雙軸高精度太陽能自適應(yīng)跟蹤系統(tǒng)研究與設(shè)計

吳 碩，趙繼忠

(1.遼寧開放大學(xué)，遼寧沈陽 110034；2.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110161)

隨著全球環(huán)境污染問題日益加重，不可再生能源逐漸枯竭，太陽能作為一種新能源，已廣泛應(yīng)用于發(fā)電、供暖、集熱等人類生產(chǎn)生活中。然而，太陽能受地理位置、氣候條件、季節(jié)變換等因素影響，制約了其開發(fā)和利用。太陽能跟蹤采集是其開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)，也是國內(nèi)外諸多學(xué)者長期研究的課題。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種大范圍光電跟蹤傳感器，建立了粗跟蹤模塊、精跟蹤模塊和主控模塊，有效提升了跟蹤系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[2]設(shè)計了PLC 雙軸控制系統(tǒng)，利用太陽位置算法，對太陽能進(jìn)行自動跟蹤，提高了太陽能利用率。文獻(xiàn)[3]將光電跟蹤和視日跟蹤進(jìn)行有效結(jié)合，設(shè)計開發(fā)了一種高精度太陽能伺服閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，從而將跟蹤控制精度控制在0.1%。文獻(xiàn)[4]提出了一種開環(huán)和閉環(huán)混合的跟蹤策略的控制系統(tǒng)，探討了一種低成本機(jī)械結(jié)構(gòu)跟蹤裝置的算法。

因此通過上述相關(guān)文獻(xiàn)梳理總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)，目前太陽能跟蹤采集技術(shù)主要包括：

(1)光電跟蹤：通過光電(圖像)傳感器檢測太陽光變化，經(jīng)過主控系統(tǒng)判斷計算后，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實時跟蹤，屬于閉環(huán)實時跟蹤。但其受天氣影響較大，局部陰影時，無法對太陽位置進(jìn)行有效校正。

(2)視日跟蹤：通過太陽位置算法，計算出跟蹤裝置高度角和方位角，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整到相應(yīng)的方位，實施全天候跟蹤，屬于開環(huán)控制。從機(jī)械結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)自由度可分為單軸、極軸、雙軸控制。然而，太陽能軌跡算法受季節(jié)和時間變化，程序執(zhí)行中容易產(chǎn)生積累誤差，需要精確的地理位置和準(zhǔn)確時間來源。

(3)光電跟蹤和視日跟蹤混合。此種跟蹤方式可以將前兩者進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，但控制系統(tǒng)復(fù)雜度較高，成本提升。

針對文獻(xiàn)提出的跟蹤方案的特點(diǎn)，基于進(jìn)一步提高、改進(jìn)跟蹤系統(tǒng)的精度，文章提出了一種基于閉環(huán)控制光電(圖像)跟蹤和開環(huán)控制視日(日歷)跟蹤混合跟蹤策略，設(shè)計以DSP+PLC 為核心的主控系統(tǒng)，搭建相應(yīng)實驗平臺，采用太陽位置跟蹤和改進(jìn)圖像處理算法，實時調(diào)整碟架機(jī)構(gòu)位置，以此驗證、探討跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到本系統(tǒng)對太陽聚光性有較高的要求，系統(tǒng)采用斯特林碟架結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1 所示。其主要包括：反射鏡面、鏡面支撐、吊臂、基座、光電轉(zhuǎn)換裝置、驅(qū)動裝置等[5]。同時，由于太陽在天空中的高度和方位是不斷變化的，太陽光線達(dá)到地球時會產(chǎn)生兩個不同的角度，即方位角和高度角。因此，需要采用雙軸結(jié)構(gòu)對太陽的方位角和高度角進(jìn)行實時跟蹤，以此到達(dá)最佳聚光效應(yīng)。

圖1 斯特林碟架結(jié)構(gòu)

1.2 跟蹤原理

本系統(tǒng)采用開環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的跟蹤策略對太陽能進(jìn)行實時采集跟蹤，其控制系統(tǒng)原理設(shè)計如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)原理組成

