太陽(yáng)方位雙模式跟蹤系統(tǒng)的研究

樊海紅 康天桂 張培珍 梁旺明 黃汝城

摘? 要： 針對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)方位跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度較低、易受天氣環(huán)境制約等問(wèn)題，提出一種光控與程控相結(jié)合的高精度太陽(yáng)方位跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了光電式跟蹤法和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法的優(yōu)點(diǎn)，光照強(qiáng)度較大時(shí)，利用光電壓進(jìn)行比較控制;光照強(qiáng)度較小時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方位差程序控制，雙模式雙軸跟蹤使得接收器始終垂直于太陽(yáng)光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)太陽(yáng)跟蹤精度誤差在0.1°～0.3°內(nèi)，魯棒性更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了全天候、高精度的太陽(yáng)定位，為工程應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 雙模式跟蹤; 太陽(yáng)方位; 雙軸控制; LabVIEW控制; 數(shù)據(jù)采集; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Abstract： In allusion to the problems existing in the current solar azimuth tracking system， such as poor tracking precision and weather condition limitation， a high?precision solar azimuth tracking system with light control and program control is proposed. In this system， the advantages of photoelectric tracking method and solar trajectory tracking method are combined. When the light intensity is high， the photovoltage is used to conduct comparing control; when the light intensity is low， the azimuth difference is calculated for the program control according to the solar motion trajectory. The dual?mode dual?axis tracking of the system can make the receiver always perpendicular to the sunlight. The experimental results show that the solar tracking accuracy error of the system is within 0.1°～0.3°， the system has strong robust， and can realize all?weather and high?precision sun tracking. The research has provided a reliable basis for engineering applications.

Keywords： dual?mode tracking; solar azimuth; dual?axis control; Labview control; data acquisition; system design

0? 引? 言

太陽(yáng)能作為一種清潔、可靠的可再生能源在當(dāng)今社會(huì)扮演著重要的角色，然而太陽(yáng)光照強(qiáng)度空間分布受氣候、時(shí)間影響不斷改變，導(dǎo)致太陽(yáng)能利用率不高[1]。太陽(yáng)方位跟蹤是提高太陽(yáng)能利用率的有效途徑[2]。實(shí)踐表明，采用跟蹤法，能源接收率提高30%以上[3]。

常用的跟蹤方法主要有光電式跟蹤、太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤[4]。光電式跟蹤多為采用四象限光敏電阻進(jìn)行比較控制，光線(xiàn)充足時(shí)閉環(huán)控制精度高[5]。但受環(huán)境影響大，并不適用于傍晚、陰天等光線(xiàn)不足的情況;且對(duì)光電傳感器的特性一致性要求高[6]。太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤是根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶煳牡乩硇畔?lái)計(jì)算太陽(yáng)的方位角和高度角，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度實(shí)現(xiàn)跟蹤;不受天氣、光源因素影響，但屬于開(kāi)環(huán)控制，會(huì)產(chǎn)生誤差且系統(tǒng)無(wú)法消除這些誤差[7]。

整合現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)控制策略與工作原理配合，雙軸跟蹤裝置與硬件傳感器協(xié)同設(shè)計(jì)，研究一種把光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤結(jié)合的高精度太陽(yáng)方位跟蹤系統(tǒng)。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)方位高精度、全天候的跟蹤。

1? 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1? 系統(tǒng)組成

太陽(yáng)方位雙模式跟蹤系統(tǒng)主要由光電式傳感器、模數(shù)采集模塊、雙軸控制裝置、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊、控制器和上位機(jī)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用四個(gè)光敏特性相同的光敏電阻作為光電式傳感器，采集平面上四象限的光照情況，采用FX2N?4AD作為光電傳感器的模擬量采集器，雙軸裝置與步進(jìn)電機(jī)的結(jié)合，滿(mǎn)足了接收器平臺(tái)（集熱器或太陽(yáng)能電池板）的二維控制，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。以三菱PLC作為主控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、發(fā)出電機(jī)控制命令和實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)，抗干擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)采用LabVIEW做上位機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)協(xié)議通信，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)視與控制裝置。

