許 芬， 梁雪輝，吳正旺

(北方工業(yè)大學,北京 100144)

0 引 言

太陽能是一種清潔、豐富的能源。近年來隨著空氣污染的加重，人們對傳統(tǒng)化石能源的環(huán)境危害性有了更加切身的體會和更高程度的認識。這種觀念上的改變使市場對清潔能源的需求不斷增長。過去十年里，在政策引導(dǎo)下，中國民間對于光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、風光熱互補發(fā)電等新能源發(fā)電站的建設(shè)呈現(xiàn)出蓬勃的熱情。我國目前是全球光伏發(fā)電裝機容量最大的國家。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2015年，我國光伏總裝機容量已達到43.18 GW，其中光伏電站裝機 37.12 GW，分布式電站裝機 6.06 GW，年發(fā)電 392×108kW·h，占全國發(fā)電量的 0.7%。近年來，隨著政府補貼的壓力增大，提高光伏效率、降低光伏度電成本正在成為行業(yè)共識，跟蹤式光伏發(fā)電開始在國內(nèi)興起。與光伏發(fā)電不同，太陽能熱發(fā)電則是采用跟日反光裝置(定日鏡)把太陽光聚集到吸熱器上然后進行發(fā)電。“十二五”期間在國家863項目支持下，由中科院電工所牽頭建設(shè)的我國第一個兆瓦級太陽能光熱示范電站于2012年8月在延慶八達嶺成功發(fā)電。2013年9月，中控公司在青海德令哈建設(shè)的10 MW太陽能熱發(fā)電站并網(wǎng)發(fā)電。2015年，國家能源局提出了到2020年底實現(xiàn)太陽能熱發(fā)電總裝機容量達到10 GW，太陽能熱利用集熱面積保有量達到8×108m2的目標，太陽能熱發(fā)電開始進入發(fā)展熱潮。不管是光伏發(fā)電、光熱發(fā)電，或者其他太陽能熱利用項目，光利用效率決定了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的能效，進而決定了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的單位成本。采用雙軸跟蹤方式的反光鏡可以保證采光面一直接收直射的太陽光，從而提高入射的太陽能量密度，提高系統(tǒng)光熱利用效率。

雙軸跟日運動控制方式主要有方位-俯仰運動方式和自旋-仰角運動方式[1]。方位-俯仰運動方式利用垂直地面的立軸和水平方向的俯仰軸運動改變鏡架的方位角和俯仰角，實現(xiàn)對太陽的跟蹤。自旋-仰角方式通過鏡面的自旋和鏡架的仰角變化改變定日鏡的法線方向?qū)崿F(xiàn)對太陽的跟蹤。自旋-仰角方式具有弧矢方向和子午方向成像距離始終保持一致的優(yōu)點,但由于此種運動方式實現(xiàn)起來相對復(fù)雜,目前應(yīng)用并不多。

跟日方式有基于光電傳感器的光控法和基于視日運動軌跡的時控法。時控法是根據(jù)天文公式計算出太陽每個時刻在地平坐標系下的精確位置然后調(diào)整跟日機械裝置的姿態(tài)使之追隨太陽運動。光控法則是利用光電傳感器(光伏電池板，光敏電阻，光電二極管等)檢測太陽的相對位置然后調(diào)整機械裝置跟蹤太陽。相比于時控法，光控法容易受到天氣、浮云、飛鳥等外界干擾，而且成本相對較高，所以在實際應(yīng)用中一直受到限制。

