張洗玉，寧鐸

(1.廣西科技師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，廣西來賓 546199；2.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安 710021)

0 前言

隨著能源危機的不斷加劇，各國對可再生能源太陽能的開發(fā)利用日益重視。但是由于太陽方位固有的時變性、能量密度小等問題，嚴(yán)重制約了其推廣應(yīng)用。通過聚光方式提高太陽能密度是一項基礎(chǔ)研究，太陽能聚光應(yīng)用領(lǐng)域一般都需要利用高精度雙軸全自動跟蹤系統(tǒng)來提高太陽能利用率且其跟蹤角誤差必須小于0.2°。同時需要特別關(guān)注聚光區(qū)域太陽光線的均勻分布性，避免由于聚光區(qū)域受熱不均所引起的不良后果。相比于太陽能光伏發(fā)電、光熱發(fā)電模式，太陽光聚光照明對系統(tǒng)的跟蹤精度和跟蹤魯棒性能有更嚴(yán)格的要求。

目前國際主流的太陽光跟蹤方法有視日運動軌跡跟蹤法、光電跟蹤法、視日光電切換跟蹤法、圖像信息追蹤法?？紤]到太陽能聚光照明應(yīng)用場合的環(huán)境復(fù)雜性以及系統(tǒng)自保護(hù)性與可靠性要求，在高精度全自動跟蹤方案中選取光電跟蹤法。針對上述現(xiàn)狀，提出一種基于液壓傳動的新型雙軸二級粗細(xì)調(diào)定位太陽聚光照明全自動跟蹤系統(tǒng)，同時利用多傳感器數(shù)據(jù)融合來增加系統(tǒng)在惡劣天氣時的跟蹤穩(wěn)定性和抗干擾性。

1 太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)工作機制

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于液壓傳動的太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)主要包括菲涅爾透射式點聚光透鏡聚光模塊、雙軸粗細(xì)調(diào)陽光自跟蹤模塊、液壓式跟蹤機械云臺、多傳感器自保護(hù)模塊、光伏電池板、LED燈具，其總體框圖如圖1所示，其中,陽光傳感器、聚光設(shè)備、太陽能電池板均安裝在云臺面板上。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

主控制器STM32F103ZET6獲取溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、限位傳感器等多傳感器所測量的外界實時環(huán)境信息，利用多傳感器數(shù)據(jù)融合增加系統(tǒng)在外界天氣惡劣時的跟蹤穩(wěn)定性和抗干擾性。當(dāng)外界環(huán)境符合系統(tǒng)工作要求時，先根據(jù)陽光方位傳感器光電式跟蹤粗略搜索太陽光方位，在確定太陽大致位置后，STM32控制液壓式跟蹤機械云臺，自動精準(zhǔn)尋找陽光并使得跟蹤角度小于0.1°，保證太陽光垂直照射機械平臺的采光板，有效控制菲涅爾透鏡像點彌散斑現(xiàn)象且使其匯聚陽光具有高效性、實時性。其中，菲涅爾透鏡、光伏電池板、二級定位陽光跟蹤傳感器均位于同一機械云臺，通過直徑為100 mm的菲涅爾透鏡將陽光匯聚成2 mm高亮光斑，利用塑料光導(dǎo)纖維將光斑導(dǎo)入特定區(qū)域照明，當(dāng)處于夜晚、陰天、雨天或外界陽光強度較弱時(基于時鐘芯片判斷白天和夜晚，根據(jù)陽光方位傳感器確定外界陽光實時強度)，利用機械云臺上的光伏電池板驅(qū)動終端LED照明燈具實現(xiàn)互補性照明。

1.2 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)要適應(yīng)野外或室外長時間復(fù)雜的工作環(huán)境，且在外界特殊惡劣天氣下能可靠穩(wěn)定運行，故需要在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)力、抗振動的方面加大設(shè)計力度及增加防雨、防塵模塊，同時追蹤云臺需具有自保護(hù)功能，其機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。該跟蹤系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)選擇大地平面作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，以太陽高度角和方位角為目標(biāo)，運行時間以時鐘芯片設(shè)定為準(zhǔn)。建立驅(qū)動力矩足夠大、驅(qū)動轉(zhuǎn)動角度范圍較廣的二維雙軸太陽光追蹤體系。在東西方向(與地面垂直)轉(zhuǎn)動的軸是水平軸，U形支架上南北方向轉(zhuǎn)動的軸是垂直軸，水平軸和垂直軸相垂直，太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)能在東西、南北不同方向上調(diào)整其角度，從而保證菲涅爾透鏡聚光模塊最大面積、最大角度采光。

