的光電二極管，光學(xué)系統(tǒng)要求苛刻，且可追蹤角度小，在光強(qiáng)大范圍變化條件下，對(duì)陽光跟蹤不利。

圖1 光電傳感器模型圖

傳統(tǒng)的光電傳感裝置有“光桶”式和“金字塔”式，“光桶式”傳感器抗干擾性能較強(qiáng)，但可跟蹤角度較小，在復(fù)雜多變的天氣環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)跟丟目標(biāo)的現(xiàn)象?！敖鹱炙笔絺鞲衅鞲櫡秶?，自動(dòng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，但感光器件設(shè)置在“金字塔”外表面，擺放位置暴露在外，容易受到外界光源干擾。而本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)型的“光桶式”光電傳感器，垂直入射光線經(jīng)過透鏡聚焦，光斑均勻落在傳感器底部的四元陣列光電池上，光斑隨光線的入射角增大而偏移，當(dāng)光斑偏移足夠距離，離開陣列硅光電池，落在光桶壁上時(shí)，底部傳感器就無法給出相應(yīng)位置光電信號(hào)。定義此時(shí)入射光線與鏡面法線夾角α為最大追蹤角，即光線入射角度小于最大追蹤角α?xí)r，傳感器能夠有效地判斷太陽位置，當(dāng)光線入射角度大于α?xí)r，則傳感器的輸出信號(hào)無效。若以地球?yàn)殪o止參照物，則可以認(rèn)為太陽每隔1h直射范圍橫跨經(jīng)度15°，所以圓錐形傳感器增加底部寬度，使α角變大，在多云間晴的天氣也能穩(wěn)定地對(duì)太陽進(jìn)行定位跟蹤，有效地提高了跟蹤可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)可以分為光電采集、單片機(jī)控制和上位機(jī)通信3部分，原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

光電采集部分包括四元陣列傳感器、可調(diào)跨阻放大電路和精確電流檢測(cè)電路。四元硅光電池陣列傳感與太陽能板放置在同一平面，且由云臺(tái)控制同步轉(zhuǎn)動(dòng)。硅光電池以電流信號(hào)輸出，而微處理器的有效輸入為電壓信號(hào)，因此需要用到跨阻放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換?？烧{(diào)跨阻放大電路除了能將傳感器電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)外，還可以調(diào)節(jié)四塊硅光電池輸出性能參數(shù)的一致性。處理器選用單片機(jī)STC12C5A16S2，其運(yùn)算速度是普通51單片機(jī)12倍，且自帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換，簡化了外圍硬件電路。信號(hào)經(jīng)過跨阻放大電路，進(jìn)入單片機(jī)處理后計(jì)算出方位角和高度角，通過雙向可控硅開關(guān)電路控制云臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向完成追蹤。同時(shí)單片機(jī)將跟蹤方位角、高度角和太陽能電池板輸出功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)天氣不理想啟動(dòng)歷史軌跡跟蹤時(shí)，上位機(jī)根據(jù)當(dāng)前時(shí)間從數(shù)據(jù)庫中提取歷史對(duì)應(yīng)時(shí)間的角度數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出指令控制云臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成歷史軌跡跟蹤。

2.1 方位控制算法

四象限輸出電流經(jīng)跨阻放大電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)分為A、B、C、D 4部分，依據(jù)太陽角度變化，位置跟蹤按先方位角后高度角的順序進(jìn)行。以Y軸分成兩邊電壓AD和BC，調(diào)整前首先判斷AD和BC電壓大小，如果電壓差值大于設(shè)定閾值(0.03 V)，電機(jī)進(jìn)行方位角調(diào)整，通過循環(huán)比較，直到電壓差小于等于閾值為止。同理，以X軸分成AB和CD兩部分電壓，經(jīng)過方位角的調(diào)整后，A與B的狀態(tài)相同，C與D的狀態(tài)相同，所以，AB和CD的電壓差可以簡化為比較A與D(B與C)的電壓差。當(dāng)A與D的電壓差高于閾值時(shí)，電機(jī)進(jìn)行高度角調(diào)整，經(jīng)重復(fù)比較調(diào)整使差值小于或等于閾值，完成高度角跟蹤，跟蹤算法流程如圖3所示。

