主動式太陽能追日系統(tǒng)設(shè)計＊

卞萬榮，趙慧，楊運，徐瑋，楊慧

（南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院，南京211100）

引 言

隨著全球資源逐漸匱乏與能源需求不斷增長之間的矛盾日益凸顯，太陽能作為綠色清潔能源受到越來越多的關(guān)注和研究，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力是整個社會可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。目前的太陽能利用方式主要有以下4種：光熱利用、太陽能發(fā)電、光化利用及光生物利用。我國較成熟的太陽能產(chǎn)品主要集中在太陽能熱水系統(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)兩個方面，經(jīng)過多年的發(fā)展，這兩項產(chǎn)業(yè)已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)化體系。然而，在目前大多數(shù)的太陽能項目中，仍未最大限度地利用太陽能，未能隨著太陽高度角及方位角的變化，及時變換太陽能電池板或太陽能集熱器的旋轉(zhuǎn)角度，一天中有相當(dāng)一部分時間未能有效利用太陽能。若能隨著太陽位置的變化不斷調(diào)整太陽能電池板或集熱器的角度，即對太陽進行跟蹤，則可以很大程度上提高太陽能的利用率。

如今，有多種跟蹤太陽的方式：

①時鐘式太陽跟蹤裝置。此裝置是一種被動式裝置，有單軸和雙軸兩種類型，系統(tǒng)根據(jù)時間將方位角和仰俯角分為幾等份，在固定時間段內(nèi)通過控制器驅(qū)動電機按固定的角度旋轉(zhuǎn)，進而跟蹤太陽。

②最大功率跟蹤裝置。本方法以動態(tài)平衡追蹤太陽能系統(tǒng)的最大功率。本方法特征是太陽能板與直流／直流升降壓轉(zhuǎn)換器間聯(lián)接一個瞬間功率型超級電容，作為能量的動態(tài)平衡器，將太陽能板產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成電容器形態(tài)的電能進行最大功率演算，可大幅度簡化演算程序，提升追蹤演算的實時性與可靠度，提高太陽能系統(tǒng)效率。

③光電式跟蹤裝置。此類裝置使用光敏傳感器如硅光電管，硅光電管要靠近遮光板安裝，調(diào)整遮光板的位置使遮光板對準太陽，硅光電池處于陰影區(qū)；當(dāng)太陽西移時，遮光板的陰影偏移，硅光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流，該微電流作為偏差信號，經(jīng)放大電路放大，由伺服機構(gòu)調(diào)整角度，使跟蹤裝置對準太陽完成跟蹤。［1］

以上每種跟蹤方式都可完成對太陽的跟蹤，但這些方式都是被動式太陽跟蹤方式，只能被動地接收太陽輻射作為驅(qū)動基礎(chǔ)。時鐘式靈敏度不高，不能高效地利用太陽能；最大功率和光電跟蹤裝置靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為方便，但受天氣的影響很大，如果在較長時間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照到硅光電管上，導(dǎo)致跟蹤裝置無法對準太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機構(gòu)的誤動作。

鑒于此，本文設(shè)計一種主動式太陽能追日系統(tǒng)，根據(jù)太陽能收集裝置的安裝地點及具體工作時間，實時計算出太陽高度角及方位角，自動修正太陽能收集裝置的角度，確保其始終跟蹤太陽方位，最大限度地利用太陽能。具體實施中擬通過終端輸入模塊為系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度、時間等參數(shù)，經(jīng)緯度設(shè)置可借助GPS 等設(shè)備獲得。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)主控制器ATmega32單片機的實時計算，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖來驅(qū)動步進電機，通過傳動機構(gòu)對太陽能收集裝置進行角度驅(qū)動而完成偏擺，進而實現(xiàn)太陽能收集裝置隨太陽位置變化的追日旋轉(zhuǎn)。該設(shè)計延長了太陽輻射時間，增大了輻射面積，有效提高了太陽能的利用率。

1 太陽運動規(guī)律

1.1 赤道坐標(biāo)系

圖1 赤緯角與時角

赤道坐標(biāo)系是把地球上的經(jīng)緯度坐標(biāo)系擴展至天球而形成的。天球在天文學(xué)等領(lǐng)域中是一個想象的旋轉(zhuǎn)的球，理論上具有無限大的半徑，與地球同心。天空中所有的物體都想象成是在天球上，與地球相對應(yīng)，它有天赤道和天極。如圖1所示，其中，地軸和天球于北方相交的一點叫做北天極P，地軸和天球于南方相交的一點叫做南天極P'，通過地心并與地軸垂直的平面與地球表面相交而成的圓，是地球的赤道也是天赤道。在地球上與赤道面平行的緯度圈，在天球上叫做赤緯圈；在地球上通過南北極的經(jīng)度圈，在天球上稱時圈。本文在赤道坐標(biāo)系下以太陽赤緯角δ和時角α來表示太陽的位置。

