賈 華，江 飛

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭014010）

0 引言

由于石油、天然氣的過(guò)度開(kāi)發(fā)和使用，以及汽車(chē)尾氣的排放和工業(yè)污染等原因，導(dǎo)致霧霾天氣越來(lái)越多，溫室效應(yīng)也越來(lái)越嚴(yán)重。太陽(yáng)能作為當(dāng)前最熱門(mén)的新能源的一種，有著不可估量的發(fā)展優(yōu)勢(shì)和潛力。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)新型的可再生能源已經(jīng)成為了能源研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。目前，很多追蹤太陽(yáng)采用的都是將太陽(yáng)能電池板固定安裝在平臺(tái)上面。為了能夠適應(yīng)不同平臺(tái)的需要，移動(dòng)式平臺(tái)逐漸被重視，但是移動(dòng)式平臺(tái)追蹤需要考慮動(dòng)態(tài)追蹤，在目標(biāo)丟失后進(jìn)行重新找回等因素。2010年Mousazadeh等[1]通過(guò)將太陽(yáng)能電池板放在混合拖拉機(jī)上面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而得出使用跟蹤系統(tǒng)比固定模式多獲得35%左右的能量[2]。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)精確的太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1 太陽(yáng)追蹤原理

1.1 光電追蹤的原理

太陽(yáng)在一天中的運(yùn)動(dòng)軌跡可以分為水平方向和俯仰方向，光電傳感器布置如圖1所示[4]。當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射到太陽(yáng)能電池板時(shí)，遮光器3形成的陰影會(huì)完全遮住光電傳感器4，遮光器5形成的陰影會(huì)完全遮住光電傳感器6。因此，如果光電傳感器4和光電傳感器6完全被遮住時(shí)，就是太陽(yáng)光垂直照射到太陽(yáng)能電池板上面。

圖1 光電傳感器布置

假如遮光器3在太陽(yáng)光照射裝置2，沒(méi)有完全遮擋住光電傳感器4時(shí)，表明太陽(yáng)光在水平方向上沒(méi)有垂直照射到裝置2，控制器會(huì)接收到來(lái)自光電傳感器4的信號(hào)，通過(guò)控制水平方向上的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制水平方向上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到遮光器件3完全遮擋住光電傳感器4，使得裝置2在水平方向上面達(dá)到被太陽(yáng)光垂直照射。假如遮光器5在沒(méi)有完全遮擋住光電傳感器6時(shí)，表明太陽(yáng)光在垂直方向上面沒(méi)有垂直照射到裝置2，單片機(jī)會(huì)接收到來(lái)自光電傳感器6的信號(hào)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制垂直方向上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到遮光器件5完全遮住光電傳感器6，控制器控制垂直方向上的步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使裝置2在垂直方向上面達(dá)到被太陽(yáng)光垂直照射。當(dāng)裝置2中的遮光器3被陽(yáng)光照射完全遮住光電傳感器4時(shí)，遮光器5被陽(yáng)光照射完全遮住光電傳感器6時(shí)，保護(hù)太陽(yáng)能板裝置1上面的太陽(yáng)能電池板2此時(shí)在水平方向和垂直方向都達(dá)到太陽(yáng)直射。

1.2 視日軌跡追蹤

地球在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還要圍繞著太陽(yáng)進(jìn)行公轉(zhuǎn)，如果要想通過(guò)GPS信息實(shí)現(xiàn)視日運(yùn)動(dòng)軌跡[5]進(jìn)行跟蹤太陽(yáng)，首先要了解太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡和規(guī)律，才能進(jìn)行追蹤。太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算公式如下：

式中，為高度角； 為當(dāng)?shù)鼐暥龋?為赤緯角； 為時(shí)角。

赤緯角 為地球赤道平面與太陽(yáng)和球中心連線的夾角，[6]公式為：

式中，為積日。

太陽(yáng)的時(shí)角，其中 為被測(cè)地點(diǎn)的真太陽(yáng)時(shí)，真太陽(yáng)=。

式中， 為當(dāng)?shù)亟?jīng)度；為時(shí)差，

因此，太陽(yáng)方位角 計(jì)算公式為：

利用上述公式，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、日期及時(shí)間等信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算，就可以得到該點(diǎn)任何時(shí)刻的赤緯角、時(shí)角、真太陽(yáng)時(shí)和時(shí)差，然后通過(guò)這些數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出該地區(qū)的太陽(yáng)高度角和方位角。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

目前太陽(yáng)能電池跟蹤太陽(yáng)的方法主要有光電檢測(cè)跟蹤和視日軌跡跟蹤2種，系統(tǒng)的軟件跟蹤流程如圖2所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)利用GPS獲取的時(shí)間信息判斷白天和黑夜，光電檢測(cè)判斷天氣是否晴朗，從而判斷是光電追蹤還是視日軌跡追蹤。剛開(kāi)始先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接下來(lái)GPS會(huì)獲取當(dāng)?shù)氐娜掌?、時(shí)間、經(jīng)度和緯度等信息，通過(guò)時(shí)間信息實(shí)時(shí)判斷是白天還是黑夜。如果控制系統(tǒng)判斷是黑夜，系統(tǒng)則首先會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，以便減少系統(tǒng)的損耗。如果判斷是白天，控制系統(tǒng)通過(guò)光電傳感器來(lái)判斷天氣情況；若是晴天，則進(jìn)入光電檢測(cè)追蹤，得到太陽(yáng)的大概方位，進(jìn)行追蹤；若是陰天，則通過(guò)GPS得到經(jīng)緯度和時(shí)間信息，傳給單片機(jī)，通過(guò)視日軌跡算法進(jìn)行視日軌跡精確追蹤。