郭鐵錚等研制了基于TMS320F2810的定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)[2]。定日鏡運動系統(tǒng)由2臺異步交流伺服電機和減速機組成?？刂葡到y(tǒng)采用開-閉環(huán)相結(jié)合的模式對定日鏡的運動系統(tǒng)進行控制，即開環(huán)控制系統(tǒng)計算出定日鏡高度角和方位角位置，然后根據(jù)傳感器對定日鏡姿態(tài)進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。該跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤精度可以達到3.5×10-3rad，但是整個運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比較高。北京延慶太陽能熱發(fā)電實驗電站采用主從PLC的方式進行定日鏡跟蹤控制。主PLC根據(jù)時間和天文公式計算出當前時刻各個位置定日鏡要達到的方位角和高度角,并通過現(xiàn)場總線下發(fā)到從PLC，然后通過變頻器和交流伺服電機實現(xiàn)定日鏡的運動控制[3]。劉琨等介紹了一種基于TMS320F2801處理器和光伏電池板的自主供電式小型定日鏡系統(tǒng)設(shè)計[4]。西班牙亞塞爾維亞大學與Solucar公司合作研制的MEMS太陽跟蹤器采用太陽光傳感器和Bang Bang控制對定日鏡進行閉環(huán)控制。當有直射太陽光時，如果誤差信號幅值大于一個設(shè)定閾值，就起動電機轉(zhuǎn)動；如果誤差信號小于閾值，電機就停轉(zhuǎn)；當太陽被遮擋時，系統(tǒng)則進入開環(huán)模式[5]。

1 太陽位置計算

日地之間的位置參數(shù)可以通過數(shù)值模擬法或理論展開式法來計算，其中理論展開式法精度更高[9]。本系統(tǒng)采用理論展開式法計算太陽的赤緯角，然后根據(jù)太陽赤緯角、跟日系統(tǒng)所在緯度及跟蹤時間求出太陽的方位角和高度角。

太陽赤緯角是地球赤道所在平面與太陽地球中心連線之間的夾角。由于日地相對位置變化，赤緯角每年在+23°27′ 與-23°27′ 的范圍內(nèi)變化。每年夏至赤緯角達到最大值+23°27′ ，該日中午太陽位于地球北回歸線正上空，隨后赤緯角逐漸減小，至秋分日赤緯角變?yōu)?，到了冬至12月21日赤緯角達到最小值-23°27′ 。赤緯角的計算公式如下：

(1)

以地球上一點建立地平坐標系，在此坐標系下，太陽的高度角和方位角可以根據(jù)天球赤道坐標系的太陽赤緯角δ和時間角ω來計算：

(2)

式中：hs是太陽的高度角；βs是太陽的方位角；δ是赤緯角；φ是緯度；ω是時間角。

以定日鏡頂點為原點，以天頂為Z軸，建立地平坐標系OXYZ。假設(shè)靶標相對于定日鏡中心點的方位角是βt, 高度角是ht,θ是太陽入射角，根據(jù)反射定律及夾角余弦公式，可以推導(dǎo)得到定日鏡的法線方位角βn和高度角hn的計算公式[6]。

(3)

2 跟日系統(tǒng)設(shè)計

雙軸跟日系統(tǒng)包括水平方向轉(zhuǎn)動軸和俯仰方向轉(zhuǎn)動軸，兩轉(zhuǎn)動軸分別采用步進電動機加齒輪傳動來帶動。定日鏡的框架采用方鋼制成，尺寸為1.5 m×1.5 m，整個架子質(zhì)量約為30 kg。

為了減小系統(tǒng)成本，控制部分采用單片機MSP430F5438A作為控制器，通過兩相全數(shù)字式細分驅(qū)動器驅(qū)動2臺步進電動機實現(xiàn)定日鏡的方位角和俯仰角調(diào)整。根據(jù)仿真計算，水平方向的運動范圍小于150°，俯仰方向的運動范圍小于50°。圖1是自動跟日鏡架的三維機械模型圖。

圖1 跟日反射系統(tǒng)CAD模型

2.1 控制系統(tǒng)總體方案

為了兼顧可靠性和自動性，雙軸跟日控制系統(tǒng)采用獨立自動控制加網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的方案?？刂乒?jié)點內(nèi)置自動跟日程序，可以按照程序設(shè)定每日自動跟蹤太陽運動。該節(jié)點同時具有ZigBee通信模塊，可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠程的云服務(wù)器相聯(lián)。應(yīng)用工程師或普通用戶可以通過遠程智能終端(比如智能手機)對控制節(jié)點進行訪問，完成參數(shù)設(shè)置，或者進行時間修正、姿態(tài)校準、系統(tǒng)復(fù)位等操作。整個控制系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，分別是跟日控制節(jié)點、支持ZigBee的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.2 步進電動機選型