其工作過程分兩部分：

(1)粗跟蹤部分：通過外部GPS 模塊自動獲取系統(tǒng)裝置的經(jīng)緯度和時間信息，然后通過串口將信息發(fā)送至PLC，并調(diào)用太陽位置算法(SPA)功能塊，得出當(dāng)前太陽方位角和高度角位置信息，并完成碟架機(jī)構(gòu)調(diào)整。

(2)精跟蹤部分：利用圖像處理傳感器采集太陽光斑圖像，然后通過DSP 圖像處理算法得出太陽位置相對于太陽光斑質(zhì)心的偏轉(zhuǎn)角度，并由DSP 轉(zhuǎn)換成方位角和高度角信息傳遞到PLC，實施碟架位置精確調(diào)整。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制系統(tǒng)以PLC 和DSP 為控制核心，由視日跟蹤、光電跟蹤、電機(jī)驅(qū)動模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊組成，硬件設(shè)計連接如圖3 所示。后文將對硬件結(jié)構(gòu)各功能模塊設(shè)計進(jìn)行具體介紹。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 視日跟蹤模塊

該模塊主要功能是通過GPS 串口信息發(fā)送至PLC 調(diào)用太陽位置算法，并根據(jù)圖像處理計算最終結(jié)果，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動碟加到太陽光最佳采集位置。

(1)GPS 接收器：接收器NAVILOCK NL-403P 支持NMEA0183 協(xié)議，可以輸出當(dāng)?shù)厝諝v時間、經(jīng)緯度、海拔天氣等信息，通過RS232 串口信息發(fā)送至PLC。

(2)PLC 控制器：采用西門子S7-1214C，DC/DC/DC 型號PLC，其內(nèi)部集成14 點(diǎn)輸入、10 點(diǎn)輸出、1 個以太網(wǎng)通信端口、4 路脈沖輸出、6 路高數(shù)計算器，自帶SPA_CALC_SUN_vector功能塊，方便計算太陽位置信息。同時，考慮到PLC 與GPS和DSP 串行通訊，需擴(kuò)展CM1241 232 通訊模塊。

2.2 光電跟蹤模塊

光電跟蹤模塊是控制系統(tǒng)提高跟蹤精度的關(guān)鍵所在，主要由圖像傳感器和DSP 構(gòu)成。該模塊放置在一個密閉并遮光的長方體盒子內(nèi)，太陽光入射至盒頂部切開的圓孔，并在其下面的透明板上形成一個太陽光斑。光斑被盒子底面放置的圖像傳感器和DSP 構(gòu)成的光電模組獲取并處理，以此完成太陽位置跟蹤。

由于太陽光斑移動緩慢，對圖像傳感器采集精度要求不高，因此考慮成本等因素，本文采用以CMOS 圖像傳感器為核心的OV7620 攝像頭模組，利用其SCCB 總線，完成取窗口、白平衡等初始化工作。

圖像傳感器拍攝的圖像通過DSP 進(jìn)行運(yùn)算和處理，硬件連接圖如圖4 所示。由于圖像采集處理模塊僅對灰度圖像進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)輸出僅僅采集OV7620 的Y0-Y7 亮度數(shù)據(jù)。因此，我們采用TMS320VC5416 DSP 便可符合要求。

圖4 圖像采集電路圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

該模塊主要完成斯特林碟架水平和俯仰兩個方向的位置控制。其中，位置控制包括粗跟蹤和精跟蹤環(huán)節(jié)中PLC 對步進(jìn)電機(jī)的控制。

(1)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動裝置：PLC 將高度角、方位角信息轉(zhuǎn)換成脈沖發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)帶動軸的轉(zhuǎn)動，因此其無法與PLC 直接連接，需要配置相應(yīng)的驅(qū)動器。根據(jù)工藝要求，本系統(tǒng)采用西門子M542 步進(jìn)驅(qū)動器予以驅(qū)動控制，1 600脈沖/轉(zhuǎn)，8 細(xì)分。

