楊文婷 田海濤 甘 泉 范聚源 溫昌盛

（廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

0 引言

我國(guó)有著豐富的太陽能資源，全國(guó)2/3 的國(guó)土面積年日照在2300 小時(shí)以上，96%的地區(qū)有可利用的太陽能資源。1997 年，美國(guó)研制了可以進(jìn)行東西方向自動(dòng)跟蹤的單軸跟蹤器，將接收器的熱接收率提高了15%；1998 年，美國(guó)成功地研制了兩軸跟蹤器，進(jìn)一步提高了熱接收率[1]。

我國(guó)也有不少科學(xué)家在太陽能利用方面開展了多項(xiàng)研究。 1990 年，國(guó)家氣象局計(jì)量站研制了FST 型全自動(dòng)太陽跟蹤器，1992 年， 推出了太陽灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，成功地應(yīng)用于太陽輻射觀測(cè)；2004 年，中國(guó)科學(xué)院上海物理技術(shù)研究所分析和研究了太陽全年中每一天的運(yùn)行軌跡，建立了以太陽運(yùn)行軌跡為理論的太陽跟蹤器運(yùn)動(dòng)數(shù)字模型，研制了兩維程控太陽跟蹤器控制系統(tǒng)，通過微機(jī)運(yùn)程控制，實(shí)現(xiàn)太陽的跟蹤[2]。

1 太陽跟蹤方案

1.1 光電跟蹤

光電跟蹤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，靈敏度高，通過調(diào)整遮光板的位置光電管受到陽光照射，產(chǎn)生信號(hào)后輸出微電流，經(jīng)電路放大，由機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)整角度使追蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽，對(duì)太陽進(jìn)行追蹤。 如果出現(xiàn)陰雨天或天氣即使是晴天，偶爾有云彩遮擋太陽，使光強(qiáng)發(fā)生變化光照不穩(wěn)定，硅光電管接收到太陽光線不準(zhǔn)確，導(dǎo)致追蹤裝置無法對(duì)準(zhǔn)太陽，而使系統(tǒng)誤動(dòng)作。

1.2 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤

視日運(yùn)動(dòng)軌跡是根據(jù)全年太陽運(yùn)行規(guī)律，計(jì)算一天內(nèi)太陽高度角和方位角的理論值，模擬太陽在一天內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡， 然后運(yùn)行控制程序調(diào)整定追蹤裝置，在不受天氣影響的情況下，完成對(duì)太陽的實(shí)時(shí)跟蹤。 此類跟蹤控制的優(yōu)點(diǎn)是追蹤不受天氣影響、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，缺點(diǎn)是由于太陽一直在運(yùn)動(dòng)，理論上追蹤裝置的高度角和方位角也會(huì)在時(shí)刻調(diào)整，只能定期校正。

1.3 光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤相結(jié)合

將光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤結(jié)合，各取其長(zhǎng)處，互補(bǔ)跟蹤。 晴天，太陽光線較強(qiáng)，采用光電傳感器跟蹤模式；在陰雨天，當(dāng)太陽光照不穩(wěn)定時(shí)，采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式。這樣能再次提高裝置的效率，在任何氣候條件下都保證了穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制，更大限度地提高了跟蹤精度，目前適用于自動(dòng)跟蹤裝置。

1.4 跟蹤控制方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為自動(dòng)檢測(cè)陰晴天， 自動(dòng)檢測(cè)晝夜。檢測(cè)為晴天，直接在光電跟蹤模式下進(jìn)行追蹤；檢測(cè)為陰天， 自動(dòng)進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡的太陽角度跟蹤模式；檢測(cè)是黑夜，啟用中斷服務(wù)程序，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。光電檢測(cè)跟蹤模式下，利用光電二極管作為光電傳感器，判斷太陽方位，配合機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到了追蹤太陽的目的；視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式下，則主要是通過運(yùn)行控制程序調(diào)整定追蹤裝置的方位角和高度角，再配合機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的追蹤。 因此，即使天氣陰晴多變， 云彩遮擋太陽等多種復(fù)雜情況下，也能正常地追蹤太陽。同時(shí)在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個(gè)高精度角度傳感器，最大限度地避免外界的干擾，提高了追蹤的精度。 該跟蹤方案可以在天氣變化比較復(fù)雜情況下，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽高精度的實(shí)時(shí)跟蹤，具有一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

