太陽跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃祥康，陳 鑫，李樹蓉，邱選兵，魏計(jì)林

(太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原030024)

隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對能源的需求越來越大。太陽能作為一種新型的清潔能源，取之不盡，用之不竭。如何更好利用這種新型綠色能源，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，成為已經(jīng)當(dāng)今研究的熱門課題之一。

相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在使用相同功率太陽能電池板的前提下，跟蹤式太陽能系統(tǒng)比固定式太陽能系統(tǒng)的光伏轉(zhuǎn)換效率要高出 37.7%左右[1-3]。由此可見，在實(shí)際應(yīng)用中使用跟蹤式的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，將會(huì)大幅度提高發(fā)電量，增加社會(huì)效益。

目前國內(nèi)外的太陽跟蹤控制系統(tǒng)主要有兩種方法[4]，一是利用視日運(yùn)動(dòng)法算出任一時(shí)刻的太陽方位角和高度角，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電池板指向太陽位置，這種方法不能避免天氣條件的影響，如在陰雨天的時(shí)候系統(tǒng)依然工作，還有可能出現(xiàn)找不到最佳跟蹤角度而跟蹤失效的不足;二是利用傳感器采集光信號，將光信號處理后得到太陽偏移位置，再將電池板指向太陽位置，此方法的不足之處在于能不將跟蹤系統(tǒng)從日落角度恢復(fù)到日出角度[5]。因此本文采用上述兩種方法結(jié)合的基于低功耗Cortex-M3核的跟蹤定位太陽，首先CPU通過GPS獲取到控制系統(tǒng)的經(jīng)緯度和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，再根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)法理論上算出太陽位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使電池板指向太陽，再利用四象限傳感器信號進(jìn)行修正;同時(shí)采用獨(dú)立的光強(qiáng)傳感器，實(shí)時(shí)獲得實(shí)時(shí)太陽光照，從而判斷是否為陰天或下雨天而停止跟蹤系統(tǒng)，節(jié)約控制裝置能耗。

1 太陽跟蹤原理

1.1 視日運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)天文學(xué)的知識，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)周期為一年，地球本身自轉(zhuǎn)周期為1 d(24 h)。地球的自轉(zhuǎn)軸與其圍繞太陽公轉(zhuǎn)的平面始終為23.5°，由此形成了一年的四季變化。一年之中，太陽直射點(diǎn)的緯度始終在23.5°S到23.5°N之間變化。某天太陽直射點(diǎn)的緯度稱為太陽赤緯角δ，δ(°)是天數(shù)n的函數(shù)，δ與n之間的函數(shù)關(guān)系為:

式中:n——一年之中的天數(shù)，自1月1日起算。例如2月5日這一天，則n=36.

地球自轉(zhuǎn)周期為24 h，假設(shè)地球不自轉(zhuǎn)，則在地球上的觀察者看來是太陽每小時(shí)自東向西移動(dòng)15°，定義正午的時(shí)角ω(°)為0，一天之中的時(shí)角可用時(shí)角公式算出:

式中:h——24小時(shí)制的時(shí)間。當(dāng)ω為正數(shù)表示太陽偏東，為負(fù)數(shù)表示太陽偏西。

在太陽跟蹤系統(tǒng)中，主要用兩個(gè)參數(shù)表示太陽位置:太陽高度角α(°)和太陽方位角A(°)，如圖1所示。太陽高度角α指太陽照射某點(diǎn)的光線與它照射點(diǎn)所在地平面的夾角，太陽方位角A指太陽照射某點(diǎn)的光線在地平面上的投影與正南方的夾角，它們的計(jì)算公式為[5-6]:

式中:δ——太陽赤緯角;

ω——是時(shí)角;

φ——是當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

圖1 太陽高度角與太陽方位角Fig.1 The altitude angle and azimuth of sun

1.2 傳感器跟蹤法

在太陽跟蹤系統(tǒng)中使用最廣泛的是四象限光電探測器。它是把四個(gè)性能完全相同的硅光電池(或光電二極管)按照直角坐標(biāo)要求排列的光電探測器件[7]。安裝時(shí)將探測器的感光面與太陽能電池板在同一平面上。當(dāng)太陽光垂直射到太陽能電池板時(shí)，探測器上的光斑位于正中心，如圖2。

