(宿遷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800)

0 引言

近年來，人們對太陽能的轉(zhuǎn)換與利用展開了廣泛的研究[1-4]。關(guān)于太陽能的研究主要集中在兩個(gè)方面：一種是研究可以提高太陽能轉(zhuǎn)化效率的新型材料；另一種是設(shè)法提高太陽能的接收效率[5]；應(yīng)用太陽跟蹤裝置可有效提高太陽能的接收效率，太陽跟蹤器根據(jù)跟蹤技術(shù)分為主動(dòng)式[6]、被動(dòng)式和混合式[7]，主動(dòng)跟蹤系統(tǒng)利用存儲器預(yù)存的經(jīng)緯度參數(shù)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘解算太陽的方位角和高度角[8]，可全天候運(yùn)行且不受天氣影響，但是結(jié)構(gòu)和算法復(fù)雜，且后期維護(hù)成本高；被動(dòng)式跟蹤多采用傳感器探測太陽方位角[9-10]，可以在低成本的情況下獲得較高精度，但是傳感器易受天氣等情況的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定；把以上兩種混合就是混合式跟蹤方式，具有以上兩種跟蹤方式的優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)會(huì)變得復(fù)雜且成本較高?；谔柲芨櫰鞯囊陨咸攸c(diǎn)，本設(shè)計(jì)基于STM32F103C8T6單片機(jī)搭建太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，采用主動(dòng)式雙軸跟蹤方式對太陽進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，同時(shí)與姿態(tài)傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，在太陽能裝置出現(xiàn)較大偏差時(shí)可及時(shí)校正高度角和方位角，具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)安裝有風(fēng)速傳感器，可以抵抗大風(fēng)對太陽能裝置的影響[11]，降低太陽能設(shè)備的損毀率，大大提高的太陽能的穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 主動(dòng)式雙軸跟蹤器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由單片機(jī)STM32F103C8T6、GPS模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、風(fēng)速傳感器、電源模塊、電池板姿態(tài)模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，單片機(jī)通過GPS模塊獲取當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和時(shí)間日期信息，根據(jù)經(jīng)緯度和時(shí)間解算太陽方位角和高度角，將方位角和高度角轉(zhuǎn)換成一定的脈沖信號發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過減速器調(diào)整太陽能跟蹤裝置的雙軸姿態(tài)角，使太陽能板對準(zhǔn)太陽光，在實(shí)際使用中存在種種原因?qū)е绿柛叨冉呛头轿唤鞘?zhǔn)的情況，這里的太陽能電池板姿態(tài)模塊可把太陽能板的高度角和方位角發(fā)送給太陽能控制器，如存在偏差即可立即調(diào)整，以確保太陽能板時(shí)刻跟蹤太陽光；風(fēng)速傳感器用來測量風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速大于一定的閾值時(shí)(12 m/s)，單片機(jī)會(huì)進(jìn)入中斷響應(yīng)程序，控制步進(jìn)電機(jī)讓太陽能跟蹤器與水平面平時(shí)，直到風(fēng)速小于閾值時(shí)(12 m/s)，太陽能跟蹤器繼續(xù)主動(dòng)追蹤太陽角，這里的風(fēng)速的閾值設(shè)定可根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況做更改。

圖1 太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)圖

1.1 太陽能跟蹤器結(jié)構(gòu)

采用單個(gè)太陽能放置的方式，太陽能跟蹤器為兩軸形式，可以實(shí)現(xiàn)太陽能高度角和方位角的調(diào)整，該跟蹤器結(jié)構(gòu)主要由基座、固定支架、太陽能電池板、步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)和電動(dòng)推桿組成，如圖2所示，此外在太陽能電池板上安裝有姿態(tài)傳感器模塊，在支架上安裝有風(fēng)速傳感器。

圖2 太陽能板結(jié)構(gòu)