圖3 方位控制算法流程

2.2 太陽歷史軌跡跟蹤

綜合跟蹤模式是指光電跟蹤和視日軌跡跟蹤相結(jié)合的跟蹤模式。視日軌跡跟蹤根據(jù)太陽的運(yùn)行規(guī)律，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，通過軟件算法計(jì)算其實(shí)時(shí)的方位角和高度角，通過控制器調(diào)整跟蹤裝置的方位角和高度角[6-7]。這種開環(huán)跟蹤方式雖然不受外界干擾，但運(yùn)算復(fù)雜，且存在誤差積累，因此本系統(tǒng)采用歷史軌跡跟蹤，即太陽前一時(shí)刻軌跡跟蹤。歷史軌跡跟蹤通過存儲(chǔ)單元把跟蹤裝置在歷史對(duì)應(yīng)時(shí)間的方位角和高度角記錄下來，當(dāng)陰雨天或復(fù)雜天氣不適用光電跟蹤模式時(shí)，控制器從存儲(chǔ)單元中把與當(dāng)時(shí)最接近的一次歷史對(duì)應(yīng)時(shí)間記錄的數(shù)據(jù)調(diào)取出來，確定當(dāng)前跟蹤裝置角度。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用小功率太陽能電池板對(duì)歷史跟蹤模式和固定模式兩種狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，其參數(shù)：Pmax=4 W,Vpm=20 V,Ipm=190 mA。在太陽光照時(shí)間內(nèi)對(duì)比陰天5個(gè)不同時(shí)刻測(cè)試的輸出功率。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，只有在中午12點(diǎn)，兩塊太陽能板受光面位置一致，太陽可正射到兩塊太陽能板，其輸出功率大致相同，而在其他時(shí)刻，由于兩塊太陽能板的受光面位置不相同，歷史軌跡跟蹤方式下的太陽能板跟隨太陽運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)，其輸出功率明顯高于太陽能電池板與地平面固定夾角0°的輸出功率。

2.3 跟蹤電平轉(zhuǎn)換電路

4塊硅光電池傳感器的輸出信號(hào)是相互獨(dú)立的，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換獲取對(duì)應(yīng)4路傳感電信號(hào)，經(jīng)比較運(yùn)算即可調(diào)整硅光電池傳感器姿態(tài)，保證太陽能電池能獲取最大光能。四元光電傳器與單片機(jī)連接關(guān)系見圖4。

圖4 四元傳感橋臂連接關(guān)系框圖

因光電傳感器的輸出電參數(shù)與單片機(jī)不匹配，需對(duì)光電感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平后，送單片機(jī)進(jìn)行處理，由跨阻放大和電壓采集組成的電平轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。系統(tǒng)使用單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊，通過軟件設(shè)置可以選擇逐次比較型的10位轉(zhuǎn)換工作方式，速度可達(dá)到250 kHz。

圖5 電流與電壓轉(zhuǎn)換電路

在理想運(yùn)放條件下，輸入電阻RI=0，因而IS=IF，故輸出電壓為

UT=-ISRF

(1)

式中：IS為光電傳感器輸出電流；RF為反饋電阻。

因?yàn)閷?shí)際中輸入電阻不可能等于零，所以RF越大，轉(zhuǎn)換精度越高。

為了保證單片機(jī)輸入端得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，系統(tǒng)使用電阻分壓法且在采樣電阻R2旁并聯(lián)一個(gè)5 V穩(wěn)壓二極管；電位器R1可以調(diào)節(jié)分壓比和A/D校準(zhǔn)。根據(jù)分壓原理，電壓關(guān)系如下式所示

UOUT=UT×R2/(R1+R2)

(2)

式中:UT為傳感電流轉(zhuǎn)換后電壓;R1為電位器電阻;R2為采樣電阻。

R1、R2已知，故由式(2)計(jì)算可得A/D轉(zhuǎn)換端口的輸入電壓UOUT。

3 實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

高度角指太陽中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角，其夾角在0°～90°間變化。太陽方位角指太陽光線在地平面的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作豎立在地面上的直線在陽光下的投影與正南方的夾角。方位角以正南方向?yàn)榱悖赡舷驏|向北為負(fù)，由南向西向北為正[8]。太陽電池傳感陣列與太陽運(yùn)動(dòng)的位置關(guān)系如圖6所示。實(shí)驗(yàn)采用雙電機(jī)二維機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)太陽的高度角和方位角進(jìn)行精確跟蹤，實(shí)時(shí)調(diào)整太陽能電池姿態(tài)，并由控制單元采集硅光電池傳感器的輸出功率和電池姿態(tài)跟蹤角度數(shù)據(jù)。