從方便控制和降低成本的角度出發(fā)，系統(tǒng)選用了兩相混合式步進電動機。跟日運動系統(tǒng)的水平運動方向阻尼較大，需要較高的輸出力矩。86步進電動機的輸出保持力矩為根據(jù)力矩估算，選用86步進電動機加100倍比的齒輪傳動系統(tǒng)來帶動。俯仰方向的阻尼和力臂較小，采用57電機加一個50倍比的齒輪傳動系統(tǒng)進行運動。2臺步進電動機均可以采用微步距方式進行控制，其中最小細分步數(shù)可以達到51 200步，對應(yīng)的角度為0.007°。

2.3 控制節(jié)點設(shè)計

具有ZigBee通信能力的控制節(jié)點完成對跟日反光鏡架的跟蹤控制任務(wù)。控制節(jié)點采用型號為MSP430F5438A的處理器，包括單片機最小系統(tǒng)，ZigBee無線通信模塊，步進電動機接口電路，限位開關(guān)接口電路，供電電路等，如圖3所示。

圖3 控制節(jié)點設(shè)計

2.3.1 單片機系統(tǒng)

主處理器是16位單片機MSP430F5438A。 MSP430F5438的系統(tǒng)主時鐘為25 MHz。片內(nèi)包含256 kB FLASH，16 kB SRAM，還帶有4個串口，4個SPI，4個定時器，一個12位A/D轉(zhuǎn)換器，一個RTC實時時鐘，及多達87個I/O口。MSP430的供電電壓是3.3 V。為了方便程序BLS燒寫，主控板擴展了一個USB接口，通過USB芯片CH340T，實現(xiàn)從USB輸入到串口的轉(zhuǎn)換。

2.3.2 電機驅(qū)動電路

跟日系統(tǒng)的2個軸都用步進電動機帶動。選用的驅(qū)動器為帶有細分功能的兩相混合式步進電動機數(shù)字驅(qū)動器，微步細分最大可以達到51 200步/轉(zhuǎn)。單片機向驅(qū)動器輸出一定頻率的脈沖，由驅(qū)動器來控制電機的使能、轉(zhuǎn)動方向和控制脈沖。電機驅(qū)動器采取共陽接線法，用74HT04D芯片進行電平轉(zhuǎn)換。

2.3.3 霍爾開關(guān)接口電路

選用歐姆龍的霍爾開關(guān)TL-Q5MC1-Z 作為2個運動軸的限位開關(guān)。當2個運動軸達到限定位置時,霍爾開關(guān)輸出變?yōu)榈碗娖?，根?jù)霍爾開關(guān)的輸出信號，單片機停止電機運行，并把轉(zhuǎn)動軸的當前位置作為初始角度位置?；魻栭_關(guān)的供電電壓和輸出信號都是12 V，需要把12 V轉(zhuǎn)換為5 V以便與單片機接口。接口板采用了LM317穩(wěn)壓芯片搭配片外電阻來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。

2.3.4 供電電路

本文的運動控制系統(tǒng)涉及2臺步進電動機的控制，采用的驅(qū)動器供電電壓范圍為DC 24～40 V，最大工作電流為6 A。由于不需要進行軌跡控制，所以2個運動軸一般不同時運動。另外用于限位的霍爾開關(guān)采用12 V直流供電，單片機5 V供電。系統(tǒng)選用24 V，350 W開關(guān)電源給電機驅(qū)動器供電，開關(guān)電源輸出的電壓通過一個12 V的穩(wěn)壓管和一個5 V的穩(wěn)壓管再輸出12 V電壓和5 V電壓，分別給霍爾開關(guān)和單片機電路供電。

3 軟件設(shè)計

整個跟日運動控制系統(tǒng)軟件包括3個部分：嵌入式控制器節(jié)點程序，ZigBee網(wǎng)關(guān)程序，云服務(wù)器上的WEB服務(wù)器程序及網(wǎng)頁界面設(shè)計。系統(tǒng)的軟件框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

