馮 月，王利強，王嘯天，張明學(xué)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

0 引言

人類社會對自然資源的消耗將導(dǎo)致資源枯竭，減少對自然資源的依賴，利用太陽能等可再生能源是目前生活的迫切需求[1]。然而，太陽能的利用效率一直受限于技術(shù)水平得不到提高，所以怎樣提高太陽能的利用效率成為人類利用太陽能的關(guān)鍵[2-4]。

近3年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對這一課題進(jìn)行了研究。2018年陸軍工程大學(xué)的Niu[5]等人設(shè)計了一種基于單片機(jī)的模糊PID控制策略的太陽能追蹤系統(tǒng)；2020年華北電力大學(xué)的Zhu[6]等人設(shè)計了一種新型單軸結(jié)構(gòu)太陽能跟蹤系統(tǒng)，通過基于太陽-地球的幾何關(guān)系和太陽輻射預(yù)測模型的跟蹤數(shù)學(xué)表達(dá)式形成的太陽能追蹤系統(tǒng)，是同緯度具有明顯優(yōu)勢的系統(tǒng)；2020年王奔[7]等人設(shè)計了一種基于PLC的槽式光熱太陽能追蹤控制系統(tǒng)，通過自定義嵌入式編程實現(xiàn)高精度算法在控制器中的應(yīng)用；2021年李嘉晟[8]等人設(shè)計了一種基于單片機(jī)的雙軸太陽能自動追蹤系統(tǒng)，通過采用STM32F103R8T6單片機(jī)的半遮擋式四象限光電檢測法結(jié)合時鐘控制法，達(dá)到追蹤目的。

針對以上研究存在的問題，提出一種基于GPS算法的雙軸結(jié)構(gòu)的太陽能追蹤系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了小誤差的太陽能追蹤，提高了太陽能的接收效率。

1 太陽位置GPS定位算法的介紹

在天文學(xué)中，對于太陽位置的確定，有一系列精度很高但是計算復(fù)雜的方法，但這些計算方法在光伏應(yīng)用中過于繁瑣且不適用。所以，有了針對光伏應(yīng)用的簡易算法，這些算法之間的復(fù)雜度和精度各不相同。為保證整個追蹤裝置的追蹤精度以及滿足太陽能追蹤的需要，在此套裝置中選用的Duffie[9]是在1980年提出的算法。

為了確定太陽位置，需要在天球坐標(biāo)系下引入太陽磁偏角、太陽時角、天頂角和太陽方位角4個天文參數(shù)。在此實驗系統(tǒng)中，算法的最終目標(biāo)是要得到天頂角和太陽方位角的理論位置。太陽位置的具體計算過程如下：

首先，計算磁偏角。磁偏角（δ）計算方法如式（1）所示：

其中，n為每年1月1日算起的天數(shù)，例如：2013年4月1日，n就是91。帶入公式（1）即得到δ為4.02°。

其次，計算時角。時角的計算如式（2）所示：

其中，H為24h制的時間，單位：h。例如：中午12點30分，H為12.5。

再計算天頂角，天頂角的計算方法如式（3）所示：

公式（3）中的φ為緯度，由GPS模塊提供。

最后，計算方位角。方位角的計算方法如式（4）所示：

2 太陽能追蹤實驗系統(tǒng)搭建

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)概況

搭建了基于GPS算法太陽能追蹤系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行實驗，系統(tǒng)樣機(jī)的整體機(jī)械3D結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)實物圖如圖2所示。

圖1 整體機(jī)械3D結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall mechanical 3D structure diagram

圖2 太陽能追蹤系統(tǒng)實物圖Fig.2 Physical image of the solar tracking system

此裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：底座、控制電路、支架、豎直步進(jìn)電機(jī)、水平步進(jìn)電機(jī)、太陽能接收板。

底座是整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定中心所在。此裝置中，底座使用硬質(zhì)樹脂材料。其強度高、硬度大、重量足，已確保整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的重心穩(wěn)定，方便打孔與其他模塊連接。

太陽能接收板通過支架連接到整個裝置中，呈水平向放置。

步進(jìn)電機(jī)組是由豎直步進(jìn)電機(jī)和水平步進(jìn)電機(jī)組成的，豎直步進(jìn)電機(jī)固定在支架上，轉(zhuǎn)動軸連接水平步進(jìn)電機(jī)。

以STC12LE5A60S2型號單片機(jī)為核心處理器件的控制電路，位于整個裝置的最左側(cè)?？刂齐娐凡糠种饕强刂齐娐返姆胖梦恢?，控制電路與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動模塊隔離一段距離，使電路不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

2.2 機(jī)械追蹤方式

此設(shè)計裝置采用了雙軸追蹤方式，最大程度上增加太陽能接收板的接收效率。圖3是雙軸追蹤方式的原理圖。雙軸追蹤方式在東（E）-西（W）、南（S）-北（N）方向都有電機(jī)帶動轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)太陽能接收板在東-西、南-北方向上同時完成追蹤。雙軸追蹤方式中，水平軸控制太陽能接收板的俯仰角，豎直軸控制太陽能接收板的方位角。雙軸追蹤方式最大程度上增加了接收板接收太陽光線的效率，使用合理的控制電路可以實現(xiàn)追蹤裝置的全天候、全自動追蹤，不需要人力進(jìn)行調(diào)整。雙軸追蹤方式的控制電路設(shè)計較復(fù)雜，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，需要使用強度較高的材料。所以，在機(jī)械強度方面，裝置使用鐵、鋁合金等硬質(zhì)金屬材料，能夠有效保證整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的強度，滿足室外太陽能追蹤的需要。

