基于光電和傾角檢測(cè)的全天候太陽(yáng)跟蹤傳感器設(shè)計(jì)*

李加念， 洪添勝， 倪慧娜

(1.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

基于光電和傾角檢測(cè)的全天候太陽(yáng)跟蹤傳感器設(shè)計(jì)*

李加念1,2， 洪添勝2， 倪慧娜2

(1.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

為提高雙軸太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度，設(shè)計(jì)了一種全天候太陽(yáng)跟蹤傳感器。該傳感器主要由外殼、接口電纜、9個(gè)光電探頭、傾角傳感器SCA100T—D02及相應(yīng)電路組成。晴天時(shí)通過(guò)光電探頭檢測(cè)太陽(yáng)的位置，陰雨天氣時(shí)通過(guò)SCA100T—D02實(shí)時(shí)反饋太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)后的傾角，以修正和消除太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤時(shí)的機(jī)械誤差。通過(guò)理論分析計(jì)算，確定了光敏電阻器在探頭中的安裝位置，傳感器可感知高度角在-88.83°～88.83°范圍內(nèi)的太陽(yáng)入射光線(xiàn)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，傳感器的傾角檢測(cè)的最大相對(duì)誤差為3.8 %，能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。

太陽(yáng)跟蹤；傳感器；光電；傾角；全天候；SCA100T—D02

0 引 言

太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源。研究表明，采用跟蹤太陽(yáng)比固定安裝太陽(yáng)能電池板的太陽(yáng)能接收率提高37.7 %。目前，國(guó)內(nèi)外通常是基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法和光電跟蹤法設(shè)計(jì)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)和跟蹤傳感器[1～5]。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法根據(jù)太陽(yáng)的天文運(yùn)行規(guī)律，計(jì)算出每時(shí)每刻的太陽(yáng)高度角與方位角，并以此作為參數(shù)控制太陽(yáng)跟蹤裝置。此方式不易受天氣和環(huán)境的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位的連續(xù)跟蹤，但屬于開(kāi)環(huán)跟蹤，不存在角度反饋對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正，難以避免長(zhǎng)期跟蹤過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械累積誤差。光電跟蹤法利用光電原理實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)位置進(jìn)行跟蹤，屬于閉環(huán)控制方式，不受跟蹤裝置安裝的地理位置和冬夏時(shí)差的影響與限制，可以獲得較高的跟蹤靈敏度和跟蹤精度，但受天氣條件的影響較大，在非晴朗天氣時(shí)誤差較大，甚至?xí)霈F(xiàn)工作不正常。為提高跟蹤精度，研究人員將視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤與光電跟蹤相結(jié)合[6]，取得了很好的效果，但視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤時(shí)的機(jī)械累積誤差問(wèn)題仍然存在。

本文設(shè)計(jì)一種既能用于光電跟蹤，又可為視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤反饋太陽(yáng)能電池板傾角的全天候太陽(yáng)跟蹤傳感器，以進(jìn)一步提高太陽(yáng)跟蹤的精度。

1 傳感器的整體構(gòu)造與工作原理

傳感器的整體構(gòu)造如圖1所示，主要由外殼、接口電纜、9個(gè)探頭以及安裝于殼內(nèi)的電路組成。外殼包括半球形蓋子和圓柱形底座，由尼龍材料加工而成；殼內(nèi)的電路實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換與太陽(yáng)能電池板的傾角檢測(cè)，通過(guò)接口電纜與外部電路及控制器相連；9個(gè)探頭呈十字形均勻地安裝在半球體蓋子上，分別從東西和南北2個(gè)方向上檢測(cè)太陽(yáng)入射光線(xiàn)。

圖1 太陽(yáng)跟蹤傳感器整體結(jié)構(gòu)Fig 1 Overall structure of the sun tracking sensor

傳感器安裝時(shí)，應(yīng)使其底座平行于太陽(yáng)能電池板平面，且探頭所在的2個(gè)方向分別平行于東西和南北方向。啟動(dòng)太陽(yáng)跟蹤時(shí)，先進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)，分別對(duì)9個(gè)探頭進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并取其最大值與已試驗(yàn)確定的閾值比較，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換最大值大于該閾值時(shí)，則認(rèn)為天氣晴朗并啟用光電跟蹤；否則，啟用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤時(shí)，分別在2個(gè)方向上逐一比較各個(gè)探頭的光強(qiáng)檢測(cè)值，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整太陽(yáng)能電池板的傾角，當(dāng)最中間的探頭的光強(qiáng)檢測(cè)值最大時(shí)，則認(rèn)為太陽(yáng)光垂直入射太陽(yáng)能電池板[7]；視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤時(shí)，傳感器則檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的傾角，根據(jù)太陽(yáng)天文運(yùn)行規(guī)律計(jì)算出的角度調(diào)整和修正太陽(yáng)能電池板的傾角。