太陽光線與地球赤道面所夾的圓心角，即為太陽赤緯角δ。赤緯角從赤道面算起，向北為正，向南為負。顯然，赤緯角變化范圍為±23°27'。太陽所在的時圈與通過春分點的時圈（春分圈）構(gòu)成的夾角為時角α。自天球北極看，順時針方向為正，逆時針方向為負。時角表示太陽的方位，天球l天（24小時）旋轉(zhuǎn)360°，所以每小時的時角為15°。太陽在黃道上的運動實際上不是勻速的，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，其每個周期的持續(xù)時間稱平太陽日，由此而來的小時稱為平太陽時。平太陽時是基本均勻的時間計量系統(tǒng)，與人們的生活息息相關(guān)。由于平太陽是假想的，因此無法實際觀測它，但它可以間接地從真太陽時求得。為此，需要一個差值來表達二者的關(guān)系，這個差值就是時差。

1.2 地平坐標(biāo)系

地平坐標(biāo)系是一種最直觀的天球坐標(biāo)系，和我們?nèi)粘５奶煳挠^測關(guān)系最為密切。地平坐標(biāo)系是以地平圈為基圈，地平圈就是觀測者所在的地平面無限擴展與天球相交的大圓。如圖2所示，從觀測者所在的地點，作垂直于地平面的直線并無限延長，在地平面以上與天球相交的點稱為天頂Z，在地平面以下與天球相交的點稱為天底Z'；N 和S分別表示北點和南點；h 和A分別表示太陽高度角和太陽方位角，用太陽高度角h 和方位角A 來確定太陽在天球中的位置。［2］

圖2 高度角與方位角

1.3 太陽位置的確定

因為在天球上的所有圓圈中，地平是在自然界中唯一能看到的在天空中被勾畫出的圓，同時，鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準儀所定出的水平線是在幾何坐標(biāo)系中惟一能容易直接觀測的參考方向。所以，地平參考系一直是實用中必不可少的參考系統(tǒng)。在實際觀測中，最重要的幾何坐標(biāo)系就是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐標(biāo)系。把直接觀測的天空形象用嚴格的幾何方式系統(tǒng)表示時，它也是實際中唯一可用的坐標(biāo)系。因此，太陽跟蹤器采用地平坐標(biāo)系直觀方便，操作性強，但是，也存在軌跡坐標(biāo)計算沒有具體公式可用的問題。而在赤道坐標(biāo)系中赤緯角和時角在日地相對運動中任何時刻的具體值卻嚴格已知，同時，赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運動密切相關(guān)，因此，通過天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽和觀測者位置之間的關(guān)系。綜合分析，在進行太陽跟蹤觀測時，兩維程控太陽跟蹤器的運動數(shù)學(xué)模型采用地平坐標(biāo)系作為基準坐標(biāo)系，并借助赤道坐標(biāo)系來進行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以獲得即時的太陽高度角和方位角。

雖然太陽在天球上的位置每日、每時都有變化，但是其運行具有嚴格的規(guī)律性。根據(jù)其相互運動規(guī)律，可以通過天文公式計算出太陽在赤道坐標(biāo)系中的太陽赤緯角和太陽時角。在實際使用中，由于太陽赤緯角和太陽時角是建立在赤道坐標(biāo)系中，不便于直接應(yīng)用，因此一般將其轉(zhuǎn)換到人們所熟悉的地平坐標(biāo)系中，即由太陽赤緯角和時角計算出太陽高度角和太陽方位角。當(dāng)太陽高度角和方位角確定后，太陽的位置也就唯一確定了。

根據(jù)天體幾何學(xué)中太陽運行軌跡算法公式，太陽的位置通過下列球面三角公式精確求出：

其中，太陽高度角為H，太陽方位角為A，涉及3個天文地理坐標(biāo)：δ為太陽赤緯角，φ為觀測點的地理緯度，ω為觀測時的太陽時角。這3個天文地理坐標(biāo)可以通過以下方式獲得：

①觀測地點的地理緯度通過GPS等精密導(dǎo)航儀器可以方便獲得。

②赤緯角和時角的計算需要通過時間確定。由于太陽在一年中的時角運動很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時間采用平太陽時，即太陽沿著周年運動的平均速率，在工程計算中，就會存在時差問題（真太陽時與平太陽時之差），因此必須采用真太陽時，否則在實際觀測中無法達到精度要求。為了得到準確的真太陽時，可以根據(jù)定時標(biāo)準來校準時差值，真太陽時計算公式如下：

其中：時差可以根據(jù)地球繞太陽公轉(zhuǎn)的規(guī)律由天體力學(xué)算出，在每年的天文年歷中可以查到。［3］

2 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)能根據(jù)裝置所在地點的地理參數(shù)自動計算太陽的高度角和方位角，并結(jié)合系統(tǒng)對天氣的檢測結(jié)果，驅(qū)動電機完成追日。

（1）太陽能收集裝置安裝位置及工作時間的獲取

借助GPS等設(shè)備通過終端輸入模塊為系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度、時間等參數(shù)，這是實時計算太陽高度角及方位角的基礎(chǔ)，若系統(tǒng)所處地理位置發(fā)生較大變化，則需要重新輸入地理位置坐標(biāo)及當(dāng)前時間。

