基于ARM的太陽跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

劉路路，黃祥康，邱選兵，魏計林

(太原科技大學應(yīng)用科學學院，山西太原 030024)

隨著工業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展，人們對能源的需求逐漸增大。太陽能是一種新型的清潔能源，如何充分利用這種新型綠色能源，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展，成為了當今研究的熱門課題之一。

相關(guān)理論和實驗數(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)相比固定式太陽能系統(tǒng)的光伏轉(zhuǎn)換效率要高出約37.7%［1-3］。由此可見，在實際應(yīng)用中使用跟蹤式的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，將大幅度提高發(fā)電量，增加社會效益。

目前國內(nèi)外的太陽跟蹤控制系統(tǒng)主要分為兩種［4］:一是利用視日運動法算出任一時刻的太陽方位角和高度角，再驅(qū)動電機將電池板轉(zhuǎn)向太陽位置，但該方法不能避免天氣條件的影響;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，而此方法的不足在于能否將跟蹤系統(tǒng)從日落角度恢復(fù)到日出角度［5］。因此文中采用上述兩種方法相結(jié)合的基于低功耗Cortex-M3核的ARM處理器，實現(xiàn)了高精度跟蹤定位太陽的功能，首先CPU通過GPS獲取到控制系統(tǒng)的經(jīng)緯度和實時時鐘，再根據(jù)視日運動法理論計算出太陽位置，驅(qū)動電機使電池板指向太陽，然后利用四象限傳感器信號進行修正;同時采用獨立的光強傳感器，獲得實時太陽光照，從而以天氣情況判斷是否停止跟蹤系統(tǒng)，節(jié)約控制裝置能耗。

1 太陽跟蹤原理

1.1 視日運動軌跡

根據(jù)天文學知識，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)周期為一年，地球本身也在不停自轉(zhuǎn)，而自轉(zhuǎn)周期為一天。地球的自轉(zhuǎn)軸與其圍繞太陽公轉(zhuǎn)平面始終為23.5°，由此形成了一年四季的變化。

圖1 地球圍繞太陽運動示意圖

由圖1可知，一年當中，太陽直射點的緯度始終在23.5°S到23.5°N之間變化。將某天太陽直射點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為一年當中的天數(shù)，自1月1日起算。如2月5日，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向西移動15°，定義正午的時角ω(°)為0°，則一天之中的時角可用時角公式算出

式中，h為24小時制的時間。當ω為正數(shù)時表示太陽偏東，為負數(shù)時表示太陽偏西。

在太陽跟蹤系統(tǒng)中，主要用兩個參數(shù)表示太陽位置:太陽高度角α(°)和太陽方位角Α(°)，如圖2所示。太陽高度角α指太陽照射某點的光線與照射點所在地平面的夾角，太陽方位角Α指太陽照射某點的光線在地平面上的投影與正南方的夾角，計算公式為［5-6］

式中，δ為太陽赤緯角;ω是時角;φ是當?shù)鼐暥?/p>

圖2 太陽高度角與太陽方位角

1.2 傳感器跟蹤法

在太陽追蹤系統(tǒng)中使用最為廣泛的是四象限光電探測器。它是將4個性能完全相同的硅光電池或光電二極管按直角坐標要求排列的光電探測器件［7］。安裝時將探測器的感光面與太陽能電池板放在同一平面上。當太陽光垂直射到太陽能電池板時，探測器上的光斑位于正中心，如圖3所示。

圖3 陽光直射時光斑位置

當太陽偏移一定位置時，則探測器的光斑則不再與中心重合，設(shè)光斑位置相對原點位置為 Δx、Δy，如圖4所示，傳感器輸出為

式中，y1～y4是四象限探測器第Ⅰ～第Ⅳ象限的輸出;C是由系統(tǒng)決定的常量。

圖4 陽光斜射時光斑位置

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

2 跟蹤機構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的跟蹤機構(gòu)是實現(xiàn)太陽跟蹤的重要部分，是電機驅(qū)動太陽能電池板的主要傳動環(huán)節(jié)。跟蹤機構(gòu)的設(shè)計要考慮到轉(zhuǎn)動角度量、轉(zhuǎn)動力矩、傳動比以及傳動效率等因素。其精密程度也將直接影響到系統(tǒng)的可靠性和跟蹤太陽的精度。