2 傳感器的外殼設(shè)計(jì)

蓋子為外直徑100 mm、內(nèi)直徑76 mm的空心半球體，其上設(shè)有9個(gè)直徑為15.4 mm的通孔用以安裝感光探頭。其中1個(gè)通孔位于半球體頂部正中央，其余8個(gè)以該通孔的中心點(diǎn)為中心呈十字型均勻分布在半球體上。各個(gè)通孔的中心延長(zhǎng)線(xiàn)匯交于半球體的球心，同一方向上相鄰2個(gè)通孔中心線(xiàn)的夾角為30°。底座設(shè)計(jì)為空心圓柱體，外直徑100 mm，內(nèi)直徑76 mm，高50 mm，深40 mm，用于放置電路板和相應(yīng)元器件，且底座外部設(shè)有安裝孔位，用于固定安裝整個(gè)傳感器。

3 傳感器的感光探頭設(shè)計(jì)

3.1 探頭的結(jié)構(gòu)

探頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由鏡筒、凸透鏡和1只光敏電阻器組成。鏡筒采用吸光能力較強(qiáng)的純黑色塑料材質(zhì)，可大大減小太陽(yáng)光在鏡筒內(nèi)壁上的反射。鏡筒的外徑為15.4 mm，內(nèi)徑為13 mm，高為12 mm。凸透鏡的直徑為13 mm，焦距為10 mm。光敏電阻器的阻值為100 kΩ，表面直徑為4 mm，安裝在凸透鏡的焦點(diǎn)(太陽(yáng)正射凸透鏡時(shí))位置上方，且在鏡筒的中心線(xiàn)上。

圖2 鏡筒外觀結(jié)構(gòu)Fig 2 Appearance structure of lens cone

3.2 光敏電阻器的安裝位置

光敏電阻器的安裝應(yīng)使受光量的變化范圍要盡可能大，且其表面能均勻感知太陽(yáng)光正射時(shí)的最大光強(qiáng)[8]。安裝位置示意圖如圖3所示，r為凸透鏡的半徑，f為太陽(yáng)光垂直入射凸透鏡時(shí)的焦距，d為光敏電阻器的直徑，h為光敏電阻器在鏡筒中的安裝深度。由相似三角形對(duì)應(yīng)邊呈比例的關(guān)系可得

(1)

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(1)可得h=6.9 mm，即光敏電阻器安裝在鏡筒內(nèi)的中心線(xiàn)上并且使其感光表面與鏡筒頂面的距離為6.9 mm。

圖3 光敏電阻器的安裝位置示意圖Fig 3 Diagram of installation position of photo sensitive resistance

3.3 探頭的感光范圍

由探頭的結(jié)構(gòu)知，當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射于凸透鏡時(shí)，經(jīng)凸透鏡聚光后的光斑將光敏電阻器的感光表面全部覆蓋，光敏電阻器的受光面積達(dá)到最大，此時(shí)太陽(yáng)光線(xiàn)與鏡筒軸心線(xiàn)平行。當(dāng)太陽(yáng)光線(xiàn)與鏡筒軸心線(xiàn)成某一夾角時(shí)，經(jīng)凸透鏡聚光后的光斑發(fā)生偏移，光敏電阻器的受光面積小于最大值，并且隨著太陽(yáng)光線(xiàn)與鏡筒軸心線(xiàn)之間的夾角的增大，光敏電阻器的受光面積將會(huì)逐漸減小，直至減為0。若設(shè)太陽(yáng)光線(xiàn)與鏡筒軸心線(xiàn)之間的夾角為α?xí)r，光敏電阻器的受光面積恰為0，則探頭的感光范圍為0～2α。太陽(yáng)光以角度α入射探頭時(shí)光線(xiàn)在鏡筒內(nèi)的傳播路線(xiàn)如圖4所示，照射于凸透鏡最邊緣的太陽(yáng)光經(jīng)A點(diǎn)折射進(jìn)入鏡筒并與光敏電阻器相交于C點(diǎn)，過(guò)C點(diǎn)向鏡筒的上底圓作垂線(xiàn)交于B點(diǎn)，光線(xiàn)AC與鏡筒軸心線(xiàn)之間的夾角為θ，圖中的r，h和f同圖3。

