一種基于耦合追蹤策略的太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田輝　曼茂立　蘇晨陽　劉帥

摘 要：基于耦合的太陽追蹤策略文章開發(fā)了一套單片機(jī)控制下的雙軸太陽追蹤系統(tǒng)。追蹤過程中首先采用視日軌跡追蹤法對太陽位置進(jìn)行初步跟蹤，此后依靠自主設(shè)計(jì)的光敏傳感器對追蹤過程進(jìn)行精確調(diào)整；執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過渦輪蝸桿傳動及絲杠螺母傳動分別實(shí)現(xiàn)在方向角及高度角方向?qū)μ柕淖粉?，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)1度的太陽追蹤精度，可為提高太陽能利用率提供有效解決方案。

關(guān)鍵詞：視日軌跡追蹤；光敏傳感器；單片機(jī)；雙軸

前言

隨著能源問題的日益嚴(yán)峻，對以太陽能為代表的可再生資源的研究與開發(fā)不斷受到國內(nèi)外專家學(xué)者及相關(guān)企業(yè)的關(guān)注[1]。雖然太陽能資源總量巨大，然而限于其能量密度較低、間歇性強(qiáng)等特點(diǎn)給太陽能資源的開發(fā)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。隨著太陽自動跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用，太陽能資源的利用效率得到了顯著提升。研究發(fā)現(xiàn)采用單軸追蹤系統(tǒng)效率可提升達(dá)20%，而采用雙軸追蹤系統(tǒng)效率提升可超過30%[2]。限制太陽能利用效率進(jìn)一步提升的主要因素在于太陽軌跡追蹤策略的精度及穩(wěn)定性，文章基于耦合的太陽追蹤策略設(shè)計(jì)一種高精度的太陽自適應(yīng)跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文章所設(shè)計(jì)的太陽自適應(yīng)追蹤系統(tǒng)主要由太陽追蹤系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。首先通過對太陽軌跡的實(shí)時求解以及光電傳感器的精確修正，得到電池板理論最佳朝向?？刂葡到y(tǒng)基于單片機(jī)根據(jù)電池板當(dāng)前朝向及理論最佳朝向的相對關(guān)系，獲得驅(qū)動相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的脈沖信號進(jìn)而通過傳動系統(tǒng)帶動電池板調(diào)整到最佳朝向。追蹤策略是影響整個系統(tǒng)精度的主要因素，文章通過視日軌跡追蹤法與光電追蹤法相結(jié)合的追蹤策略來保證系統(tǒng)的整體精度，通過常用的單片機(jī)stm32作為控制核心分別對控制太陽高度角方向及方位角方向的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)太陽的實(shí)時追蹤。圖1給出了系統(tǒng)運(yùn)行的總體流程。

2 太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章采用視日軌跡追蹤法[3，4]及光電追蹤法[5，6]的耦合策略對太陽運(yùn)行軌跡進(jìn)行追蹤，此耦合方法既保證操作運(yùn)行的簡潔性又可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可有效地實(shí)現(xiàn)太陽軌跡的精確追蹤。

2.1 視日軌跡追蹤

視日軌跡追蹤法是根據(jù)日地之間的相關(guān)運(yùn)動規(guī)律，采用一定的天文算法對太陽位置進(jìn)行求解而實(shí)現(xiàn)對太陽跟蹤的一種方法。相對于地球可用方位角 及高度角 兩個參數(shù)描述太陽的具體位置，其函數(shù)關(guān)系[3]如方程（1）所示：

式中：？鬃表示研究點(diǎn)所處緯度；？啄表示赤緯角；？棕表示太陽時角。

研究點(diǎn)所處緯度？鬃及太陽時角？棕均是固定的，而由于日地復(fù)雜的軌道運(yùn)動特點(diǎn)需要對赤緯角？啄進(jìn)行實(shí)時修正。在以往的研究中學(xué)者們提出了一系列高效求解赤緯角的方法，如Cooper、Lamm、Michalsky、Bourges等學(xué)者提出的求解方法，基于對各算法計(jì)算精度及計(jì)算資源消耗的對比分析，文章采用Bourges算法。