圖2 太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

主控核心STM32驅(qū)動由液壓缸和液壓電子馬達(dá)所組成的液壓傳動系統(tǒng)進(jìn)行陽光方位追蹤，其中系統(tǒng)中液壓站通過電磁閥控制供油方向，分別向液壓缸、液壓馬達(dá)輸送液壓油。固定在追蹤底座上的油箱的電子馬達(dá)帶動液壓泵抽取油箱中的液壓油進(jìn)行加壓，加壓后的液壓油經(jīng)過電磁閥后進(jìn)行分壓：一部分輸送到液壓馬達(dá)處，通過沖擊葉片帶動擺動軸轉(zhuǎn)動，使液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，而轉(zhuǎn)動的擺動軸帶動主軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動追蹤云臺水平維度平穩(wěn)、勻速地水平(360°)轉(zhuǎn)動，液壓油通過液壓馬達(dá)出油管回到油箱；另一部分液壓油再次通過電磁閥進(jìn)行分壓，分壓后的液壓油通過輸油管輸送到對稱分布在主軸兩邊的液壓缸，帶動液壓缸同時上升或下降，使追蹤云臺上采光板在垂直維度上進(jìn)行上下(180°)翻轉(zhuǎn)，再通過液壓缸的出油管將液壓油輸送回油箱,控制液壓缸的伸縮。此外，可以通過控制節(jié)流閥來控制液壓油輸送到液壓馬達(dá)或液壓缸處，實現(xiàn)電氣與液壓傳動自動化控制的有機結(jié)合。

1.3 光纖照明結(jié)構(gòu)設(shè)計

光纖式照明模塊主要由聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA塑料光纖與光導(dǎo)纖維末端散射器組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)外界應(yīng)用場合的太陽光線垂直照射云臺采光板上的菲涅爾透鏡時，透鏡把太陽光線匯聚于光纖受口器中心圓孔處，同時把塑料光纖接入上述圓孔。光導(dǎo)纖維末端散射器通過光纖連接于追蹤云臺采光板背面底部位置。菲涅爾透射式點聚光透鏡聚光模塊接收光線時，使用2個可調(diào)節(jié)桿來調(diào)整追蹤云臺采光板和云臺底部之間的距離，達(dá)到有效改變菲涅爾透鏡光斑大小的目的。同時，為確保該光斑精準(zhǔn)位于光纖受口器中心位置，可以在水平、垂直方向上移動光纖受口器中心圓孔。最終，將聚光后的太陽光線有效導(dǎo)入光纖，并以全反射將光線傳到特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)綠色、自然照明。

圖3 光纖式太陽能聚光照明示意

2 太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

2.1 新型二級粗細(xì)調(diào)陽光傳感器模塊設(shè)計

高精度光電跟蹤模式以二級粗細(xì)調(diào)陽光傳感器為核心，安裝于追蹤云臺的采光板上。當(dāng)陽光傳感器和菲涅爾透鏡的法線平行時，入射的陽光垂直照射采光板；反之，STM32驅(qū)動液壓傳動系統(tǒng)迅速追蹤至最大光強處，從而提高太陽能利用率。創(chuàng)新設(shè)計了具有內(nèi)外兩組粗定位、細(xì)定位單元的二級定位陽光傳感器，每組調(diào)節(jié)單元在東、南、西、北方向上均安裝一個尋光感知元件光敏電阻，采光電路如圖4所示。不同應(yīng)用場合外界環(huán)境的太陽光照強度差異較大，為確保所選的8個光敏電阻～在野外惡劣工作環(huán)境中穩(wěn)定可靠，特別給～均外接～可調(diào)電阻，用戶可選擇手工調(diào)節(jié)陽光傳感器的輸出值，從而使得光敏電阻一致性保持良好。其中，PA0～PA7為STM32的I/O控制端口，主控核心借助內(nèi)嵌ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將當(dāng)前光照強度轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)值。

圖4 新型陽光傳感器追蹤陽光電路

、、、光敏電阻組成外部粗調(diào)節(jié)單元(和為一組，接收南北方向太陽光；和為一組，接收東西方向太陽光)，、、、光敏電阻組成內(nèi)部細(xì)調(diào)節(jié)單元(和為一組，接收南北方向太陽光；和為一組，接收東西方向太陽光)，具體安裝如圖5所示。

圖5 新型陽光傳感器安裝

當(dāng)主控核心STM32控制陽光傳感器采光時，先對外部粗調(diào)節(jié)單元東、西方向的、兩路信號進(jìn)行采集、處理，處理完畢后，對粗調(diào)單元南、北方向的、兩路信號進(jìn)行采集和處理等工作，處理結(jié)束后，開始對內(nèi)部細(xì)調(diào)單元的信號進(jìn)行采集和處理；同理，優(yōu)先進(jìn)行東、西方向、的調(diào)節(jié)再進(jìn)行南、北方向、的調(diào)節(jié)。當(dāng)內(nèi)部調(diào)節(jié)單元的4路信號處理完時，整個二級粗細(xì)調(diào)定位太陽光信號采集、處理過程結(jié)束。當(dāng)陽光傳感器背對太陽光線超過一定時間，STM32開啟自尋找程序，解決了由于追蹤云臺被遮擋所導(dǎo)致的傳感器無法正常工作的問題。

