基于多模式融合的雙自由度太陽能追蹤系統(tǒng)的研究與設計

李立鵬，高 建，黃天怡，劉中仁，方 茹，莫慧淑

(天津商業(yè)大學 天津300134)

當前全球傳統(tǒng)燃料能源儲量日漸降低，太陽能作為可再生能源，備受社會關(guān)注。為了克服太陽能收集效率低下的問題，本文設計了基于多模式融合的雙自由度太陽能追蹤系統(tǒng)，微控制器選用 MSP430F149單片機，融合閉環(huán)光電檢測與開環(huán)視日運動軌跡追蹤模式，創(chuàng)新性地選擇雙自由度的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)全方面、全時段追蹤太陽光心，可最大限度地提高太陽能接收裝置熱效率。

1 太陽能追蹤系統(tǒng)

當下太陽能追蹤系統(tǒng)并不完善，太陽光垂直照射最佳效果無法確保，不能最大限度地實現(xiàn)太陽光的利用，因而出現(xiàn)太陽能收集效率低的問題。近年來，針對太陽能追蹤裝置的研究相對密集，其追蹤模式主要包括閉環(huán)-光電檢測法以及開環(huán)-視日運動軌跡追蹤法。視日運動軌跡追蹤是依照天文常識確定太陽角度，隨著太陽運動軌跡變化實現(xiàn)追蹤。光電檢測追蹤是通過對比實時光強從而確定最佳對日角度。

按照執(zhí)行機構(gòu)在追蹤方向上的不同，又有單軸、雙軸追蹤之分。單軸追蹤只跟蹤太陽的方位角，不追蹤高度角，結(jié)構(gòu)簡單，但不能始終保持主光軸與太陽光線入射方向平行。雙軸追蹤有高度角－方位角式和極軸式全跟蹤區(qū)分。其中極軸式全跟蹤方法簡單，但其支承裝置不易設計、不易實現(xiàn)；高度角－方位角式可以分別在水平方向和垂直方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)二維追蹤，較為簡單，支承裝置容易實現(xiàn)且跟蹤精度高。

圖1 太陽的高度角h和方位角AFig.1 Solar altitude angle h and azimuth A

如圖1所示，h是太陽高度角，A是太陽方位角，?是當?shù)鼐暥龋氖浅嗑暯?，ω是時角。

太陽高度角h：

太陽方位角A：

不管選擇任何一種模式，都要將光敏裝置安裝在擋光板周圍，通過對擋光板位置的改變，實現(xiàn)太陽光投影的改變，當光照作用在光敏電阻上就會有微電流產(chǎn)生，通過放大電路、AD轉(zhuǎn)換等硬件電路作用后，在微控制器的作用下，驅(qū)動電機等裝置改變角度實現(xiàn)最大限度接收太陽光。

2 多模式融合的太陽能追蹤系統(tǒng)總體方案

綜合多種太陽能跟蹤模式、方案的特點，以獲取太陽能最大利用率為目的，采用了閉環(huán)控制的光電追蹤與視日運動軌跡追蹤相融合的雙自由度太陽能追蹤技術(shù)。本裝置采用計算機單片機控制，步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的主動-被動相結(jié)合的追蹤方法。

通過一組光敏器件對白天和黑夜進行檢測以判斷系統(tǒng)的工作環(huán)境。白天的時候就執(zhí)行白天所設定的運行方案，到了晚上系統(tǒng)就處于睡眠狀態(tài)，如果光照強度達到預先的設定值，系統(tǒng)就會啟動，進入白天的運行模式。白天系統(tǒng)進行工作時，會對光照強度進行檢測，只有當光電傳感器感應值達到白天的設定值時，系統(tǒng)會進行光電追蹤，如果沒有達到，系統(tǒng)就采用視日運動軌跡追蹤方式。不管是視日運動軌跡追蹤還是光電追蹤，最終都是通過把光電信號轉(zhuǎn)換為步進電機的驅(qū)動信號來使太陽能電池板轉(zhuǎn)動，從而追蹤太陽。

3 多模式融合的太陽能追蹤系統(tǒng)硬件設計

選擇 MSP430F149單片機作為控制單元，通過光敏元件檢測太陽光，確定黑夜或是白天，進而通過微控制器進行模式選擇，進一步將操作數(shù)據(jù)發(fā)送到電機驅(qū)動裝置，實現(xiàn)電機角度的控制進而確保太陽能板最大限度垂直太陽光。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