圖4 太陽(yáng)入射光線(xiàn)在鏡筒內(nèi)的折射示意圖Fig 4 Refraction diagram in lens cone of incident light of the sun

由光的折射定律和三角形知識(shí)可得

(2)

式中n為凸透鏡的折射率，其值約為1.6。將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(2)可得sinα=0.4823，從而計(jì)算出α約為28.83°，即單個(gè)探頭的感光范圍為以鏡筒軸心線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸的-28.83°～28.83°。從而，太陽(yáng)跟蹤傳感器的感光范圍為以過(guò)半球體球頂?shù)闹行木€(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸的-88.83°～88.83°，即當(dāng)傳感器水平放置時(shí)可感知高度角在-88.83°～88.83°的太陽(yáng)入射光線(xiàn)。

4 電路實(shí)現(xiàn)

4.1 光電轉(zhuǎn)換電路

利用光敏電阻器與固定阻值電阻器相串聯(lián)組成分壓電路，將太陽(yáng)光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。由于傳感器的9個(gè)探頭是分時(shí)工作的，為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，采用多路復(fù)用電子開(kāi)關(guān)ADG706按需分別將各個(gè)探頭的光敏電阻器(R1～R9)接入電路中，其電路原理圖如圖5所示。根據(jù)實(shí)際需要，由控制端A0～A3決定哪個(gè)探頭的光敏電阻器與電阻器R19組成分壓電路并將太陽(yáng)光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后將電壓信號(hào)送至外部控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖5 光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換原理圖Fig 5 Conversion principle diagram of photoelectric conversion circuit

4.2 傾角檢測(cè)電路

采用雙軸傾角傳感器SCA100T—02實(shí)現(xiàn)傾角檢測(cè)。SCA100T—02以5 V單電源供電，能同時(shí)檢測(cè)X,Y方向2個(gè)維度的傾角，檢測(cè)角度范圍為-90°～90°，分辨率為0.002 5°，檢測(cè)結(jié)果可以以數(shù)字量輸出。控制器可通過(guò)SPI(serial peripheral interface)接口讀取SCA100T—02內(nèi)部的X和Y方向的角度信息以及其它信息，接口電路如圖6所示。

圖6 傾角檢測(cè)電路原理圖Fig 6 Principle diagram of inclination detection circuit

SCA100T—02的角度信息以11位數(shù)字量形式輸出，其數(shù)字量與角度的關(guān)系為

(3)

式中α為檢測(cè)的角度；Dout為X或Y方向的輸出數(shù)字量；Doffset為0°時(shí)輸出的數(shù)字偏移量，標(biāo)稱(chēng)值為1 024；sensitivity為靈敏度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，標(biāo)稱(chēng)值為819。

4.3 電氣接口

太陽(yáng)跟蹤傳感器采用有一根12芯護(hù)套線(xiàn)，與外部的電源電路和控制器進(jìn)行電氣連接。該12芯護(hù)套線(xiàn)分別與ADG706的電源端VCC_3.3 V，使能端EN，輸入通道的選擇控制端A0,A1,A2和A3，傾角傳感器的電源端VCC_5 V，用于SPI接口的MISO,MOSI,SCK和CSB引腳，以及電路的接地端GND相連。

5 太陽(yáng)跟蹤傳感器傾角檢測(cè)的標(biāo)定與驗(yàn)證

5.1 傾角檢測(cè)的標(biāo)定

由式(3)知，SCA100T—D02檢測(cè)的傾角需進(jìn)行反正弦函數(shù)運(yùn)算，計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定SCA100T—D02的輸出信息與實(shí)際傾角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