2.2 人機交互模塊及串口通信模塊設(shè)計

人機交互模塊主要包括LCD12864液晶顯示與獨立按鍵模塊S1～S6，如圖6所示。根據(jù)調(diào)試需要，LCD12864上顯示有自動調(diào)節(jié)或者人工調(diào)節(jié)的提示語，還顯示應(yīng)用場合的陽光強度AD值。當(dāng)該系統(tǒng)自動跟蹤工作時，屏幕中間位置東、南、西、北4個方向的數(shù)值與太陽傳感器內(nèi)部細(xì)調(diào)節(jié)單元、、、感受的太陽光線強弱相對應(yīng)；最右側(cè)處東、南、西、北4個方向的數(shù)值與太陽傳感器外部粗調(diào)節(jié)單元、、、感受的太陽光線強弱相對應(yīng)。設(shè)置獨立按鍵模塊S1～S6是為了方便用戶對系統(tǒng)工作情況進(jìn)行實時調(diào)節(jié)、監(jiān)測，它與自動跟蹤工作不沖突?？紤]到后續(xù)跟蹤系統(tǒng)的更新?lián)Q代，配套了串口通信模塊,確保與上位機通信流暢，同時通過通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對跟蹤系統(tǒng)在特殊應(yīng)用場合的監(jiān)控和數(shù)字化管理。

圖6 人機交互模塊電路及實物

3 太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計

太陽能聚光照明跟蹤控制流程如圖7所示，主控制器STM32單片機上電工作后，對系統(tǒng)控制性能參數(shù)以及系統(tǒng)時鐘等模塊進(jìn)行初始化操作；獲取多傳感器所測量的外界環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、時間等信息，當(dāng)處于白天且風(fēng)速符合工作要求時，系統(tǒng)開始自動跟蹤外界太陽光照；該系統(tǒng)首先對東西方向、進(jìn)行粗調(diào)，判斷東西相對方向的AD差值是否大于12(多次實驗中得到的經(jīng)菲涅爾透鏡聚光后至受光處的光斑最亮直徑最小而取的閾值)，若大于該閾值則驅(qū)動方位角方向控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動，使負(fù)載向東移動。調(diào)整好方位后，再讀取外部南北方向、光敏電阻感光后對應(yīng)的輸出值，若南方AD值高于北方的值，且差值大于設(shè)定值12，高度角方向液壓馬達(dá)驅(qū)動聚光模塊向南移位，反之向北移動，這樣即可完成南北方向的一次調(diào)節(jié)；細(xì)調(diào)節(jié)單元、、、的調(diào)節(jié)過程與粗調(diào)節(jié)過程一致，將細(xì)調(diào)節(jié)的閾值設(shè)置為5；至此，實現(xiàn)了一次高精度自動跟蹤外界光照目標(biāo)。

圖7 太陽聚光照明跟蹤控制流程

4 太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)性能測試

根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計要求和內(nèi)部組成模塊，搭建太陽方位角和高度角性能參數(shù)實驗的測試平臺。菲涅爾聚光模塊中透鏡的規(guī)格：每個透鏡半徑=5 cm、焦距=1.5 cm。折射率為1.49的PMMA塑料光導(dǎo)纖維纖芯直徑為2 mm，需通過調(diào)節(jié)桿確保實驗中聚焦區(qū)域半徑為2 mm。由于太陽方位存在時變性、太陽能能量分散，若系統(tǒng)跟蹤誤差較大，則經(jīng)直徑為100 mm的菲涅爾透鏡會將陽光聚成2 mm高亮光斑在光纖圓孔中心，會發(fā)生閃爍不定的現(xiàn)象。所設(shè)計的新型光纖式太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)實物和照明效果測試如圖8所示，實驗中光纖終端一直是一個高亮光斑，可證明該系統(tǒng)跟蹤精度高。

圖8 太陽聚光照明跟蹤實物和照明效果測試

同時，為定性分析太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)效果，把追蹤云臺和=60 cm的標(biāo)尺裝配在一起，若直尺的投影長度=0，說明該時刻太陽正垂直照射于追蹤云臺(跟蹤誤差=0)。直尺投影定律的表達(dá)式為

(1)

以2020年8月上旬西安作為測試地點，通過直尺投影原理檢驗使用文中所設(shè)計的二級定位粗細(xì)調(diào)陽光傳感器后該跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果，實驗誤差如表1所示。結(jié)果表明該系統(tǒng)跟蹤精度高，誤差角度小于0.1°。

表1 實驗誤差

5 結(jié)論

太陽能聚光照明自動跟蹤系統(tǒng)已是全球研究熱點，其關(guān)鍵在于高倍聚光和自動跟蹤。本文作者基于液壓傳動和新型粗細(xì)調(diào)二級定位陽光傳感器設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有高測量精度、低成本優(yōu)點的太陽能聚光照明跟蹤系統(tǒng)，提高了太陽能利用率。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于太陽能聚光照明、聚光發(fā)電場合，具有一定的現(xiàn)實意義與推廣價值。