控制器采用MSP430F5438A作為處理器，并嵌有ZigBee通信模塊，可以看成是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一個控制節(jié)點?？刂乒?jié)點程序的主要功能包括單片機的初始化、事件管理、太陽跟蹤算法、時間管理、跟日系統(tǒng)校準、步進電動機控制、數(shù)據(jù)通信等。ZigBee網(wǎng)關(guān)程序主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、ZigBee節(jié)點之間通信等。云服務(wù)器上的軟件則包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用管理程序和動態(tài)網(wǎng)頁界面程序。

3.1 控制節(jié)點程序

控制節(jié)點的軟件包括單片機資源管理、時間管理、跟日位置計算、跟日系統(tǒng)校準、霍爾開關(guān)狀態(tài)檢測、步進電動機控制等模塊。

控制節(jié)點主程序流程圖，如圖5所示。

圖5 控制節(jié)點主程序流程圖

單片機上電之后，通過中斷程序?qū)ο到y(tǒng)的實時時鐘和跟日反射裝置的經(jīng)緯度進行設(shè)置。在WEB客戶端上通過互聯(lián)網(wǎng)獲取當前時間，同時讀入當前跟日反射裝置的經(jīng)緯度，目標靶位的高度角和方位角等[7]。用戶輸入數(shù)據(jù)按照一定格式保存到數(shù)據(jù)庫的表格里。ZigBee網(wǎng)關(guān)從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否有效，如果有效則把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為16進制發(fā)送給控制節(jié)點，然后控制節(jié)點根據(jù)這些參數(shù)進行計算，利用式(2)計算出當前時間太陽的高度角和方位角[7]，并根據(jù)式(3)計算出跟日反射裝置的目標姿態(tài)角，通過PWM輸出控制步進電動機轉(zhuǎn)動，使反光鏡姿態(tài)達到目標角度，把太陽光線反射到指定的靶標位置?？紤]到太陽的移動比較慢，跟日運動系統(tǒng)的控制周期設(shè)置為60 s，即每隔60 s調(diào)整一次定日鏡的姿態(tài)角度。跟日系統(tǒng)的默認工作模式是早上8點自動進入跟蹤模式，下午5點結(jié)束跟蹤回到初始零位?；氐匠跏剂阄缓?，控制節(jié)點進入低功耗工作模式，即睡眠狀態(tài)。由于系統(tǒng)具有ZigBee無線通信功能,而且與云服務(wù)器相聯(lián)，跟日系統(tǒng)也可以根據(jù)本地天氣情況對工作模式及工作時間進行智能控制，比如當天氣預(yù)報有雨時，系統(tǒng)不進行跟蹤，或有大風預(yù)警時，則自動停止跟蹤回到零位狀態(tài)。此外，在自動跟蹤過程中如果反光鏡的跟日誤差增大，可以調(diào)用校準程序?qū)Ω障到y(tǒng)的姿態(tài)角進行修正，減小跟蹤誤差。

3.2 網(wǎng)絡(luò)控制程序

除了自動跟蹤模式外，系統(tǒng)也允許用戶通過WEB進行網(wǎng)絡(luò)控制。網(wǎng)絡(luò)控制程序通過串口中斷來實現(xiàn)。當控制節(jié)點的串口接收到數(shù)據(jù)后自動進入中斷，然后根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)對電機進行控制，從而達到網(wǎng)絡(luò)控制定日鏡角度的目的。中斷響應(yīng)程序流程如圖6所示。

圖6 中斷響應(yīng)程序流程圖

控制節(jié)點的串口通信波特率設(shè)為2 400 bit/s，每10 ms發(fā)送1 Byte，共22 Byte[7]。數(shù)據(jù)發(fā)送格式如表1所示。

表1 串口數(shù)據(jù)發(fā)送格式[7]