(2)旋轉(zhuǎn)編碼器：控制系統(tǒng)需通過旋轉(zhuǎn)編碼器對碟架轉(zhuǎn)動位置予以判定、校正。因此，采用歐姆龍E6B2—CWZ5B 增量式編碼器接至PLC 輸入口，通過PLC 內(nèi)部的高速計數(shù)器對脈沖計數(shù)，反饋碟架自身位置信息，進(jìn)行方向、位置校正。

2.4 上位機(jī)監(jiān)控模塊組成

為便于工業(yè)現(xiàn)場操作，系統(tǒng)除配置啟動、停止、正反/上下等機(jī)械按鈕控制外，還設(shè)置上位機(jī)觸摸屏監(jiān)控模塊。觸摸屏配置選用MCGS 公司的TPC1061TD 工業(yè)觸摸屏對跟蹤系統(tǒng)實時運(yùn)行情況予以監(jiān)控，該屏內(nèi)置1 個以太網(wǎng)和1 個RS485/232 接口，可以與PLC 進(jìn)行PROFINET 網(wǎng)絡(luò)通訊。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序工作流程為：系統(tǒng)開始初始化，首先調(diào)用太陽位置算法，實現(xiàn)粗跟蹤。然后，進(jìn)入圖像處理環(huán)節(jié)，判定太陽光斑所處位置是否處于傳感器視場范圍內(nèi)，如在范圍內(nèi)，調(diào)用圖像處理算法，通過DSP 計算太陽方位偏轉(zhuǎn)角，反饋給PLC 進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)位置閉環(huán)控制。如不在范圍內(nèi)，返回粗跟蹤環(huán)節(jié)(視日跟蹤)，最后，待系統(tǒng)執(zhí)行一個周期后，結(jié)束運(yùn)行。其工作流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 視日跟蹤程序設(shè)計

(1)GPS 與PLC 通訊

PLC 對GPS 發(fā)送的ASCII 碼進(jìn)行解析和解碼，并按照一定周期獲取基本定位數(shù)據(jù)。在編程調(diào)試時，PLC 通訊口波特率設(shè)置4 800、無奇偶校驗、8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位。我們通過TIA PORTAL 全局庫下載GPS 通訊功能塊，簡單編程，便可讀取相關(guān)經(jīng)緯度信息，如圖6 所示。

圖6 GPS 功能塊調(diào)用

(2)太陽位置與電機(jī)控制程序設(shè)計

通過TIA PORTAL 軟件調(diào)出太陽位置算法和軸工藝對象功能塊，計算出太陽高度角和方位角，并轉(zhuǎn)換成脈沖。利用PLC 內(nèi)置高速計數(shù)器對編碼器脈沖計數(shù)，并比較高度角和方位角變化值，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，其工作流程圖如圖7 所示。如若編碼器反饋來的脈沖數(shù)與PLC 計算的高度角和方位角相等，則說明碟架調(diào)整完畢。否則，還需進(jìn)一步校正、調(diào)整碟架。

圖7 視日跟蹤流程圖

3.3 圖像采集與處理程序設(shè)計

攝像頭采集太陽圖像后，發(fā)送至DSP 進(jìn)行太陽光斑位置的運(yùn)算處理。其中，DSP 處理程序算法包括：圖像光斑處理、太陽質(zhì)心獲取和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換三部分。圖8 為圖像采集與處理流程圖。

圖8 圖像跟蹤流程圖

如果太陽質(zhì)心在視場范圍內(nèi)，首先采用二值化算法后，分離光斑。然后通過二進(jìn)制跟蹤質(zhì)心算法，采集到圖像最大灰度值點(diǎn)位置[6]，并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法得到太陽光斑水平和垂直的偏轉(zhuǎn)角度。最后，通過DSP 串口發(fā)送至PLC，PLC 內(nèi)部通過PID 控制計算出相應(yīng)的偏差校正脈沖量，進(jìn)而實現(xiàn)對太陽位置的精跟蹤。如果太陽質(zhì)心由于陰天或被遮擋時不在視場范圍內(nèi)，則轉(zhuǎn)入視日跟蹤模式。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 觸摸屏畫面測試