1.2? 系統(tǒng)工作原理

太陽(yáng)方位跟蹤系統(tǒng)的目的是通過(guò)調(diào)整接收平臺(tái)的高度角和方位角，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光接收器的輻射強(qiáng)度始終達(dá)到最大值[8]。現(xiàn)有的光電跟蹤方法和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)方位的全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，使得太陽(yáng)輻射利用率低。該文研究結(jié)合主流兩種跟蹤方法，當(dāng)光照強(qiáng)度大于設(shè)定值時(shí)，采用光控實(shí)現(xiàn)閉環(huán)跟蹤;當(dāng)光照強(qiáng)度小于設(shè)定值時(shí)，采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，即根據(jù)采集的數(shù)據(jù)算法控制。光控與程控互補(bǔ)結(jié)合的雙模式控制跟蹤系統(tǒng)使太陽(yáng)能得到充分利用。

1.2.1? 光電式跟蹤

如圖2所示，光電式跟蹤利用光電傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)接收器平面四象限的光照強(qiáng)度，控制器采集數(shù)據(jù)、比較判斷太陽(yáng)方位，根據(jù)偏差給出相應(yīng)的控制命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方位的跟蹤[9]。

1.2.2? 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤

視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤是一種利用天文地理信息的主動(dòng)式跟蹤方法，即根據(jù)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡與當(dāng)?shù)貢r(shí)刻、緯度和赤緯角計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角[10]?？臻g位置如圖3所示。

根據(jù)式（1）～式（4）求出太陽(yáng)的高度角以及方位角，程序控制步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)一定的角度實(shí)現(xiàn)跟蹤。

1.2.3? 雙模式工作原理

雙軸控制裝置在主流兩種控制方法中創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先通過(guò)四個(gè)光敏元件檢測(cè)光照強(qiáng)度與陰晴判斷。當(dāng)光照強(qiáng)度值在實(shí)驗(yàn)所得多云天氣設(shè)定值內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)方位與接收器方位的角度差值雙軸控制，步進(jìn)電機(jī)每接收1個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)0.056 25°，對(duì)太陽(yáng)方位進(jìn)行跟蹤。當(dāng)光照強(qiáng)度大于實(shí)驗(yàn)所得多云設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)利用光電元件的電壓進(jìn)行比較，確定太陽(yáng)的方位，當(dāng)電壓[ΔU>ε]時(shí)，雙軸控制裝置的步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)方位跟蹤;當(dāng)對(duì)組壓差滿(mǎn)足公式：

步進(jìn)電機(jī)停止動(dòng)作。陰天、雨天裝置處于待機(jī)狀態(tài)。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1? 控制器

該設(shè)計(jì)采用FX1N?40MT PLC作為控制器，自帶12點(diǎn)輸入以及24點(diǎn)輸出，7條特殊定位指令，內(nèi)置2點(diǎn)100 kHz脈沖輸出端口和24 V直流輸出等特點(diǎn)，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，且穩(wěn)定性好。該可編程邏輯控制器可擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換模塊與通信板，分別為光電信號(hào)采集與上位機(jī)通信提供了保障。

2.2? 光電傳感器

鑒于光敏電阻的內(nèi)部光電現(xiàn)象與電極無(wú)關(guān)，以及成本較低，設(shè)計(jì)中采用光敏電阻作為光電元件。光電傳感器由光敏電阻、分壓電阻和電源組成。根據(jù)光敏電阻的參數(shù)與特性，光照的強(qiáng)弱會(huì)使光敏電阻產(chǎn)生不同的壓降，采集光敏電阻上的電壓值送到控制器轉(zhuǎn)換比較，即可判斷出光的方位。為提高跟蹤的精度，四個(gè)光敏電阻的特性應(yīng)盡量保持一致。