太陽能跟蹤器的具體的工作原理為：單片機(jī)根據(jù)GPS信息計(jì)算的太陽高度角和方位角，計(jì)算出跟蹤器所需要到達(dá)的角度，推導(dǎo)出方位角步進(jìn)電機(jī)和高度角步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖數(shù)，單片機(jī)控制器發(fā)送脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過減速器調(diào)整太陽能跟蹤器轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。為了確保太陽能電池板是正對著太陽入射角，在太陽能電池板上安裝有姿態(tài)模塊，時(shí)刻檢測太陽能電池板的姿態(tài)角并反饋給太陽能控制器，如有超過一定的誤差范圍，則立即通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)整太陽能板姿態(tài)，為了不讓電機(jī)頻繁啟動(dòng)，這里的姿態(tài)角誤差可設(shè)定為2°；為了防止太陽能電池板收到強(qiáng)風(fēng)的沖擊損毀，在太陽能設(shè)備上裝有風(fēng)速傳感器，將風(fēng)速數(shù)值反饋給太陽能控制器，在風(fēng)速過大時(shí)調(diào)整太陽能電池板姿態(tài)，減少太陽能電池板正對強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向的投影面積。

1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽能設(shè)備的精確轉(zhuǎn)向是太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)精度的關(guān)鍵部件，本設(shè)計(jì)的太陽能跟蹤器的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用步進(jìn)電機(jī)加蝸輪蝸桿減速器實(shí)現(xiàn)的。方位角的調(diào)節(jié)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿減速機(jī)完成轉(zhuǎn)向，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與蝸桿相連接，蝸輪蝸桿減速機(jī)的蝸輪作為輸出軸，輸出軸經(jīng)過法蘭太陽能電池板背面的連接板相連接；蝸輪蝸桿減速機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、減速比大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)蝸輪蝸桿中蝸桿的導(dǎo)程角小于摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)自鎖，使太陽能電池板可以很穩(wěn)定的固定在特定的方位角，不會(huì)發(fā)生反向轉(zhuǎn)動(dòng)。方位角轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用的方位角步進(jìn)電機(jī)選擇型號為J-5718HB5401，2相，步距角1.8°，靜力矩3.1 N·m；蝸輪蝸桿減速器選用型號為NMRV030，減速比為1:50，方位角的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 方位角轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

高度角的調(diào)節(jié)采用電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)推桿又叫直線驅(qū)動(dòng)器，電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)一對絲桿螺母。把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動(dòng)作；與液壓桿和氣缸相比，電動(dòng)推桿的伸縮長度控制更加精確，操作簡單，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制，電動(dòng)推桿由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪、螺桿、螺母、導(dǎo)套、推桿、彈簧、外殼、微動(dòng)控制開關(guān)等組成，電動(dòng)推桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)圖

電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)為42型步進(jìn)電機(jī)，電動(dòng)推桿推力為500 N，速度為24 mm/s，行程為100 mm，推桿全部收回時(shí)為全長為205 mm，全部伸出后全長為305 mm，電動(dòng)推桿內(nèi)部使用了絲杠螺母，具有大減速比和自鎖效應(yīng)，確保太陽能電池板可以穩(wěn)定的固定在特定的高度角上。太陽能電池板的高度角(α角)的調(diào)節(jié)是通過電動(dòng)推桿的伸縮來改變的。如圖5所示，三角形的另外為310 mm和106.5 mm，電動(dòng)推桿長度的變化范圍在205～305 mm之間，根據(jù)余弦定理可計(jì)算出高度角α。

(1)

式中，L為電動(dòng)推桿長度，這個(gè)長度是指電動(dòng)推桿總長度。

則太陽能板高度角α范圍是[9.6°，79.2°]，太陽能板與水平面的夾角的取值范圍為[10.8，80.4]，要想實(shí)現(xiàn)太陽能板正對太陽，那么太陽能板與地面的夾角和太陽高度角互余即可，及兩角相加等于90°；在太陽高度角為[0，9.6]范圍內(nèi)變化時(shí)，由于電動(dòng)推桿的行程達(dá)到最大時(shí)，長度最多是305 mm，此時(shí)太陽能板與水平面的夾角最大能達(dá)到80.4°，故太陽高度角在[0，9.6]范圍內(nèi)變化時(shí)，太陽能板與地面夾角一直保持80.4°不變，即太陽能控制器不做任何角度調(diào)整；雖然太陽能電池板沒有完全正對太陽入射角，但此時(shí)太陽輻射能量比較小，對太陽能設(shè)備能量轉(zhuǎn)化率的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