圖3 雙軸追蹤方式原理圖Fig.3 Schematic diagram of dual-axis tracking method

2.3 追蹤控制方式

此設(shè)計采用軌跡追蹤方式，使用較高的追蹤精度有利于提高太陽能接收效率。軌跡追蹤方式是利用已有的立體幾何算法計算得到太陽的實時軌跡，微控制器根據(jù)計算得到的軌跡驅(qū)動太陽能接收板轉(zhuǎn)動到指定的位置，完成太陽能追蹤。此種追蹤方式需要利用較多的數(shù)據(jù)，目前單片機(jī)已經(jīng)具備較強的計算能力，可以滿足整個設(shè)計中的計算和控制要求。

軌跡追蹤通常是開環(huán)的控制系統(tǒng)，容易產(chǎn)生累積誤差，追蹤時間較長時會累積誤差較大。對于產(chǎn)生累積誤差的問題，此裝置使用了電子羅盤和傾角傳感器對太陽能接收板的位置進(jìn)行實時檢測，產(chǎn)生較大誤差即進(jìn)行有效修正，實現(xiàn)了太陽能的追蹤功能。

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式

此裝置選擇使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可以實現(xiàn)單步、一定角度的控制。太陽能追蹤裝置步進(jìn)電機(jī)的單步轉(zhuǎn)動精度，已經(jīng)足夠太陽能追蹤的需要。如果需要高精度的驅(qū)動，可以使用性能好的專用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)極小角度的準(zhǔn)確控制，而且整個步進(jìn)電機(jī)的帶負(fù)載能力也得到提高。通過挑選對比，此裝置最終選擇使用了L297、L298組合專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，提高追蹤裝置的追蹤精度和軟件簡單化，能實現(xiàn)對二相、四相等不同型號步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。圖4是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動示意圖。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動示意圖Fig.4 Schematic diagram of stepper motor drive

3 太陽能追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個追蹤系統(tǒng)的工作流程大致可以分為獲取數(shù)據(jù)并計算角度、測量實際角度并比較、控制驅(qū)動轉(zhuǎn)動。

圖5所示是整個系統(tǒng)的追蹤流程圖。系統(tǒng)上電；單片機(jī)上電復(fù)位；對電子羅盤和傾角傳感器進(jìn)行初始化操作；串口初始化；準(zhǔn)備接收GPS數(shù)據(jù)；接收一次有效GPS位置數(shù)據(jù)，將接收的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計算可以直接使用的數(shù)據(jù)；根據(jù)太陽位置算法，計算得到太陽的實時理論角度；單片機(jī)控制電子羅盤測量太陽能接收板的實際水平方位角，控制傾角傳感器測量太陽能接收板的俯仰角度；將計算得到的理論位置與測量得到的實際太陽能接收板俯仰角和方位角進(jìn)行比較，當(dāng)單片機(jī)計算得到的位置信息與電子羅盤測得的太陽能接收板水平方位角有差距時，單片機(jī)發(fā)送控制信號控制豎直步進(jìn)電機(jī)向正確的方向轉(zhuǎn)動，直到太陽能接收板的方位角與計算值差距在誤差接受范圍內(nèi)為止。同理，當(dāng)單片機(jī)計算得到的位置信息與傾角傳感器測得的太陽能接收板俯仰角有差距時，單片機(jī)發(fā)送控制信號控制水平步進(jìn)電機(jī)向正確的方向轉(zhuǎn)動，直到太陽能接收板的俯仰角與計算值差距在誤差范圍之內(nèi)為止，完成一次追蹤過程。

圖5 系統(tǒng)追蹤流程圖Fig.5 System tracking flow chart

4 太陽軌跡算法可行性實驗驗證

為了驗證太陽位置算法的準(zhǔn)確性以及應(yīng)用在太陽能自動追蹤裝置的可行性，專門做了太陽位置角度的測量和驗證比較工作。

驗證試驗在天津市進(jìn)行，當(dāng)?shù)氐奈恢脭?shù)據(jù)是北緯39°03′，東經(jīng)117°17′。實驗測量了當(dāng)天一整天的太陽位置數(shù)據(jù)，與計算得到的位置數(shù)據(jù)做了比較。所得測量結(jié)果見表1。

表1 測量數(shù)據(jù)比較Table 1 Comparison of measurement data

由表1可得，太陽高度角的理論與測量值誤差范圍在0°～0.8°，方位角的理論和測量值誤差范圍在0°～2.2°。此種太陽能追蹤算法實際測量結(jié)果與計算所得數(shù)據(jù)差距較小，在可以接受的范圍之內(nèi)，滿足追蹤需要，可以應(yīng)用在本設(shè)計中。

5 結(jié)論

建立了基于GPS定位算法的太陽能自動追蹤系統(tǒng)，以STC12LE5A60S2單片機(jī)為控制電路核心，采用雙軸軌跡追蹤方式，利用傾角傳感器和電子羅盤測量實際接收板的角度，使整個系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。此裝置利用GPS算法計算得到理論位置，通過比較數(shù)據(jù)調(diào)整太陽能接收板實際位置，在步進(jìn)電機(jī)最小步進(jìn)角度范圍之內(nèi)，滿足追蹤的需要。同時，在天津（北緯39°03′，東經(jīng)117°17′）進(jìn)行了實地實驗，最終誤差在2°以內(nèi)，實驗表明此裝置可以追蹤太陽能，提高接收效率。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了全天候、全自動太陽追蹤功能，為該自動跟蹤系統(tǒng)以后的商業(yè)化運行提供了一定的依據(jù)。