太陽偏移一定位置時(shí)，則探測器的光斑也不再與中心重合，設(shè)光斑位置相對原點(diǎn)位置為Δx、Δy，如圖3所示，傳感器輸出為:

圖2 陽光直射時(shí)光斑位置Fig.2 The facula's position of point-blank sunlight

圖3 陽光斜射時(shí)光斑位置Fig.3 The facula's position of skew sunlight

式中:y1-y4——四象限探測器第Ⅰ-第Ⅳ象限的輸出;

C——由系統(tǒng)決定的常量。

系統(tǒng)根據(jù)Δx、Δy的值調(diào)整太陽能板的方向，當(dāng)Δx=0、Δy=0時(shí)，表明探測器對準(zhǔn)太陽。由于探測器感光面與太陽能板共面，此時(shí)陽光直射太陽能電池板。

2 跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的跟蹤機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)太陽跟蹤的必要部分，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽能電池板的重要傳動(dòng)環(huán)節(jié)。跟蹤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)角度量、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、傳動(dòng)比以及傳動(dòng)效率等諸多因素。它的精密程度也直接影響到系統(tǒng)的可靠性和跟蹤太陽的精度。

在地球上的觀察者看來，太陽的一天的運(yùn)動(dòng)可分解為兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成:一個(gè)是自東向西沿緯線方向的運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)改變太陽的方位角在;另一個(gè)是高度方向的運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)改變太陽的高度角。根據(jù)這個(gè)思路，設(shè)計(jì)出雙軸式的太陽跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械裝置，其中一根軸為水平方向旋轉(zhuǎn)軸，電池板能繞該軸做水平轉(zhuǎn)動(dòng);另外一根軸為仰角旋轉(zhuǎn)軸，電池板繞著它改變仰角大小。

圖4是機(jī)械裝置的示意圖。主要由水平方向和仰角方向的控制電機(jī)、減速傳動(dòng)齒輪和支架構(gòu)成。云臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式一般采用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)[8]?？紤]到伺服電機(jī)難以控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度，故本系統(tǒng)采用了高精度、易于控制轉(zhuǎn)動(dòng)角的步進(jìn)電機(jī)。

系統(tǒng)工作時(shí)，水平控制電機(jī)通過減速齒輪帶動(dòng)系統(tǒng)水平旋轉(zhuǎn)，跟蹤太陽方位角;仰角控制電機(jī)則改變電池板仰角的大小，跟蹤太陽的高度角。通過這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成來達(dá)到電池板跟蹤太陽的目的。設(shè)計(jì)時(shí)，將水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍設(shè)在0～200°，仰角范圍設(shè)在0～90°，以滿足各緯度跟蹤要求。

圖5是實(shí)際制作的跟蹤控制模型圖。

圖4 雙軸式太陽跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械裝置示意圖Fig.4 The machine diagram of two-axis sun tracking system

圖5 太陽跟蹤裝置模型圖Fig.5 The model of the solar tracking control system

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面論述的太陽跟蹤原理，所設(shè)計(jì)的太陽跟蹤控制系統(tǒng)，其組成如圖6所示?？刂葡到y(tǒng)主要由傳感器、信號放大電路、通信電路、GPS模塊、單片機(jī)控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及機(jī)械云臺(tái)等組成。

圖6 控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Control system diagram

光強(qiáng)傳感器用于檢測當(dāng)前光強(qiáng)，系統(tǒng)根據(jù)此光強(qiáng)信號判斷是否啟動(dòng)跟蹤;四象限傳感器的信號通過放大電路進(jìn)行調(diào)整，輸出4個(gè)象限的電壓信號提供太陽位置偏移量;系統(tǒng)的RS232接口為了使系統(tǒng)能與PC機(jī)通信，如PC機(jī)可以采集光強(qiáng)信號，太陽方位等信息;GPS模塊則是為系統(tǒng)提供緯度和時(shí)間;電機(jī)驅(qū)動(dòng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)械云臺(tái)的水平和仰角的控制電機(jī)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的控制程序采用C語言在KEIL MDK平臺(tái)上進(jìn)行編寫。系統(tǒng)上電后先進(jìn)行ARM芯片的初始化工作，主要是配置芯片系統(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz、配置串口模塊、配置GPIO口、ADC模塊、DMA模塊等。接著進(jìn)行跟蹤初始化工作，最后在死循環(huán)內(nèi)跟蹤太陽。