2.3? 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

該設(shè)計(jì)選用42步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)PLC給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，發(fā)送一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)一步。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選擇TB6600升級(jí)版，只需提供方向與脈沖便能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。在步進(jìn)角為1.8°，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分32的設(shè)置下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要PLC發(fā)送6 400個(gè)脈沖，理論上每發(fā)送一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.056 25°，相對(duì)普通直流機(jī)具有無(wú)可比擬的精準(zhǔn)性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位的精準(zhǔn)跟蹤。

2.4? 雙軸控制機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖4所示，雙軸控制機(jī)械結(jié)構(gòu)由方位角步進(jìn)電機(jī)、支撐平臺(tái)、貫穿式雙輸出軸高度角步進(jìn)電機(jī)、接收器平臺(tái)、擋光板和四個(gè)光電傳感器組成。利用光電式傳感器光采集比較得出或視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角，控制器給出命令控制高度角電機(jī)和方位角電機(jī)在俯仰、水平兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)的高度角H和方位角A，使接收器始終垂直于太陽(yáng)光，提高太陽(yáng)能利用率。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 軟件流程

3.1.1? 主程序流程

雙模式太陽(yáng)方位跟蹤系統(tǒng)控制程序在GX Works2軟件采用梯形圖編程語(yǔ)言編程，主程序流程如圖5所示。系統(tǒng)上電首先進(jìn)行A/D模塊配置等初始化設(shè)置，接著根據(jù)上位機(jī)的信息以及采集的光電信號(hào)判斷是否在工作范圍內(nèi)（7：00—18：00），若在工作范圍內(nèi)進(jìn)行下一步，否則程序一直等待。光照檢測(cè)與陰晴判斷目的是讓系統(tǒng)高精度、低消耗運(yùn)行，雨天或陰天裝置電機(jī)不動(dòng)作，減少設(shè)備運(yùn)行能耗;晴天時(shí)，系統(tǒng)采用光電式跟蹤法閉環(huán)跟蹤太陽(yáng)方位;多云天氣，控制器根據(jù)太陽(yáng)的高度角、方位角計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與步數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)跟蹤。

3.1.2? 上位機(jī)流程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用LabVIEW作上位機(jī)，利用RS 485實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC的串口協(xié)議通信，設(shè)計(jì)流程如圖6所示。LabVIEW的設(shè)計(jì)思路是先進(jìn)行串口配置，接著進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀取，上位機(jī)不斷的循環(huán)串口通信[12]。由于RS 485的半雙工傳輸?shù)奶匦?，所以在串口?xiě)入與串口讀出之間設(shè)置延遲時(shí)間。

3.2? LabVIEW控制與數(shù)據(jù)采集

圖7為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上位機(jī)控制前面板與數(shù)據(jù)采集圖，通過(guò)配置串口COM號(hào)、串口波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)、超時(shí)時(shí)間等，就可以進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取。串口寫(xiě)入采用了事件結(jié)構(gòu)，超時(shí)事件選擇向串口寫(xiě)入PLC查詢(xún)指令，查詢(xún)?nèi)釶LC中D0001～D0004這4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器的值。其他事件，例如寫(xiě)入Y寄存器的值、遠(yuǎn)程RUN、遠(yuǎn)程STOP等，通過(guò)LabVIEW前面板對(duì)應(yīng)的按鈕進(jìn)行觸發(fā)。同樣串口的讀取也采用了事件結(jié)構(gòu)，在事件中處理的是從PLC端讀取指令與數(shù)據(jù)。超時(shí)事件讀取了從PLC內(nèi)部返回的D0101～D0114的值，即光敏電阻與步進(jìn)電機(jī)參數(shù)的數(shù)字量值。串口讀取的數(shù)據(jù)以波形圖顯示，保存到歷史數(shù)據(jù)表中。