3.1 微控制器介紹

綜合設計需要，微控制器選用低功耗、高性能的MSP430F149，該控制器A/D轉(zhuǎn)換模塊精度為12位，I/O引腳多達48個，包括了5類功能模塊，均能單獨實現(xiàn)設定，此外還具備帶捕獲比較功能的 16位定時A(B)以及 PWM 輸出、基本時鐘、串行通信等外設，較好地滿足了系統(tǒng)設計中光電檢測電路、時鐘電路、電機驅(qū)動電路、輔助電路的資源需要(圖3)。

圖3 系統(tǒng)原理圖Fig.3 System schematic diagram

3.2 光電檢測電路的設計

光電檢測主要完成兩方面工作，一方面對光照強度進行檢測，判斷白天還是黑天，晴天還是陰天，此外還可以實現(xiàn)對太陽能板位置進行判斷。太陽光照射在光電傳感器上，通過 AD轉(zhuǎn)換實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，進而傳輸至控制器，通過軟件給控制器設定閾值，從而確定何時、采取哪種模式進行追蹤(圖4)。

圖4 光電檢測電路Fig.4 Photoelectric detection circuit

3.3 時鐘電路設計

設計過程中選擇了 DS1302外部時鐘芯片，DS1302能夠較好實現(xiàn)時序控制，支持從秒到日期范圍的時間設定，抗干擾能力強、連線量小、體積不大，適合小型控制組件，通過讀取當前時間，實現(xiàn)該時間下太陽方位角、高度角的計算(圖5)。

圖5 時鐘電路Fig.5 Clock circuit

3.4 驅(qū)動電路設計

系統(tǒng)設計過程中應用 L298N芯片驅(qū)動水平、垂直兩個方向的步進電機轉(zhuǎn)動，微控制器將計算出的方位角和高度角信號發(fā)出，MSP430F149通過產(chǎn)生兩個通道的PWM波，實現(xiàn)步進電機按照控制方向進行相應角度的旋轉(zhuǎn)(圖6)。

圖6 電機驅(qū)動電路Fig.6 Motor driving circuit

4 多模式融合的太陽能追蹤系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)通電啟動，首先實現(xiàn)初始化，之后光電檢測模塊對當前是白天還是黑夜進行判斷，如果是黑天狀態(tài)，系統(tǒng)將會采取中斷，保持低功率待機；假如是白天，通過光電強度檢測確定追蹤模式，晴天狀態(tài)下采取光電追蹤，陰天時，采用視日運動追蹤模式(圖7)。

圖7 系統(tǒng)總體流程圖Fig.7 General flow chart of system

首先由光敏傳感器檢測是白天還是黑夜，是晴天還是陰天；用軟件給單片機設定一個閾值，若超過閾值為白天，否則是黑夜。

若是黑夜采用蓄電池供電，若是白天則檢測是晴天還是陰天。同樣給單片機設定一個閾值，當光敏傳感器檢測并經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)值超過一定值為晴天，否則為陰天。

晴天時采用光電檢測追蹤模式，隨時檢測太陽光入射角的改變，由光敏傳感器測得的電壓值傳給單片機，經(jīng) AD轉(zhuǎn)換后，單片機判斷是否應該改變電池板的角度及方向，然后發(fā)出指令，驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動方向和步數(shù)轉(zhuǎn)動到合適的方位角。

陰雨天時采用視日運動追蹤模式，由軟件根據(jù)讀取外部時鐘電路的時間，判斷太陽現(xiàn)在的位置，并判斷和前一次的方位上角度相差多少度，以此確定好當前應該控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向和角度。

5 結(jié) 論

在完成追蹤系統(tǒng)的設計之后，經(jīng)過不同環(huán)境的測試，系統(tǒng)能夠初步滿足設計要求，天氣晴朗環(huán)境下，吸收太陽能的接收裝置可以按照光敏傳感器的檢測改變太陽能板的位置，使其始終垂直于太陽光；在陰天的環(huán)境下，按照程序設定，太陽能吸收裝置每隔特定周期，改變相應的角度，實現(xiàn)視日運動軌跡追蹤。盡管完成了基本追蹤要求，但由于機械結(jié)構(gòu)粗糙、光電傳感器精度不足，使得系統(tǒng)在實施過程中存在一定的誤差，有待進一步完善提高。