跟蹤初始化過程:上電后先判斷當(dāng)前時(shí)間是不是處于跟蹤時(shí)間范圍內(nèi)，為假則等待設(shè)定的開始跟蹤時(shí)刻到來;否則系統(tǒng)將復(fù)位至最初狀態(tài)，即驅(qū)動(dòng)太陽電池板指向正南方，即方位角和仰角都0°的位置。至此跟蹤初始化完畢。

跟蹤過程:在初始化結(jié)束后，系統(tǒng)接著單片機(jī)從GPS模塊讀取信息，計(jì)算當(dāng)時(shí)刻下的太陽高度角和方位角賦給相應(yīng)變量，并驅(qū)動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度。光強(qiáng)判斷，若光強(qiáng)符合條件再利用四象限傳感器進(jìn)行角度修正;否則將不啟動(dòng)跟蹤。等待5 min后讀取GPS信息重新計(jì)算方位角和仰角并驅(qū)動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，接著進(jìn)行光強(qiáng)檢測。不斷重復(fù)循環(huán)。直到超出跟蹤時(shí)間范圍或收到停止命令，則執(zhí)行停止指令。停止工作。設(shè)計(jì)時(shí)在將執(zhí)行命令的代碼放在中斷服務(wù)程序中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)人為控制。

角度修正過程:假設(shè)進(jìn)行修正前位置如圖7，這時(shí)太陽光與電池板的法線夾角為φ，單片機(jī)從傳感器信號計(jì)算得到Δx、Δy.首先進(jìn)行仰角修正:驅(qū)動(dòng)仰角電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作使仰角減小，當(dāng)檢測到Δy=0時(shí)，仰角修正完成，如圖8;接著進(jìn)行水平角修正，同理當(dāng)檢測到Δx=0時(shí)，角度修正完成，電池板正對太陽。

圖7 角度修正前位置示意圖Fig.7 Position diagram before angle modification

圖8 仰角修正完成時(shí)示意圖Fig.8 Position diagram after angle modification

系統(tǒng)軟件示意性代碼和控制流程如下:

圖9 主流程Fig.9 Main flow chart

4 試驗(yàn)與誤差分析

圖10中的兩條曲線分別顯示了2012年7月6日太原市(37.82 °N，112.48 °E)，用公式(3)和(4)求得的太陽高度角和太陽方位角隨時(shí)間變化。表1是2012年7月6日系統(tǒng)在太原市(37.82°N，112.48°E)從8點(diǎn)到17點(diǎn)工作得到的實(shí)測數(shù)據(jù)。在表1中，理論值是利用公式算出來的太陽高度角和方位角;實(shí)測值則是當(dāng)電池板對準(zhǔn)太陽時(shí)測得的太陽的高度角和方位角，該值對應(yīng)著太陽能電池板的高度角和方位角應(yīng)。從表1的數(shù)據(jù)上分析，根據(jù)相關(guān)理論設(shè)計(jì)出的這套太陽能跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度比較理想，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖10 太陽高度角和方位角隨時(shí)間變化圖Fig.10 The changing curve of sun's altitude angle and azimuth with time

表1 一天之中太陽高度角、方位角的理論值和實(shí)測值Tab.1 The theoretical values and actual values of altitude angle and azimuth

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于ARM的太陽能跟蹤系統(tǒng)，采用傳感器與視日運(yùn)動(dòng)軌跡法結(jié)合，克服了只靠傳感器跟蹤系統(tǒng)無法自動(dòng)恢復(fù)初始位置和只靠視日運(yùn)動(dòng)軌跡法跟蹤系統(tǒng)因天氣原因不能停止工作而損耗能源的缺點(diǎn)。

內(nèi)嵌ARM-Cortex M3核的STM32F10X系列處理器擁有優(yōu)越的架構(gòu)和豐富的外設(shè)資源，能夠在多種復(fù)雜的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。采用STM32處理器作為控制器的太陽跟蹤系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)物模型試驗(yàn)表明，系統(tǒng)跟蹤精度良好，且成本低、可靠性好，可以在光伏發(fā)電領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。

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