（2）太陽高度角及方位角的計算

根據(jù)太陽能收集裝置安裝位置及工作時間實時計算太陽高度角及方位角是本設(shè)計方案的重點與難點之一，需進一步深入研究其算法實現(xiàn)，這是能否實現(xiàn)精確追日的關(guān)鍵。

（3）步進電機對太陽能收集裝置的角度驅(qū)動

經(jīng)ATmega32單片機實時計算產(chǎn)生相應(yīng)脈沖來驅(qū)動步進電機，通過傳動機構(gòu)對太陽能收集裝置進行角度驅(qū)動而完成偏擺，進而實現(xiàn)太陽能收集裝置隨太陽位置變化的實時旋轉(zhuǎn)。

（4）工作狀態(tài)下天氣情況的檢測

若為陰雨天氣，則停止對太陽能追日裝置的角度校正。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件組成框圖

系統(tǒng)硬件除通用電路（電源電路、JTAG 電路、RS232串口通信電路）外主要分為8個部分，具體為ATmega32單片機、電機驅(qū)動電路、鍵盤電路、LCD 顯示電路、時鐘電路、光電傳感器電路、光敏檢測以及蜂鳴器電路。組成框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件組成框圖

3.2 處理器電路

選擇ATmega32單片機作為主控芯片。處理器采用了較為簡單的阻容復(fù)位電路，該電路使單片機在上電時可靠復(fù)位。選用12 MHz晶體振蕩器，單片機在該時鐘驅(qū)動下，每秒可以執(zhí)行12M 條單周期指令。處理器電路如圖4所示。

圖4 處理器電路

3.3 電機驅(qū)動電路

步進電機單靠交流供電或直流電源無法工作，必須與驅(qū)動電路同時使用才能發(fā)揮其功能，驅(qū)動器（驅(qū)動電路）由決定換向順序的控制電路（或稱為邏輯電路）與控制電機輸出功率的換相電路（或稱為功率電路）組成。

電機驅(qū)動電路是步進電機轉(zhuǎn)動的基礎(chǔ)，采用東芝公司的TB6560芯片作為步進電機的驅(qū)動芯片，該芯片可以設(shè)置細分數(shù)、輸出電流等參數(shù)。在該系統(tǒng)中，這些功能都通過跳線的形式來實現(xiàn)。驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 電機驅(qū)動電路

3.4 時鐘電路

時鐘電路可以向系統(tǒng)提供當(dāng)前的日期和時間，使控制系統(tǒng)可以結(jié)合自身所處的地理位置，通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄓ嬎愠鰬?yīng)該轉(zhuǎn)動的角度，從而獲得最佳的太陽照射。

時鐘電路采用具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片DS1302，芯片主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。芯片可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能?？梢詾樽啡障到y(tǒng)提供實時時間。時鐘電路如圖6所示。

圖6 時鐘電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電后，首先完成機械裝置（云臺）的回零，然后，根據(jù)管理員輸入的工作地點參數(shù)，實時采集時間，判斷天氣情況。若天氣為陰，隔1 小時后重新檢測天氣；若天氣晴朗，則系統(tǒng)在當(dāng)前時間基礎(chǔ)上再加15分鐘，判斷是否在設(shè)定的工作時間內(nèi)。若在設(shè)定工作時間內(nèi)，則計算太陽方位角和高度角，進而驅(qū)動電機完成任務(wù)；否則，重新采集時間。系統(tǒng)工作流程圖如圖7所示。

4.2 主動式太陽能追日系統(tǒng)編程

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

（1）編程環(huán)境

使用廣州雙龍電子有限公司的ICCAVR 編譯環(huán)境，通過選擇對應(yīng)的芯片、包含對應(yīng)的頭文件、書寫正確的C程序來實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

（2）燒寫單片機

連接JTAG 后，通過點擊界面中的AVR 按鈕，就可以進入燒寫界面。選擇需要燒寫的HEX 文件后，即可開始燒寫，一般燒寫32KB 的文件需要10s左右的時間。燒寫完成后，單片機會自動復(fù)位，開始運行程序。

結(jié) 語

在ATmega32單片機硬件系統(tǒng)和追日系統(tǒng)云臺的基礎(chǔ)上，結(jié)合編制的程序，成功設(shè)計出了主動式太陽能追日系統(tǒng)。該系統(tǒng)達到了快速、準確、穩(wěn)定跟蹤太陽的效果，達到了預(yù)期的目標(biāo)。此外，系統(tǒng)具有鍵盤輸入電路和LCD顯示界面，整個系統(tǒng)操作簡單、控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度和實用性。

［1］鄭小年，黃巧燕.太陽跟蹤方法及應(yīng)用［J］.能源技術(shù)，2003，24（4）：149- 151.

［2］劉四洋，伍春生，彭艷昌，等.主動式雙軸太陽跟蹤器［J］.可再生能源，2007，25（6）：69- 70.

［3］饒鵬，孫勝利，葉虎勇.兩維程控太陽跟蹤器控制系統(tǒng)的研制［J］.控制工程，2004，11（6）：543.