朱利軍

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術學院，江蘇蘇州，215123）

太陽能是可再生的能源，也是非常清潔的能源，所以，太陽能的有效利用一直是個非常重要的話題，太陽能有效地接收在光能被越來越重視的今天受到了廣泛的關注。由于許多太陽光接收器無法跟隨太陽位置的改變而改變，使得太陽能的接收效率低下，研究表明：在相同的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，自動跟蹤太陽能系統(tǒng)比傳統(tǒng)固定式系統(tǒng)的發(fā)電效率可以提高將近30%[1]。如何有效提高光電轉換效率也越來越引起了人們的重視，因而，通過太陽能接收裝置的設計與優(yōu)化來對太陽能進行高精度的追蹤，從而來實現(xiàn)對太陽能的有效接收，繼而達到提高太陽光能的利用率，從而可以很好地應用于其他與太陽光能有關的設備。

有許多學者對太陽能追蹤進行過很多研究，采用了一些辦法，有采用太陽角度追蹤和光電追蹤的（毛桂生，2010[2]），有基于角度計算和光敏感應的（王濤，2009[3]），有采用雙軸追蹤和光電傳感器相結合（陳沛宇等，2019[4]），本文將檢測光強以及太陽軌跡算法兩種方法相結合，設計與優(yōu)化整個太陽能有效追蹤系統(tǒng)。

1 設計思路

本文所設計的太陽能追蹤系統(tǒng)是以Arduino微控制器為核心，由光電傳感器、步進電機、驅動芯片、電源模塊、人機交互界面等組成。Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出）、6路模擬輸入、一個16MHz晶體振蕩器、一個USB口、一個電源插座、一個ICSP header和一個復位按鈕。Arduino Uno開發(fā)板非常適合做本設計中微控制器。

光電傳感器確定太陽能接收器是否正對太陽，DS1307是一個實時時鐘芯片，功耗比較低、具有56字節(jié)、地址和數(shù)據(jù)雙向串行傳輸，而且能夠每個月的天數(shù)能夠自動調整，具有閏年補償功能，可以精確到秒，如果是晚上程序就進入睡眠等待狀態(tài)，如果是白天則運行程序。通過太陽能探測器和太陽軌跡算法，微控制器經(jīng)過計算處理之后給驅動芯片SN754410發(fā)送指令，步進電機接收控制信號后執(zhí)行旋轉命令，從而保證太陽能接收裝置的接收面能夠時時正對太陽。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

具體設計思路如下：使太陽能接收裝置的接收面能夠依照太陽的運動軌跡進行轉動，保證時時對著太陽，從而達到太陽光的高效率利用。為有效實現(xiàn)這一目的，主要分為兩個方法：檢測光強以及太陽軌跡算法。檢測光強主要使用光敏電阻來進行，當四周的光敏電阻感受到同樣的光強時，即為正對太陽。太陽軌跡算法即根據(jù)地球的自轉和公轉規(guī)律，得出太陽的運動軌跡，對于給定的經(jīng)度、緯度及時間，可以算出太陽的角度。然后，將這算法用C語言的形式寫入Arduino Uno開發(fā)板中，可以實現(xiàn)接收面按照正對太陽軌跡的方式運動。

通過太陽能探測器和太陽軌跡算法，Arduino微控制器能夠在工作期間計算太陽位置，并發(fā)送控制信號至步進電機，該信號將被步進電機驅動芯片放大，步進電機將執(zhí)行旋轉命令，使太陽能接收裝置的接收面能夠時時對著太陽。

將檢測光強以及太陽軌跡算法兩種方法相結合，可以使整個太陽能有效接收裝置系統(tǒng)滿足要求，高效工作。首先，太陽軌跡算法是所有方法中可以提供最高精度、最低功耗的方法之一，但當使用一個步進電機作為機電設備時，它無法自校準；其次，只使用太陽能檢測器，會不可避免地受到無法預料的光源的影響。將兩種方法相結合，可以達到電路簡單、成本低、功耗低和精度高的理想效果。

2 設計方法

2.1 檢測光強

使用一系列沿直線布置的光電傳感器，并且比較它們所檢測到的光強度，從而來確定沿該軸方向的太陽位置。采用兩組傳感器分別檢測太陽方位角和仰角。每組有三個光敏電阻LDR（光敏電阻），且兩組共享中心位置的LDR，如圖2所示。

圖2 傳感器設置原理圖

5個LDR在電路中具有相同的性能，同時，每組分別對稱，確保當光源發(fā)出光至檢測器的中心時，每一組中無光強度偏差。這樣，根據(jù)其原理圖，光強度轉換為電壓，這是由于依賴于光強度的LDR阻抗造成的。換句話說，太陽位置通過Arduino Uno上的模擬引腳讀取的電壓值來表示的，這種方法取決于LDR的精度。

本設計中所采用的光敏電阻是對400nm到700nm的光敏感的CdS光敏光電管。其電阻值從10千歐到200千歐變化。這些LDR的靈敏度通常情況下是0.85/LuxΩ ，對本設計足夠高了。

