無傳感器太陽跟蹤控制系統(tǒng)設計

史小勇 計成超

（滁州學院計算機與信息工程學院 安徽滁州 239000）

當前新能源產(chǎn)業(yè)作為“一帶一路”建設的重點行業(yè)之一，面臨巨大商機。太陽能作為應用最廣的清潔可再生能源之一，正逐步邁向中國能源轉(zhuǎn)型的改革大潮中,并成為世界新能源發(fā)展的趨勢[1]。

在太陽能高效利用技術中，光電式太陽跟蹤需要外加光傳感器獲取太陽位置，采購現(xiàn)成的光傳感器會增加系統(tǒng)硬件成本[2]。也有采用低成本的光敏電阻來檢測太陽光強最強點，根據(jù)多個光敏電阻檢測最強光強的差值作為驅(qū)動信號進行太陽跟蹤的研究[3][4]。兩種方式在使用中都容易受灰塵或者其他周圍環(huán)境的干擾而產(chǎn)生誤動作而影響其跟蹤精度[5]。

本文基于STC90C516RD+單片機提出一種簡易無傳感器的太陽跟蹤系統(tǒng)，并設計了太陽位置跟蹤算法。系統(tǒng)結(jié)構簡單，跟蹤精度高，為太陽能的高效利用提供了可靠借鑒。

一、視日運動軌跡及太陽位置算法

天文學上常用地平坐標系確定太陽在空中的具體位置坐標。地平坐標系以地平面為基準，用高度角Hs(0°＜Hs＜90°)和方位角Az(0°＜Az＜360°)描述太陽位置[6]。如圖1所示，其中高度角Hs為太陽直射光線與地平面的夾角，方位角Az為太陽直射光線在地平面上的投影線與正北方的夾角，向東為正。

圖1 地平坐標系圖

根據(jù)觀測地的時間、經(jīng)度和緯度等信息，可以計算出任意時間點和地理位置的太陽位置（即高度角和方位角）[7][8]，具體計算如下

太陽的高度角計算公式為：

太陽方位角計算公式為：

式中θ為太陽高度角；φ為太陽高度角；α為當?shù)氐牡乩砭暥?；δ為當?shù)氐奶柍嗑?；t為太陽時角。

太陽赤緯的擬合計算公式[9]為：

N為給定日期在一年中的天數(shù)，如1月1日為第1天。

N0為積日，計算公式為

floor(x)為C語言中的函數(shù)，其功能是“向下取整”，即取不大于x的最大整數(shù)。

T為年份。

二、總體結(jié)構設計

本裝置以STC90C516RD+為主控制器，首次使用時需手動設置時間與經(jīng)緯度信息。系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構框圖

系統(tǒng)進行一次跟蹤的過程為：首先根據(jù)內(nèi)置太陽位置算法，按照當前時間以及設置經(jīng)緯度計算出太陽位置（高度角和方位角），然后將得到的太陽位置的兩個參量作為步進電機控制參數(shù)驅(qū)動步進電機，實現(xiàn)對太陽的跟蹤。系統(tǒng)實物如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實物圖

三、軟件設計

圖4 程序流程圖

系統(tǒng)開機上電，首先對各個硬件模塊進行初始化，然后運用位置算法計算出太陽位置并進行首次跟蹤。首次跟蹤結(jié)束存儲當前太陽高度角、方位角，隨后進入自動跟蹤模式。由于太陽位置短時間內(nèi)變化并不明顯，在自動跟蹤模式下，設置固定時間間隔兩分鐘進行1次跟蹤。具體過程為：當兩分鐘的定時時間到達時，進行1次太陽位置計算，取得當前的太陽高度角和方位角，然后分別進行高度角和方位角跟蹤。實際設計中為同時兼顧跟蹤精度和能耗，設置兩次角度差值超過1°才進行跟蹤。另外在自動跟蹤過程中，當系統(tǒng)判斷當前高度角低于10°，則停止跟蹤、驅(qū)動系統(tǒng)復位進入休眠態(tài)。具體的程序流程圖如圖4所示。

四、系統(tǒng)測試

用上文中太陽位置算法計算公式算出的太陽位置結(jié)果作為理論值，“香港天文臺”網(wǎng)站中公布的對應太陽位置數(shù)據(jù)作為參照值。將兩者進行對比分析，驗證跟蹤系統(tǒng)算法的精度。

選取測試時間為2019年5月2日7：00-18：00，地區(qū)經(jīng)度118.32°、地區(qū)緯度32.26°。在一天中的多個時段對系統(tǒng)計算得到太陽位置（表格中稱為“計算方位角”、“計算高度角”）與“香港天文臺”網(wǎng)站中公布的對應太陽位置（表格中稱為“天文臺方位角”、“天文臺高度角”）進行對比。對比結(jié)果如表1所示。

表1 實驗誤差表

通過對比發(fā)現(xiàn)，跟蹤系統(tǒng)計算所得的太陽位置與“香港天文臺”公布的位置信息差值小于±0.1°，說明該太陽位置算法具有良好的跟蹤精度。

為驗證裝置的實際跟蹤效果，提出一種“立桿測量法”[10]。實際操作過程中使用一個垂直地面的固定直桿，將其放在裝置前面。觀察直桿投影是否和高度軸驅(qū)動電機上安裝的固定桿重合，重合即代表方位角跟蹤與實際太陽位置一致。因為高度角和方位角的跟蹤方式完全相同，所以實驗中僅驗證了方位角的跟蹤效果。測試發(fā)現(xiàn)，該裝置可以實際有效地進行太陽跟蹤。

五、結(jié)語

針對光電式太陽跟蹤存在的問題，本文設計了一種無傳感器的太陽跟蹤系統(tǒng)。實驗測定結(jié)果表明系統(tǒng)太陽跟蹤精度高，在太陽能高效利用中具有實際應用價值。本跟蹤系統(tǒng)結(jié)構簡單，但由于采用開環(huán)控制，步進電機存在累計誤差，需要一段時間內(nèi)進行校正。后續(xù)工作中考慮安裝位置傳感器設立原點標志，另外結(jié)合其他太陽跟蹤方式來減小累計誤差。