標(biāo)定時(shí)采用數(shù)顯傾角儀Pro360(量程為4×90°，分辨率為0.1°，精度為0.2°)作為標(biāo)準(zhǔn)。為保證標(biāo)定過(guò)程中SCA100T—D02與Pro360位于同一平面上，將二者固定于鋼化玻璃上，并將鋼化玻璃粘合于太陽(yáng)能電池板上，通過(guò)太陽(yáng)跟蹤機(jī)構(gòu)[9]提供不同的角度，使太陽(yáng)能電池板在X軸方向以1°為步進(jìn)先從-60°轉(zhuǎn)動(dòng)到60°，再?gòu)?0°轉(zhuǎn)動(dòng)到-60°，在Y軸方向以1°為步進(jìn)先從-30°轉(zhuǎn)動(dòng)到30°，再?gòu)?0°轉(zhuǎn)動(dòng)到-30°(太陽(yáng)能電池板水平時(shí)為0°)，并在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，用萬(wàn)用表分別測(cè)量SCA100T—D02的X軸或Y軸對(duì)應(yīng)的模擬電壓輸出端的電壓，同時(shí)記錄Pro360所測(cè)的角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，SCA100T—D02的輸出電壓與實(shí)際角度呈線(xiàn)性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R2為0.997 4。

圖7 傳感器輸出電壓與傾角的關(guān)系Fig 7 Relationship between sensor output voltage and inclination

由于SCA100T—D02的輸出數(shù)字量與輸出電壓有著固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即

(4)

式中x為SCA100T—D02的輸出電壓；Vcc為SCA100T—D02的供電電壓(5 V)；Dout為SCA100T—D02的輸出數(shù)字量。因此，結(jié)合圖7中的公式可得SCA100T—D02所測(cè)角度與輸出數(shù)字量的關(guān)系為

y=-0.079Dout+81.107.

(5)

從而可通過(guò)一種相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算，將SCA100T—D02的輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的傾角。

5.2 傾角檢測(cè)的驗(yàn)證

采用與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)同樣的方式驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，并將太陽(yáng)跟蹤傳感器測(cè)量的傾角與數(shù)顯傾角儀Pro360的檢測(cè)值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證對(duì)傾角的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，太陽(yáng)跟蹤傳感器的傾角檢測(cè)最大誤差為2.3°，其最大相對(duì)誤差為3.8 %，能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖8 太陽(yáng)跟蹤傳感器的傾角檢測(cè)誤差Fig 8 Error of inclination detection of the sun-tracking sensor

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種全天候太陽(yáng)跟蹤傳感器，既可在晴天應(yīng)用于光電跟蹤，又可為陰雨天氣采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤時(shí)反饋太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)后的傾角，用以提高太陽(yáng)跟蹤精度。通過(guò)理論分析計(jì)算，確定了光敏電阻器安裝在鏡筒內(nèi)的中心線(xiàn)上且距鏡筒頂面6.9 mm處，傳感器的感光范圍為以過(guò)半球體球頂?shù)闹行木€(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸的-88.83°～88.83°。進(jìn)行了傳感器傾角檢測(cè)的標(biāo)定與驗(yàn)證，最大相對(duì)誤差為3.8 %。將傳感器安裝在太陽(yáng)跟蹤裝置上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，取得了良好的效果。

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Design of all-weather sun-tracking sensor based on photoelectric and inclination detection*

LI Jia-nian1,2, HONG Tian-sheng2, NI Hui-na2

(1.School of Modern Agricultural Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.School of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

In order to improve tracking precision of double-axis sun-tracking system,an all-weather sun-tracking sensor is designed.The sensor is composed of shell,interface cable,nine photoelectric probes,inclination sensor SCA100T—D02 and corresponding circuits.The photoelectric probes detect position of the sun in sunny day,and in order to modify and eliminate mechanical error of sun-tracking system while tracking solar motion trajectory in cloudy and rainy day,SCA100T—D02 is used to realtime feedback inclination of solar panel after rotation.Through theoretical analysis and calculation,installation position of photosensitive resistor in probe is determined,and the sensor can sense incident sunlight whose altitude angle range of -88.83°～88.83°.Test results show that the maximum relative error of the sensor for inclination detection is 3.8 %,and can meet actual application requirement.

sun-tracking; sensor; photoelectric; inclination; all-weather; SCA100T—D02

2014—02—10

昆明理工大學(xué)省級(jí)人才培養(yǎng)項(xiàng)目(KKSY201323003)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CARS—27)；國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(200903023)

TK 513.4

A

1000—9787(2014)04—0083—04

李加念(1983-)，男，湖南道縣人，博士，講師，主要從事電子信息技術(shù)與測(cè)控技術(shù)應(yīng)用研究。