圖5 電動(dòng)推桿機(jī)構(gòu)圖

1.3 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤原理

GPS模塊是本系統(tǒng)追蹤視日軌跡的數(shù)據(jù)端。系統(tǒng)啟動(dòng)后，控制器獲取GPS模塊提供的經(jīng)度、緯度、海拔和 UTC時(shí)間(世界協(xié)調(diào)時(shí)間)信息，然后根據(jù)這些信息解算太陽高度角和方位角[12]，高精度的太陽高度角和方位角的計(jì)算過程比較復(fù)雜，需要的計(jì)算量大且計(jì)算時(shí)間長，而本太陽能設(shè)備對太陽高度角和方位角的精度要求不是很高，采用如下的計(jì)算方式即可滿足太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的使用要求：

首先根據(jù)GPS提供的時(shí)間信息計(jì)算日角θ：

(2)

(3)

式中,N為日數(shù)，就是從每年1月1日開始計(jì)的天數(shù)；N0為校正系數(shù)；Y為年份；INT為取整函數(shù)。

計(jì)算太陽赤緯角φ則是以年為周期，取值范圍是-23.5°≦φ≦ +23.5°，赤緯角φ求解方式：

φ=0.372 3+23.256 7sinθ+0.114 9

sinθ-0.171 2sin3θ-0.758cosθ+

0.365 6cos2θ+0.020 1cos3θ

(4)

太陽能設(shè)備所在地區(qū)雖然都是采用北京時(shí)間，但是所在地的經(jīng)度和北京時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度大部分都不一致，所以需要計(jì)算太陽能設(shè)備所在地區(qū)的時(shí)角φ：

(5)

(6)

Tc=0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ

-7.0924cosθ-0.6882cos2θ

(7)

式中,h為北京時(shí)間的小時(shí)；m為北京時(shí)間的分鐘；Td為地方時(shí)；Tc為時(shí)差；J為經(jīng)度(太陽能設(shè)備所處經(jīng)度)。

太陽高度角H計(jì)算：

H=asin(sinWsinφ+cosWcosφcosφ)

(8)

式中,H為高度角；W為緯度；φ為赤緯角；φ為時(shí)角；根據(jù)太陽高度角H=0可以計(jì)算出日出時(shí)間T1和日落時(shí)間T2，則滿足T1

太陽方位角A計(jì)算：

(9)

(10)