2.2 光電追蹤

為了保證太陽追蹤精度文章開發(fā)一種基于光敏電阻的筒式光電追蹤傳感器，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

筒形遮光罩頂部中心開有直徑為D的圓孔，光線可沿此孔透射入遮光罩底部的光敏電阻上。文章采用4個光敏電阻進(jìn)行探測，通過受光及非受光電阻的電位差產(chǎn)生驅(qū)動信號，從而控制電池板的精確追蹤。此傳感器的搜索范圍受遮光罩高度L，光敏電阻大小以及光敏電阻間徑向距離R影響。為保證光電傳感器與視日軌跡追蹤法連續(xù)運(yùn)行，光電傳感器的搜索范圍應(yīng)介于目標(biāo)追蹤精度與視日軌跡追蹤精度之間。選擇通用的？準(zhǔn)5mm光敏電阻，太陽的目標(biāo)追蹤精度設(shè)為1度，則遮光罩高度L及光敏電阻徑向距離R可分別?。?30mm、8mm，并取遮光罩頂端孔直徑D=10mm。如圖3所示為光電傳感器內(nèi)光敏電阻的電路圖。

2.3 單片機(jī)追蹤控制

系統(tǒng)對太陽的自動追蹤分兩步進(jìn)行：首先根據(jù)公式（2）所示規(guī)律實(shí)時計(jì)算所在地區(qū)的太陽高度角及方位角，通過與上一時刻高度角及方位角的比較而獲得完成當(dāng)前時刻追蹤所需的調(diào)整量，從而可基于傳動部分的傳動特性計(jì)算出兩個步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖數(shù)。第二步通過光電傳感器追蹤實(shí)現(xiàn)整個追蹤過程的閉環(huán)控制。如圖3所示，當(dāng)電池板與太陽光線不垂直時光敏電阻5和光敏電阻6兩端所形成的電勢差將驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動電池板沿方向角方向旋轉(zhuǎn)，同理光敏電阻4和光敏電阻7兩端所形成的電勢差將驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動電池板沿高度角方向旋轉(zhuǎn)，從而對第一步追蹤進(jìn)行精確閉環(huán)校正，以實(shí)現(xiàn)±1度的追蹤精度。

我國北方地區(qū)太陽相對地球運(yùn)動1度的時間約為5分鐘，所以文章開發(fā)的控制系統(tǒng)每5分鐘對電池板的朝向進(jìn)行一次調(diào)整。內(nèi)置的時鐘系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)?shù)厝粘黾叭章涞臅r間控制追蹤系統(tǒng)的啟閉。

3 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，太陽追蹤系統(tǒng)的傳動部分由底部的蝸輪蝸桿傳動及頂部的絲杠螺母傳動實(shí)現(xiàn)。方位角方向的運(yùn)動由底部渦輪蝸桿傳動實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下蝸桿軸帶動渦輪軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)上端平臺沿著渦輪軸水平旋轉(zhuǎn)。高度角方向的運(yùn)動由頂部絲杠螺母傳動實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動螺母運(yùn)動帶動鉸鏈上的電池板改變傾斜角度。針對實(shí)際需要方位角方向設(shè)置可旋轉(zhuǎn)180度，高度角方向可在15度-75度范圍內(nèi)調(diào)整，以滿足我國北方地區(qū)的太陽追蹤要求。兩種傳動形式均具有良好的自鎖性能，可使得太陽能電池板在運(yùn)行過程中免受風(fēng)等外力的影響而改變朝向，保證電池板的位置精度。

4 結(jié)束語

文章開發(fā)了一套雙軸太陽自動跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于stm32單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，分別驅(qū)動渦輪蝸桿及絲杠螺母使得太陽能電池板水平的沿高度角方向旋轉(zhuǎn)180度，高度角方向調(diào)整60度。追蹤過程首先基于理論公式進(jìn)行視日軌跡追蹤，再通過自行設(shè)計(jì)的光電傳感器對太陽位置做進(jìn)一步閉環(huán)校正。本系統(tǒng)可保證太陽追蹤精度在 1度范圍內(nèi)，可為太陽能的大規(guī)模高效利用提供可行方案。

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