目前，太陽跟蹤系統(tǒng)有單軸式和雙軸式兩種。雖然單軸式結(jié)構(gòu)較為簡單，但其只有一個自由度，而太陽的運動軌跡不是單一的圓周運動，因此單軸式的太陽能跟蹤系統(tǒng)只能簡單粗略地跟蹤，無法滿足設(shè)計的要求。綜合考慮各種因素，文中采用雙軸式跟蹤方式，實際制作的跟蹤控制模型如圖5所示。

圖5 太陽跟蹤裝置模型圖

雙軸式太陽跟蹤系統(tǒng)機構(gòu)如圖6所示，主要由水平和仰角的控制電機、減速傳動齒輪和支架構(gòu)成。圖7是跟蹤機構(gòu)的傳動系統(tǒng)示意圖。水平控制電機通過減速齒輪帶動系統(tǒng)水平旋轉(zhuǎn)，跟蹤太陽方位角;而仰角控制電機則改變電池板仰角的大小，跟蹤太陽的高度角。設(shè)計的水平轉(zhuǎn)動角度控制范圍0°～360°，仰角控制范圍0°～90°，滿足各緯度跟蹤要求。

圖6 云臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 傳動系統(tǒng)示意圖

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)上述太陽跟蹤原理，所設(shè)計的高精度太陽跟蹤控制系統(tǒng)，其組成如圖8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、單片機控制電路、步進電機驅(qū)動電路以及機械云臺等組成。

圖8 控制系統(tǒng)框圖

光強傳感器用于檢測當前光強，系統(tǒng)根據(jù)此光強信號判斷是否啟動跟蹤;四象限傳感器的信號通過放大電路進行調(diào)整，輸出4個象限的電壓信號提供太陽位置偏移量;系統(tǒng)采用RS232接口是為了使系統(tǒng)能與PC機通信，如PC機可采集光強信號、太陽方位等信息;GPS模塊則是為系統(tǒng)提供緯度和時間;電機驅(qū)動是驅(qū)動機械云臺的水平和仰角的控制電機。

3.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作前，將電池板水平方向指向正南位置。通電后，單片機從GPS模塊獲取緯度和實時時間信息，計算出此刻太陽高度角和方位角后，驅(qū)動電機水平和仰角步進電機相應(yīng)角度將電池板指向正對太陽位置。并檢測傳感器的信號判斷是否已對準，若是，則定位太陽完成，否則需進行角度修正。

角度修正方法:假設(shè)進行修正前位置如圖9所示，此時太陽光與電池板的法線夾角為φ，單片機從傳感器信號計算得到Δx、Δy。首先進行仰角修正，驅(qū)動仰角電機產(chǎn)生相應(yīng)動作使仰角減小，當檢測到Δy=0時，仰角修正完成，如圖10所示。接著進行水平角修正，當檢測到Δx=0時，角度修正完成，電池板正對太陽。

圖9 角度修正前位置示意圖

圖10 仰角修正完成時示意圖

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，所設(shè)計的軟件流程主要包括CPU解碼從GPS模塊接收的數(shù)據(jù)，得到緯度和時間信息，經(jīng)計算后得到太陽高度角和方位角并作出相應(yīng)驅(qū)動、角度修正及判斷光強等，其系統(tǒng)控制流程和角度修正流程如圖11所示。

4 實驗與誤差分析

圖12為2012年10月6日太原市(37.82°N，112.48°E)，用式(3)和式(4)求得的太陽高度角和方位角隨時間變化曲線。

圖11 角度修正流程

圖12 太陽高度角和方位角隨時間變化圖

表1是2012年12月6日系統(tǒng)在太原市(37.82°N，112.48°E)從8～17點工作得到的實測數(shù)據(jù)。

表1 一天之中太陽高度角、方位角的理論值和實測值

由圖12可知，太陽高度角在正午12時達到最大值，且以12時為軸對稱分布;太陽的方位角在8時以前和16時以后是單調(diào)遞增，而在8時到16時之間是單調(diào)遞減。表1中的數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)可達±1.5°以內(nèi)的跟蹤精度。

5 結(jié)束語

針對使用視日運動軌跡法或傳感器單一方法不能準確、合理跟蹤太陽的缺點，文中結(jié)合其各自優(yōu)點，設(shè)計了基于ARM的高精度太陽能跟蹤系統(tǒng)。試驗數(shù)據(jù)表明，此系統(tǒng)可實現(xiàn)±1.5°范圍內(nèi)的跟蹤精度，且成本低、可靠性高。

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