式中,A為方位角，上午時(shí)角φ<0，正午時(shí)角φ=0，下午時(shí)角φ>0。

2 跟蹤系統(tǒng)軟件構(gòu)成

基于STM32F103C8T6單片機(jī)搭建太陽能自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)讀取GPS模塊的經(jīng)緯度信息和GPS的時(shí)間信息，根據(jù)時(shí)間判斷是否白天，如果是晚上則繼續(xù)讀取GPS模塊信息，如果白天則根據(jù)視日軌跡跟蹤原理解算出太陽高度角和方位角；根據(jù)太陽的方位角和高度角信息，驅(qū)動(dòng)太陽能裝置的方位角電機(jī)和高度角電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板對太陽的跟蹤。太陽角是時(shí)刻變化的，如果要實(shí)現(xiàn)對太陽角的實(shí)時(shí)跟蹤，需要頻繁驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對電機(jī)壽命和設(shè)備的穩(wěn)定性不利，故利用單片機(jī)計(jì)時(shí)，每5分鐘驅(qū)動(dòng)設(shè)備對太陽跟蹤一次，這樣使得太陽能設(shè)備的穩(wěn)定性和電機(jī)的壽命得以提高，降低電機(jī)的啟動(dòng)頻率也有利于降低能量損耗，間接地提高了太陽能發(fā)電的效率。為了確保太陽能電池板是正對著太陽入射角，在太陽能電池板上安裝有姿態(tài)模塊，時(shí)刻檢測太陽能電池板的姿態(tài)角，反饋給太陽能控制器，如有超過一定的誤差范圍，則立即通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)整太陽能板姿態(tài)，為了不讓電機(jī)頻繁啟動(dòng)，這里的姿態(tài)角誤差可設(shè)定為2°；此外考慮到太陽能設(shè)備所處野外天氣情況的復(fù)雜性，主要是風(fēng)速過大會(huì)造成太陽能板的損壞，在太陽能設(shè)備上安裝有風(fēng)速傳感器，單片機(jī)讀取風(fēng)速傳感器的風(fēng)速信息，當(dāng)風(fēng)速大于閾值(12 m/s)時(shí)啟動(dòng)防損中斷程序，單片機(jī)控制太陽能板“放平”，由于高度角電機(jī)的推桿長度的影響，這時(shí)的太陽能板的放平是指與水平面的夾角為10.8°，這個(gè)角度比較小，完全可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)太陽能設(shè)備的抗風(fēng)特性。系統(tǒng)軟件的總體流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的流程圖

3 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤原理，在經(jīng)度118.3緯度33.93(宿遷)對2018年6月6日太陽高度角和方位角進(jìn)行解算，太陽高度角的變化范圍是0～78.7°之間，正午之前太陽高度角逐漸增大，正午之后太陽高度角逐漸減小，太陽高度角變化曲線如圖7(a)實(shí)線所示；太陽方位角采用360°表示，在正午時(shí)刻方位角為180°，白天(即日出和日落時(shí)間之間)太陽方位角的變化范圍在62.5°～297°之間，太陽方位角如圖7(b)曲線所示。

圖7 太陽高度角和方位角

根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡原理計(jì)算出的當(dāng)前太陽高度角和方位角，單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)過減速器控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度角和方位角的調(diào)整，利用姿態(tài)傳感器(MPU6050)對太陽能板的姿態(tài)角進(jìn)行測量并反饋給單片機(jī)，利用姿態(tài)傳感器實(shí)測的太陽的高度角如圖7a虛線(星號)所示，實(shí)測的太陽方位角如圖7b虛線(星號)所示；顯示模塊顯示任一時(shí)刻理論計(jì)算角度和姿態(tài)模塊實(shí)測角度信息，同時(shí)也顯示GPS模塊提供的位置信息和海拔信息，如圖8所示，根據(jù)顯示的計(jì)算角度和姿態(tài)角度進(jìn)行分析，可以進(jìn)一步提高太陽能跟蹤系統(tǒng)的精度。

圖8 計(jì)算與實(shí)測角度對比顯示

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于STM32F103C8T6單片機(jī)搭建太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，采用主動(dòng)式雙軸跟蹤方式對太陽進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，同時(shí)與姿態(tài)傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，在太陽能裝置出現(xiàn)較大偏差時(shí)可及時(shí)校正高度角和方位角，具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示太陽跟蹤器可有效跟蹤太陽角，精度可達(dá)到2°左右，電動(dòng)推桿的工作范圍有限導(dǎo)致跟蹤器在日出和日落時(shí)不能有效跟蹤太陽角，但日出日落時(shí)太陽輻射很小，故對于太陽能轉(zhuǎn)化效率的影響很小。太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)安裝有風(fēng)速傳感器，可以根據(jù)風(fēng)速調(diào)整太陽能電池板的姿態(tài)，以降低大風(fēng)對太陽能裝置的載荷，降低太陽能設(shè)備的損毀率，大大提高的太陽能的穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性，具有廣泛的應(yīng)用前景。