太陽(yáng)的角度變化一般在垂直方向和水平方向同時(shí)變化，為了能夠精確地追蹤太陽(yáng)，一般在追蹤的時(shí)候，先進(jìn)行垂直方向追蹤，等垂直方向追蹤好之后，在進(jìn)行水平方向的調(diào)整。

圖2 系統(tǒng)的軟件跟蹤流程

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，選用的是STM32系列高性能32位處理器STM32 F103ZET6，該處理器具有低功耗和多種省電工作模式，并且輸出接口比較多，滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖3 硬件設(shè)計(jì)

該部分由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及顯示、機(jī)械傳動(dòng)及小車(chē)驅(qū)動(dòng)和電源模塊4部分組成。數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)采集經(jīng)緯度、時(shí)間及天氣等信息，將信息傳送給單片機(jī)，由數(shù)據(jù)處理及顯示部分對(duì)信息進(jìn)行處理，來(lái)驅(qū)動(dòng)方位角電機(jī)和高度角電機(jī)，達(dá)到追蹤太陽(yáng)的目的，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，電源部分負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)供電。

系統(tǒng)采用GPS模塊來(lái)獲取當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度、日期和時(shí)間等信息，通過(guò)視日軌跡跟蹤算法算出實(shí)時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角，將得到的角度信息換算成步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，從而帶動(dòng)太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)，精度可以達(dá)到1°左右。采用MPU6050傳感器測(cè)量太陽(yáng)能板實(shí)時(shí)的水平角度信息和俯仰角度信息，將得到的信息進(jìn)行處理，處理的信息與視日軌跡跟蹤算法算出的角度信息進(jìn)行比較判斷，如果二者角度信息相等，則表明太陽(yáng)能電池板已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)到系統(tǒng)所要求的位置；如果二者角度信息不相等，則表明太陽(yáng)能電池板沒(méi)有達(dá)到要求轉(zhuǎn)動(dòng)的位置。通過(guò)計(jì)算出二者之間的角度差，將角度差換算成步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的角度，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，從而使太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)到要求的位置。將利用視日軌跡算法算出來(lái)的高度角和方位角信息通過(guò)LCD1602顯示出來(lái)，以便進(jìn)行觀測(cè)。

通過(guò)藍(lán)牙對(duì)小車(chē)進(jìn)行控制，利用PWM對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行控制。通過(guò)控制電機(jī)的通電方向來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的方向進(jìn)行控制，從而模擬汽車(chē)，通過(guò)藍(lán)牙控制小車(chē)的轉(zhuǎn)向，來(lái)觀測(cè)移動(dòng)式太陽(yáng)能板應(yīng)速度。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)在單片機(jī)上面編寫(xiě)算法，計(jì)算出內(nèi)蒙古包頭（東經(jīng)109.51°，北緯 40.41°）2017年 10月 10日 8:00～17:00，每隔一小時(shí)的高度角和方位角，計(jì)算結(jié)果如表1所示。本次采用的日梭萬(wàn)年歷的值為標(biāo)準(zhǔn)值，將單片機(jī)計(jì)算的的結(jié)果，用LCD顯示出來(lái)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)值和計(jì)算值對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將傳統(tǒng)的光電追蹤和視日軌跡追蹤2種方式進(jìn)行相結(jié)合，通過(guò)GPS模塊獲取的時(shí)間信息進(jìn)行判斷白天和黑夜，進(jìn)而再通過(guò)光電傳感器再判斷天氣是否晴朗，從得到的信息來(lái)判斷是執(zhí)行光電追蹤還是視日軌跡追蹤，并且先進(jìn)行俯仰方向的追蹤，再進(jìn)行水平方向的追蹤。使太陽(yáng)能電池板的輸出功率最大化。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，移動(dòng)式追蹤相比傳統(tǒng)式的追蹤，能夠更加有效地利用太陽(yáng)能，此方式對(duì)移動(dòng)式追蹤具有一定的意義。

[1]Mousazadeh H,Keyhani A,Javadi A,et al.Design,Construction and Evaluatio of A Sun-tracking System on Mobile Structure[J].Journal of Solar Energy Engineering,2011,133(1):169-175.

[2]羅偉平.基于PLC的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用,2009(9):138-140.

[3]寧澤,高繼春.發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電的意義及前景[J].西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,2(1)：82-84.

[4]李宗濤,李志剛,于存貴,等.基于單片機(jī)的太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014,1(2):188-190.

[5]袁信,張洵.太陽(yáng)方位算法的研究和設(shè)計(jì)[J].天津航海,2011(3):1-4.

[6]賀蕭雷,于賀軍.太陽(yáng)方位角的公式求解及其應(yīng)用[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,29(1):69-72.