根據(jù)原理圖所示，應仔細選擇電阻，因為電阻直接影響檢測器的準確度。LDR的阻值會隨入射光強度的改變而變化，合適的電阻決定了測得的電壓值的范圍。本設計目標應實現(xiàn)最廣泛的輸出電壓范圍。假設的LDR的電阻呈線性變化，檢測到的電壓范圍可表示為：

Vout是LDR和電阻之間的電壓，R是電阻，Rmax和Rmin是LDR的最大電阻和最小電阻，Vcc是電源，本設計中為5V。

R與電壓范圍Vrange之間的關系如下：

根據(jù)Vrange的表達式，當取最小值時，rangeV取最大值，從中可以推導出電阻為：

電壓范圍為：

2.2 驅動電路

設計中所采用的步進電機是兩相雙極步進電機，作為混合動力同步步進電機的模型，其集成了永磁步進和可變磁阻步進的優(yōu)勢。但是，步進電機的選擇帶來了兩個不可避免的問題，一是Arduino的電流不足，另一種是步進電機本身的分辨率限制。

電流不足是步進電機和Arduino之間的電流不匹配導致的：單一的步進電機所需的驅動電流是0.33A，而Arduino數(shù)字引腳的最大輸出電流為40mA，基于這種狀況，需要使用驅動芯片來解決這個問題。

驅動器芯片的型號根據(jù)不同的步進電機而不同，相應的雙極步進電機的驅動器是半H驅動器，本設計中使用的是SN754410，它具有高的輸出電流能力，可以提供高達1A的雙向驅動電流，以及4.5～36V較寬的電源電壓范圍，是一個非常適合于雙極步進電機的驅動器。具有獨立的輸入邏輯電源，可以最大限度地減少設備功耗。此外，集成在芯片上的驅動器的數(shù)目與步進電機的輸入口的數(shù)目是相同的。這樣，一個芯片控制一個步進電機，使得代碼和電路簡單。該驅動器電路如圖3所示。

圖3 電路原理圖

從原理圖可以看出，不需要額外的電源供給，Arduino具有給兩個步進電機和半H驅動器提供足夠電流的能力。這是采用這種特定型號的驅動器芯片的另一個優(yōu)點，不需要外部支持裝置或設備，可確保安裝的高適應性和低難度。

3 代碼的連接與測試

系統(tǒng)上電運行后，先進行初始化。初始化之后，系統(tǒng)先判斷白天還是黑夜。如果是黑夜，系統(tǒng)會產(chǎn)生中斷，立即停止運行，處于睡眠待機狀態(tài)[5]；如果是白天，根據(jù)太陽能接收器狀態(tài)是否執(zhí)行校準，如果是，光電傳感器工作，比較它們所檢測到的光強度，從而來確定沿該軸方向的太陽位置。如果否，將讀取時間，Arduino微控制器計算太陽位置，并發(fā)送控制信號至步進電機，步進電機接收到指令后將執(zhí)行旋轉命令，如此循環(huán)往復，使太陽能接收裝置實時追蹤太陽。

最終代碼的流程圖如圖4所示，用于校準由LDR和其他組件組成的太陽能檢測器。給太陽軌道算法提供一個起點，如果太陽能接收器已經(jīng)正對太陽的話，太陽軌道算法能夠計算出步進電機旋轉的方位角和仰角，但它無法確定接收器的當前角度。其結果是，需要太陽能檢測器給微控制器一個基準。

圖4 最終代碼的流程圖

執(zhí)行校準的時間和持續(xù)的時間間隔是至關重要的。這兩個參數(shù)直接決定了校準是否成功。首先，如果時間點太早，太陽能光不夠強，校準后會出現(xiàn)偏差，如果時間點太晚，會浪費大量的太陽能；其次，如果時間周期太短，受到意外光源干擾的可能性將被放大，如果時間周期太長，也會浪費太陽能。

經(jīng)過測試和調整，實現(xiàn)準確、高效校準的最好方式如下：計算太陽的仰角，一旦角度超過15°，開始設置傳感器在特定的時間內，當太陽在天空中移動角度為1°時來追蹤太陽。校準完成后，太陽能接收器應該正確地面對太陽，然后不斷計算太陽位置，并進入正常運行循環(huán)。

4 小結

最終成品需要在兩種特殊情況下進行實驗測試。一是在室內用可快速移動的光源進行測試，以驗證產(chǎn)品的基本工作情況?？梢灾饾u改變入射角，但速度比太陽更快（避免長時間的測試時間）；二是在室外自然光條件下長時間放置，以驗證產(chǎn)品的性能和品質。并基于實驗的情況，進行調試和優(yōu)化，同時，必須加入工作時段和天氣因素影響的考慮。

本太陽能有效追蹤系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)太陽能的接收，具有電路簡單、價格低廉、安裝便易、適應性強等特點，能夠準確可靠地實現(xiàn)太陽能的有效追蹤，提高太陽能的利用率，可很好地應用于其他與太陽光能有關的設備。