4? 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1? 裝置實(shí)物

根據(jù)硬件與軟件的設(shè)計(jì)、控制策略與工作原理的配合、精準(zhǔn)的三維建模，完成跟蹤裝置的組裝，實(shí)物圖如圖8所示。

4.2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用系統(tǒng)實(shí)物裝置在不同的天氣下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為廣東湛江，東經(jīng)110°北緯21°。

實(shí)驗(yàn)一： 2019年3月17日，天氣多云，系統(tǒng)通過(guò)FX2N?4AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集到四個(gè)光敏元件（為方便理解，這里定義為東、南、西、北）的數(shù)字量信號(hào)，采集數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)二：測(cè)試太陽(yáng)高度角和方位角。2019年3月7日、2019年5月11日、2019年6月10日，從7：00—17：00，每小時(shí)記錄數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)試的太陽(yáng)方位角和理論計(jì)算值比較如圖9所示。

4.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分析比較，多云天氣時(shí)，太陽(yáng)光照強(qiáng)度不強(qiáng)，因此無(wú)法通過(guò)光電式進(jìn)行跟蹤，系統(tǒng)采用的是視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法。但此時(shí)光電元件還在檢測(cè)光照情況，四象限光電傳感器采集的數(shù)字量值不僅對(duì)組（東和西、南和北）相差不大，而且四個(gè)數(shù)字量值均相差不大，說(shuō)明接收器平面是垂直于光源的，進(jìn)一步說(shuō)明多云天氣采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤精度準(zhǔn)確。在抽取的3月、5月、6月測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，太陽(yáng)方位測(cè)量值與天文算法計(jì)算出的計(jì)算值進(jìn)行比較，誤差在0.1°～0.3°內(nèi)。驗(yàn)證了雙模式太陽(yáng)方位跟蹤系統(tǒng)研究方案的可行性。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

該文研究的太陽(yáng)方位雙模式雙軸跟蹤系統(tǒng)，利用光控與程控相結(jié)合的方法應(yīng)對(duì)不同的天氣狀況，融合了光電式跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的優(yōu)點(diǎn)，互相彌補(bǔ)不足。通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算、控制策略與工作原理分析，實(shí)現(xiàn)雙軸控制，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)方位的多氣候精準(zhǔn)跟蹤。

通過(guò)硬件設(shè)備的選擇、實(shí)物的組建以及實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性與可行性，為工程應(yīng)用提高理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 金朗，曹飛韶.我國(guó)可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2017，33（10）：10?13.

[2] 朱國(guó)棟，王成龍，馬軍，等.一種高精度太陽(yáng)跟蹤控制裝置研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，31（6）：830?835.

[3] 徐煒君，原大明.視日軌跡太陽(yáng)能反饋跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2016，43（8）：855?858.

[4] 路瑤，何秋生，苑偉華，等.太陽(yáng)跟蹤方法綜述[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33（5）：1?4.

[5] 王男男，周倫，丁虹民.基于STM32的光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2017，41（2）：247?249.

[6] 姚仲敏，潘飛，譚東悅.新型光伏發(fā)電智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2016，37（5）：1174?1179.

[7] 申來(lái)明，楊亞龍.一種利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤的設(shè)計(jì)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（10）：158?162.

[8] 牟如強(qiáng)，李樂(lè).基于單片機(jī)的新型太陽(yáng)能雙軸跟蹤裝置設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2018（3）：148?150.

[9] 武志強(qiáng)，馬民，路志明，等.最佳傾角的單軸逐日系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（1）：73?78.

[10] 馬帥旗.基于PSD的太陽(yáng)方位對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2014，50（15）：215?219.

[11] 陳健婷，溫銀婷，傅守忠.最佳太陽(yáng)方位角的計(jì)算[J].肇慶學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，35（2）：20?22.

[12] 馬敏，楊勝偉.基于LabVIEW的氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)串口通訊設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2016，31（11）：43?46.