本實驗安排在遼寧沈陽郊區(qū)某太陽能光伏實驗基地完成，通過采集2020 年11 月14 日實驗相關(guān)數(shù)據(jù)，測試跟蹤系統(tǒng)硬、軟件指標(biāo)是否達(dá)到技術(shù)要求，系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控畫面如圖9所示。

圖9 觸摸屏畫面測試

我們可以看出，觸摸屏畫面能夠正確實時顯示跟蹤系統(tǒng)的各種信息，可以進(jìn)行本地/遠(yuǎn)程、手動/自動操作，也可在圖像跟蹤/日歷跟蹤系統(tǒng)切換。

4.2 碟架運(yùn)行測試

在手動調(diào)整碟架位置時，考慮到兩軸減速機(jī)齒輪比不同，俯仰電機(jī)速度設(shè)定為2 000 r/min，水平電機(jī)速度設(shè)定為1 500 r/min，電機(jī)運(yùn)行過程穩(wěn)定，無卡頓現(xiàn)象。但在系統(tǒng)自動回原點(diǎn)過程中，偶發(fā)“卡頓”、“停機(jī)”現(xiàn)象，主要是由于電機(jī)回原點(diǎn)速度過低造成的，在TIA PORTAL 分別將回原點(diǎn)加速度提高至25 和20 mm/s2，卡頓停機(jī)現(xiàn)象消除。

4.3 跟蹤精度測試

整個跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行時首先采用視日跟蹤方式通過太陽位置計算出太陽相應(yīng)高度角和方位角，然后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置調(diào)整，達(dá)到跟蹤目的。因此實驗選取11 月14 日10 點(diǎn)、11點(diǎn)、12 點(diǎn)三個時間段進(jìn)行跟蹤觀察，測試時間段多云晴朗，如圖10 所示。結(jié)果表明：太陽光斑準(zhǔn)確地聚焦在跟蹤區(qū)域內(nèi)，可以實現(xiàn)烏云無太陽條件下粗跟蹤需求。

圖10 不同時間段內(nèi)視日跟蹤系統(tǒng)效果

視日跟蹤完畢后進(jìn)入圖像跟蹤環(huán)節(jié)。實驗同樣選取上述時間段進(jìn)行圖像比較分析，如圖11 所示。結(jié)果表明：太陽光斑能及時聚焦在碟架光腔中心位置。同時，當(dāng)天空有烏云或遮擋時，自適應(yīng)調(diào)整換到視日跟蹤。

圖11 不同時間段內(nèi)圖像跟蹤系統(tǒng)效果

最后，為檢測跟蹤系統(tǒng)的平均精度，隨機(jī)選取2020 年11月14 日上位機(jī)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)信息，如表1 所示。通過對數(shù)據(jù)比較分析可得：視日跟蹤平均精度可達(dá)±0.03°，圖像跟蹤平均精度可達(dá)±0.02°。

表1 監(jiān)控數(shù)據(jù)信息 (°)

5 結(jié)論

研究設(shè)計了一種基于PLC 位置控制和DSP 圖像處理的雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用太陽位置和圖像改進(jìn)算法相結(jié)合的控制策略，利用西門子TIA PORTAL 工業(yè)自動化集成控制軟件實現(xiàn)了跟蹤系統(tǒng)閉環(huán)和開環(huán)控制的有機(jī)銜接。實驗數(shù)據(jù)表明：跟蹤系統(tǒng)整體平均精度可達(dá)±0.03°，滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。但需要指出的是，系統(tǒng)數(shù)據(jù)是基于機(jī)械裝置和天氣狀態(tài)均良好的條件下采集完成的，如考慮極端天氣和設(shè)備老化情況，實際跟蹤效果和理論數(shù)據(jù)還有一定差距，系統(tǒng)硬件設(shè)備和算法還需進(jìn)一步改進(jìn)。