圖6 太陽電池傳感陣列與太陽的位置關(guān)系

實(shí)驗(yàn)包括太陽高度角和方位角跟蹤測(cè)試、陽光跟蹤控制太陽能電池輸出功率測(cè)試2部分。測(cè)試地點(diǎn)：廣西桂林電子科技大學(xué)第三教學(xué)樓的頂樓(東經(jīng)110.28°，北緯25.28°)；時(shí)間：2014年12月20日，9:00-17:00；天氣：晴，偶爾有云。

3.1 太陽角度跟蹤測(cè)試

在陽光跟蹤控制太陽能電池轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的性能測(cè)試過程中，每隔30 min對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次角度數(shù)據(jù)采集，將實(shí)測(cè)所得的陽光跟蹤控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的實(shí)際值與理論計(jì)算所得的當(dāng)天該時(shí)段太陽位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比擬合曲線如圖7所示。

圖7 太陽時(shí)角跟蹤測(cè)試圖

經(jīng)系統(tǒng)的陽光角度跟蹤的實(shí)測(cè)角度數(shù)據(jù)和公式計(jì)算數(shù)據(jù)比較，結(jié)果差異在2°范圍內(nèi)。本結(jié)果與計(jì)算結(jié)果差異在可接受范圍內(nèi)，說明本系統(tǒng)的太陽角度跟蹤性能良好。

3.2 陽光跟蹤太陽能電池輸出功率測(cè)試

陽光跟蹤控制下太陽能電池輸出功率測(cè)試中利用兩塊規(guī)格型號(hào)完全相同，最大功率為4 W的太陽能電池板，一塊安裝在陽光跟蹤裝置上，電池正面與四元陣光電傳感器在同一平面；另一塊與地面夾角成0°擺放。每隔0.5 h記錄1次2塊電池的輸出功率，功率曲線對(duì)比如圖8所示，數(shù)據(jù)對(duì)照分析如表1所示。

表1 太陽能電池輸出功率數(shù)據(jù)表

圖8 太陽能電池輸出功率曲線圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在同等輻射照度情況下陽光的入射角度對(duì)太陽能電池板的發(fā)電性能影響較大，四元陣陽光跟蹤控制下太陽能電池的輸出功率比平放在地平面上的太陽電池板的輸出功率大得多。從表1看出，上午9時(shí)輸出功率提高比例倍數(shù)為73.3%；中午12時(shí)30分，兩塊太陽能電池板的陽光入射角度差值最小，提高比例倍數(shù)僅為15.6%；下午16時(shí)陽光入射角差值變大，輸出功率提高比例達(dá)到78.1%。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種采用陣列光電傳感跟蹤與太陽歷史軌跡跟蹤相結(jié)合的陽光跟蹤方式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)在太陽高度角和方位角兩個(gè)自由度進(jìn)行自動(dòng)二維跟蹤，跟蹤裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡能夠與太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡保持同步，使入射陽光時(shí)刻垂直于太陽能電池板受光面，大大提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。在陰雨天氣啟用歷史軌跡跟蹤，兩種模式相結(jié)合，保證了系統(tǒng)在復(fù)雜的天氣環(huán)境中的穩(wěn)定性，為太陽能技術(shù)應(yīng)用發(fā)展提供了可行性的技術(shù)方案。

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Design and Implementation of Solar Tracking System Based onPhotoelectric Sensor Array

HUANG Yan-zhi,HE Ning,ZHAO Jia-qing

(School of Information and Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

Based on the tardiness and intermittency of the changes of the sun rays and the environmental changes,a sunlight real-time tracking system that combines photoelectric tracking and sun orbital tracking was designed.It adopted the method that combines array photocell sensor and clock calculation to analyze the trajectory of the sun and how the angle attitude affects the efficiency of sun tracking and energy conversion.It discussed the solar tracking photoelectric tracking control system theory of how the four-element array changes with the angle of the sun.The sunshine was tracked though illumination changes and historical trajectory.The experiment shows that it can achieve the two-dimension real-time tracking and battery management of the sun position and make accurate tracking even on the condition that the light intensity changes within a wide range,which greatly improves the utilization rate of the sunlight.

photoelectric sensor;four-element array;solar tracking;azimuth control;battery attitude

廣西科技開發(fā)項(xiàng)目(14124005-2-5)資助課題；桂林電子科技大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(GDYCSZ201417)

2015-03-07 收修改稿日期：2015-09-10

TK519

A

1002-1841(2015)12-0072-03

黃彥智(1988—)，碩士研究生，主要研究方向光電探測(cè)。 E-mail:goingyz@163.com