1.5 光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，AT89C51 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，發(fā)揮了十分重要的協(xié)調(diào)各個(gè)部件的作用，使整個(gè)追蹤系統(tǒng)溝通運(yùn)行良好。其中核心部件光電檢測(cè)電路，有三個(gè)電路，均選擇光敏二極管作為光電傳感器。電路一是光電跟蹤模式下的光電檢測(cè)，當(dāng)光敏二極管受到光照產(chǎn)生穿透電流，接通電路，無光照時(shí)無電流，斷開電路，由光敏二極管發(fā)出接通和斷開信號(hào)，作為單片機(jī)的輸入信號(hào)；電路二是陰晴檢測(cè)電路，由于電流大小隨光照強(qiáng)度影響，判斷是陰天還是晴天，單片機(jī)可以通過查詢高低電位來實(shí)現(xiàn)。電路三是晝夜檢測(cè)電路，當(dāng)黑夜時(shí)，檢測(cè)電路會(huì)檢測(cè)到低電位，系統(tǒng)啟用外部中斷接口上的中斷服務(wù)程序，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。

1.5.1 光電檢測(cè)部分原理

光電檢測(cè)裝置主要部件是光電二極管，裝置的安裝保證光電二極管的檢測(cè)面正對(duì)太陽。電路檢測(cè)板采用了9 個(gè)光敏二極管作為陽光的檢測(cè)電路，排列見圖1， 呈中心環(huán)繞式排列，D0 放置在中間， 其余分布在D0 周圍。除D0 外8 個(gè)光敏二極管通過導(dǎo)線負(fù)端連在一起， 正端分別連接到放大器LM324 的輸入端，LM324 輸出信號(hào)到單片機(jī)AT89C51。 此時(shí)就D0 與D1～D8 分別組成了比較電路，當(dāng)檢測(cè)板受到光照時(shí)，就會(huì)形成電平差，以此來判斷太陽光的方向。

圖1 光電二極管排列圖

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)D0 受到光照時(shí)，導(dǎo)通，8 組運(yùn)放的同相檢測(cè)到高電位，8 組運(yùn)放的反相由于被遮擋檢測(cè)到低電位。 為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，將9 個(gè)電位器的阻值調(diào)到合適時(shí)，一旦光線照到某個(gè)光敏二極管上時(shí)，對(duì)應(yīng)的電位器的電壓輸出低電位，其余則輸出高電位。因此，系統(tǒng)首先檢測(cè)中央的D0 是否受到了光照，若D0 受到了光照，轉(zhuǎn)動(dòng)軸保持不動(dòng)。 如果檢測(cè)到哪個(gè)光電二極管受到了光照，說明采光板未正對(duì)太陽，這時(shí)系統(tǒng)指揮相對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至D0 受到光照。

1.5.2 陰晴天檢測(cè)電路

當(dāng)陽光不足時(shí)， 光電跟蹤模式會(huì)表現(xiàn)得不靈敏，無法追蹤太陽。因此，當(dāng)陰天的時(shí)候，太陽光變得比較弱，系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換到視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式。 本系統(tǒng)使用軟硬件結(jié)合來控制，光電二極管檢測(cè)裝置和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤軟件。 當(dāng)太陽光的強(qiáng)度不足時(shí)，輸出低電平，系統(tǒng)進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式。

晴天時(shí)，程序正常運(yùn)行光電跟蹤模式進(jìn)行追蹤；陰天時(shí)，光電二極管所受到的光照不能使其導(dǎo)通，經(jīng)過比較之發(fā)現(xiàn)運(yùn)放的反相輸入端的電位要高于其同相輸入端的電位，此時(shí)進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡模式；天氣由陰轉(zhuǎn)晴時(shí)，光電二極管導(dǎo)通，系統(tǒng)就由視日運(yùn)動(dòng)軌跡模式下跳出，繼續(xù)回到光電跟蹤模式。 陰晴天自由切換，解決了陰天時(shí)光電跟蹤模式不能正常追蹤的問題。

1.5.3 晝夜檢測(cè)電路

檢測(cè)白天還是黑夜與檢測(cè)陰晴天的電路原理類似，都是利用運(yùn)放比較電路，區(qū)別在于是電路中電阻的大小不同，同時(shí)電路需要接到中斷0 上。夜晚，中斷0 檢測(cè)到低電位后被激活，系統(tǒng)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。 白天，檢測(cè)到高電位，程序正常檢測(cè)陰晴天如常運(yùn)行。

2 太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)調(diào)試

將光電檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、控制板等進(jìn)行整合后調(diào)試， 系統(tǒng)啟動(dòng)初始自動(dòng)進(jìn)入光電跟蹤模式下追蹤，陰雨天成功切換到視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式，晚上停止。軟件控制系統(tǒng)設(shè)置15 分鐘延時(shí)，避免轉(zhuǎn)動(dòng)過于頻繁。 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果符合預(yù)期效果，采光板始終面對(duì)太陽光，運(yùn)行穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)以AT89C51 單片機(jī)為控制核心，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟蹤精度高、穩(wěn)定可靠，在不同天氣情況下可以進(jìn)行光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤這兩種跟蹤方式相互切換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽的高精度跟蹤，跟蹤精度達(dá)到18″。 實(shí)現(xiàn)了高精度、全天候的太陽自動(dòng)跟蹤，提高了太陽能的利用率。