3.3 ZigBee通信

無線通信采用CC2530+ZigBee協(xié)議棧實現(xiàn)。ZigBee通信協(xié)議目前已成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的事實標準。ZigBee室外通信距離可以達到1 km以上?？刂乒?jié)點和ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點，通過ZigBee進行通信。ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點與云服務(wù)器之間采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。云服務(wù)器上安裝了MySQL數(shù)據(jù)庫以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理程序，并向節(jié)點開放遠程訪問接口。ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接遠程數(shù)據(jù)庫，將WEB客戶端的輸入數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取出來，進行轉(zhuǎn)換，再利用Python中的PySerial模塊將數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)ZigBee模塊發(fā)送給跟日控制節(jié)點，完成WEB客戶端對定日鏡的遠程控制。

4 實驗和運行

為了實現(xiàn)遠程控制，我們在騰訊云上申請了服務(wù)器賬號，包含1 GB的內(nèi)存和8 GB的硬盤，1 Mbps的互聯(lián)網(wǎng)帶寬。在服務(wù)器上搭建了相應(yīng)的程序。服務(wù)器端安裝了Python， MySQL，PHP，Apache，Ubuntu Server 等程序。

ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用Python語言開發(fā),用到MySQL的db，serial，time和binascii 4個模塊，這4個模塊的功能是數(shù)據(jù)庫查詢，串口通信，延時和二進制及ASCII碼轉(zhuǎn)換。

步進電動機細分6 400步/圈，0.056 3度/步，脈沖輸出頻率可以根據(jù)控制要求進行設(shè)置。自動跟蹤時的脈沖輸出頻率為66 kHz，在復(fù)位和校準時，脈沖輸出頻率提高到500 kHz。由于采用時控法，時間精度對太陽位置計算影響很大。采用網(wǎng)絡(luò)控制，每次輸入的時間都來自經(jīng)過校準的互聯(lián)網(wǎng)時間，時間精度得到保證。

控制節(jié)點及跟日反光鏡如圖7所示。

(a) 控制節(jié)點 (b) 跟日鏡圖7 控制節(jié)點和跟日鏡

跟日裝置安裝在校園內(nèi)一個教學樓的五層陽臺上，自動跟蹤系統(tǒng)把太陽光反射到對面一座教學樓的一個北向房間的窗戶上，如圖8所示，以改善居室內(nèi)的采光和溫度狀況。

圖8 定日鏡跟日反射光斑

在實際應(yīng)用中，也可以根據(jù)天氣狀況對定日鏡進行自動起停和保護控制。在網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用程序中通過調(diào)用天氣網(wǎng)站對外開放的API接口，可以獲得更多天文與環(huán)境信息，比如溫度、濕度、風力、風速、空氣質(zhì)量(CO，CO2，PM10和PM2.5)等情況，然后在應(yīng)用程序中設(shè)定跟日系統(tǒng),可以自動跟蹤天氣條件，如果天氣達不到要求條件時，反光鏡回到原位并停止跟蹤。

5 結(jié) 語

隨著綠色、可持續(xù)發(fā)展理念的推廣，可再生能源的應(yīng)用正在變得越來越廣泛。太陽能作為自然界賦予人類的一種豐富的綠色能源，已經(jīng)在太陽能發(fā)電、海水淡化、建筑取暖、交通動力、照明、爐灶等多個領(lǐng)域取得應(yīng)用。智能反光裝置根據(jù)太陽位置自動調(diào)整姿態(tài)并把太陽光反射進入背陽的陰面房間，達到改善居室采光及提高溫度的目的。當用戶不需要太陽光照明時，可以通過手機登陸云服務(wù)器關(guān)閉系統(tǒng)，或者讓跟日系統(tǒng)把太陽光反射到其他位置，符合節(jié)能和綠色發(fā)展的理念。本文基于單片機和步進電動機的跟日運動控制系統(tǒng)，結(jié)合了ZigBee和網(wǎng)絡(luò)遠程控制技術(shù)，具有成本低、應(yīng)用方便的優(yōu)點，可以應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、太陽能照明、太陽能爐灶等領(lǐng)域，具有較好的推廣應(yīng)用價值。