太陽方位的自動獲取及實時跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計＊

王 斌，張 珣

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

在眾多環(huán)境問題中礦物燃料形成的污染十分嚴重，而利用太陽能作能源，沒有廢渣、廢氣、廢水排出，無噪聲，不產(chǎn)生有害物質(zhì)，這在環(huán)境污染日趨嚴重的今天顯得尤為可貴［1］。21世紀人類最清潔、最廉價的能源就是太陽能［2－3］。它作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊。太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。然而由于太陽隨季節(jié)氣候和天氣晝夜變化而變化，如果不能做到實時跟蹤，那么太陽能將會變得非常不易收集［4］。傳統(tǒng)的太陽追蹤控制系統(tǒng)需要計算機輔助，成本較高，且需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的數(shù)據(jù)和設(shè)定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新設(shè)定數(shù)據(jù)和調(diào)整各個參數(shù);原理、電路、技術(shù)、設(shè)備復(fù)雜，非專業(yè)人士不能夠隨便操作。本文基于一種高精度太陽方位的算法，設(shè)計了一套實時跟蹤系統(tǒng)，能讓裝置在任意方向擺放時自動追蹤太陽方位，整套系統(tǒng)成本較低，性能穩(wěn)定，能夠被廣泛的應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1 太陽方位的數(shù)學(xué)模型簡介

定位太陽，即得到定位點精確的太陽高度角與太陽方位角，而這兩個角度可以通過解天文球面三角得到，其計算公式如下［5］:

其中h為高度角;A為方位角。只要能得到精確的太陽赤緯角、緯度以及太陽時角τ，那么太陽就能被精確定位，而經(jīng)緯度與格林時間可以通過GPS得到，這里主要介紹δ和τ的計算。這兩個角度計算的方法有多種，通過實驗發(fā)現(xiàn)，相比較而言，以下兩種方法能得到較高的精度并且具有較簡單的操作，一種是傳統(tǒng)的公式計算法，另一種則是通過查太陽赤緯表、時差表并加以補償計算法，為方便以下簡稱為公式法和查表法。

1.1 公式法

(1)太陽赤緯角

地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面稱黃道面，而地球的自轉(zhuǎn)軸稱極軸。極軸與黃道面不是垂直相交，而是呈66.5°角，并且這個角度在公轉(zhuǎn)中始終維持不變。正是由于這一原因形成了每日中午時刻太陽高度的不同，以及隨之而來的四季變遷。太陽赤緯角在春分和秋分時刻等于0，而在夏至和冬至?xí)r刻有極值，分別為±23.442°。

由于太陽赤緯角在周年運動中任何時刻的具體值都是嚴格已知的，所以它 (δ)也可以用以下表達式表述，即:

式中N為積日，所謂積日，就是日期在年內(nèi)的順序號，例如，1月1日其積日為1，平年12月31日的積日為365，閏年則為366，等等。

(2)太陽時角

真正的太陽在黃道上的運動不是勻速的，而是時快時慢，因此，真太陽日的長短也就各不相同。但人們的實際生活需要一種均勻不變的時間單位，這就需要尋找一個假想的太陽，它以均勻的速度在運行。這個假想的太陽就稱為平太陽，其周日的持續(xù)時間稱平太陽日，由此而來的小時稱為平太陽時［6］。

1.2 查表法

這里的“表”是指以4年為一個周期的太陽赤緯表和太陽時差表，共8張，將其輸入單片機或其他數(shù)據(jù)庫，固化于CPU中，可以隨時提取。

(1)太陽赤緯角

δ是時間函數(shù)，每秒計能夠滿足時間精度要求，4年一周。

其中，TG表示太陽格林時，由GPS得到;δG12h是正午12點的太陽赤緯角，由數(shù)據(jù)庫提取;赤緯和測量者赤緯的符號，應(yīng)該北正，南負。

(2)太陽時角

其中，ΔTG12h表示格林時差，由數(shù)據(jù)庫提取;τ太陽時角，是平陽時、時差、時差修正量和測量者經(jīng)度的函數(shù)，方位以順時針方向360計，時角以西行作為起點較為方便，東經(jīng)也換算成西經(jīng)進行計算。

換算式:λZW=360－λZE，其中λZW為西行測量者經(jīng)度;λZE為東行測量者經(jīng)度，由GPS得到;同樣，也可以使用天文學(xué)公式計算出太陽高度角和方位角。

通過以上的比較，可以發(fā)現(xiàn)采用公式法由于存在大量正余弦的運算，不便于在單片機里進行，這會大大的延長其運算時間，并且每次運算都要對年份、經(jīng)度、時刻等值進行修正，較為繁瑣，很難做到實時追蹤，而查表法只需將數(shù)據(jù)表存入EEPROM，在使用時直接讀取即可，做較為簡單的計算，操作簡便，但由于表格以小時為單位，分和秒進行折中計算，會產(chǎn)生一定的誤差，但實際試驗中仍能滿足追蹤需求，因此在本系統(tǒng)中采用查表法。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1，其中箭頭表示數(shù)據(jù)流方向。

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 Block diagram of the system

(1)處理器dsPIC30F6014A

單片機作為核心處理器采用了微星公司的dsPIC30F6014A，具有低功耗、高速度、體積小、功能強、抗干擾能力強等優(yōu)點，其內(nèi)置DSP引擎，顯著提高了內(nèi)核運算能力和吞吐量，可實現(xiàn)最佳性能［7］，內(nèi)置4K EEPROM可以將數(shù)據(jù)表格直接存在其中，另外豐富的外圍接口為將來擴展其他功能提供了方便;但是由于單片機的UART模塊有限，而外部需處理的數(shù)據(jù)較多，故采用串口擴展芯片進行分流。

(2)GPS模塊

GARMIN的GPS產(chǎn)品為同時能跟蹤多達12顆衛(wèi)星的GPS接收機，功耗非常小，數(shù)據(jù)更新率為每秒一次，采用0183協(xié)議與單片機進行通信，單片機獲取當?shù)氐哪暝氯铡r分秒、經(jīng)緯度信息，以用于上述的太陽方位計算。

(3)HMR3200

HMR3200是霍尼韋爾公司生產(chǎn)的高精度電子羅盤，具有兩軸的磁阻傳感器，能夠輸出分辨率為0.1°的航向角，即以磁北為0°的順時針角度，用于識別整個裝置的初始位置。

(4)數(shù)字方位儀

高精度數(shù)字方位儀由兩個步進電機控制攝像頭組成，能夠在水平面和垂直面精確定位，電機采用了兩相混合式步進電機，步距角為0.9°，分辨率不能達到追蹤需求，故采用細分芯片MTD2009J對每一步進行了4096的細分，分辨率控制在0.001°以內(nèi)，考慮到步進電機存在丟步、共振導(dǎo)致的誤差，每次轉(zhuǎn)回原點都對其進行修正，確保精度在0.01°以內(nèi)，用以達到追蹤的需求，整個裝置與上述電子羅盤一起固定在一個水平環(huán)內(nèi)，外界的適度傾斜能使裝置保持水平，同時以這個初值作為垂直面的高度角基準，以電子羅盤的初值作為水平面的方位角基準，并以485信號返回高度角和方位角與單片機通訊，同時方位儀有一套自身協(xié)議，單片機可通過指令控制其上下左右的旋轉(zhuǎn);方位儀上攝像頭輸出的視頻信號經(jīng)過視頻圖像編碼芯片送入TFT屏顯示。

3 系統(tǒng)軟件工作流程

圖2為系統(tǒng)的工作流程，其中系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)的安裝，必須確保羅盤與方位儀的水平位置相對固定，否則將會產(chǎn)生系統(tǒng)偏差。另外，HMR3200需要進行一個自校準，由于電子羅盤依靠地球磁場來得到輸出指向，而其磁阻傳感器容易受到軟硬鐵的干擾，使測得磁場為地磁和周圍磁場的合磁場，因此必須將整個載體平臺旋轉(zhuǎn)一圈，以扣除周圍磁場在兩個磁阻軸上引起的偏置，確保輸出的精度［8］。然后讀取HMR3200輸出數(shù)據(jù)，記為θ1，讀取GPS數(shù)據(jù)，并調(diào)用EEPROM計算太陽高度角h，方位角θ2，則方位儀的真實垂直旋轉(zhuǎn)角度為h，水平角度為θ=θ1－θ2，若θ＜0，則θ=θ+360;同時單片機實時讀取方位儀的返回值判斷是否到達目標位置，完成后則繼續(xù)讀取GPS數(shù)據(jù)，重復(fù)上述操作。若校準后周圍又重新放置了大型鐵塊，使磁場發(fā)生改變則需重新校準HMR3200，若主控制臺發(fā)生移動，則需重讀傳感器數(shù)據(jù)。

圖2 軟件流程圖Fig.2 Flowchart of the software for the system

4 結(jié)果分析

在測試環(huán)境中對上述兩種高度角和方位角的算法進行了試驗，驗證了其可行性，其計算精度都能用于太陽追蹤。在實際系統(tǒng)中采用了查表法，下表為某地每分鐘連續(xù)測試結(jié)果，限于篇幅僅列出5組數(shù)據(jù)如下 (測試地點:東經(jīng)120.3374°，北緯30.3143°;測試日期:2010－1－11):

表1 太陽方位計算值Table 1 Some calculated values of azimuths of the sun

根據(jù)上述結(jié)果及長時間的計算顯示，計算誤差在0.04°左右，將其作為系統(tǒng)誤差扣除，使其精度能保證在0.01°，因此能夠滿足實時的跟蹤，通過數(shù)字方位儀攝像頭對太陽進行捕捉，結(jié)果如圖3。

圖3 捕捉視頻顯示Fig.3 Display of the captured video

由于太陽光的強度很大，攝像頭直接對準太陽會導(dǎo)致其損壞，因此在攝像頭上安裝了中性衰減片，不同波長的光按同一比例衰減［9］，既保護了攝像頭，也使得圖像便于觀察處理。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)基本實現(xiàn)了太陽方位的定位和實時追蹤功能，能夠在光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用，但仍有可以改進的地方，由于各個模塊相對獨立，安裝、設(shè)置等步驟相對比較麻煩，可以將GPS、電子羅盤置于一塊電路板中，用DSP作為處理器，直接對圖像進行獲取，縮小體積，便于使用。另外，對于太陽方位計算可以進一步細分太陽赤緯表和太陽時差表，用更大容量的EEPROM來存儲，使得追蹤精度進一步提高。

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［8］Michael J Caruso.Applications of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems ［EB/OL］.Honeywell Inc，2009 －11－28，http://www.honeywell.com.

［9］吳春暉，朱慶生，周小軍.全日面太陽光學(xué)和磁場望遠鏡的自動跟蹤與導(dǎo)行方法 ［J］.天文研究與術(shù)——國家天文臺臺刊，2007，4(2):147－152.Wu Chunhui，Zhu Qingsheng，Zhou Xiaojun.The Tracking and Guiding Method for Full Solar Disk Vector Magnetograph Telescope ［J］. Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2007，4(2):147－152.