基于Arduino的太陽能追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

朱利軍

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215123）

太陽能是可再生的能源，也是非常清潔的能源，所以，太陽能的有效利用一直是個(gè)非常重要的話題，太陽能有效地接收在光能被越來越重視的今天受到了廣泛的關(guān)注。由于許多太陽光接收器無法跟隨太陽位置的改變而改變，使得太陽能的接收效率低下，研究表明：在相同的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，自動(dòng)跟蹤太陽能系統(tǒng)比傳統(tǒng)固定式系統(tǒng)的發(fā)電效率可以提高將近30%[1]。如何有效提高光電轉(zhuǎn)換效率也越來越引起了人們的重視，因而，通過太陽能接收裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化來對太陽能進(jìn)行高精度的追蹤，從而來實(shí)現(xiàn)對太陽能的有效接收，繼而達(dá)到提高太陽光能的利用率，從而可以很好地應(yīng)用于其他與太陽光能有關(guān)的設(shè)備。

有許多學(xué)者對太陽能追蹤進(jìn)行過很多研究，采用了一些辦法，有采用太陽角度追蹤和光電追蹤的（毛桂生，2010[2]），有基于角度計(jì)算和光敏感應(yīng)的（王濤，2009[3]），有采用雙軸追蹤和光電傳感器相結(jié)合（陳沛宇等，2019[4]），本文將檢測光強(qiáng)以及太陽軌跡算法兩種方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)與優(yōu)化整個(gè)太陽能有效追蹤系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)思路

本文所設(shè)計(jì)的太陽能追蹤系統(tǒng)是以Arduino微控制器為核心，由光電傳感器、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)芯片、電源模塊、人機(jī)交互界面等組成。Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出）、6路模擬輸入、一個(gè)16MHz晶體振蕩器、一個(gè)USB口、一個(gè)電源插座、一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。Arduino Uno開發(fā)板非常適合做本設(shè)計(jì)中微控制器。

光電傳感器確定太陽能接收器是否正對太陽，DS1307是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，功耗比較低、具有56字節(jié)、地址和數(shù)據(jù)雙向串行傳輸，而且能夠每個(gè)月的天數(shù)能夠自動(dòng)調(diào)整，具有閏年補(bǔ)償功能，可以精確到秒，如果是晚上程序就進(jìn)入睡眠等待狀態(tài)，如果是白天則運(yùn)行程序。通過太陽能探測器和太陽軌跡算法，微控制器經(jīng)過計(jì)算處理之后給驅(qū)動(dòng)芯片SN754410發(fā)送指令，步進(jìn)電機(jī)接收控制信號后執(zhí)行旋轉(zhuǎn)命令，從而保證太陽能接收裝置的接收面能夠時(shí)時(shí)正對太陽。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

具體設(shè)計(jì)思路如下：使太陽能接收裝置的接收面能夠依照太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，保證時(shí)時(shí)對著太陽，從而達(dá)到太陽光的高效率利用。為有效實(shí)現(xiàn)這一目的，主要分為兩個(gè)方法：檢測光強(qiáng)以及太陽軌跡算法。檢測光強(qiáng)主要使用光敏電阻來進(jìn)行，當(dāng)四周的光敏電阻感受到同樣的光強(qiáng)時(shí)，即為正對太陽。太陽軌跡算法即根據(jù)地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)規(guī)律，得出太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡，對于給定的經(jīng)度、緯度及時(shí)間，可以算出太陽的角度。然后，將這算法用C語言的形式寫入Arduino Uno開發(fā)板中，可以實(shí)現(xiàn)接收面按照正對太陽軌跡的方式運(yùn)動(dòng)。

通過太陽能探測器和太陽軌跡算法，Arduino微控制器能夠在工作期間計(jì)算太陽位置，并發(fā)送控制信號至步進(jìn)電機(jī)，該信號將被步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片放大，步進(jìn)電機(jī)將執(zhí)行旋轉(zhuǎn)命令，使太陽能接收裝置的接收面能夠時(shí)時(shí)對著太陽。

將檢測光強(qiáng)以及太陽軌跡算法兩種方法相結(jié)合，可以使整個(gè)太陽能有效接收裝置系統(tǒng)滿足要求，高效工作。首先，太陽軌跡算法是所有方法中可以提供最高精度、最低功耗的方法之一，但當(dāng)使用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)電設(shè)備時(shí)，它無法自校準(zhǔn)；其次，只使用太陽能檢測器，會(huì)不可避免地受到無法預(yù)料的光源的影響。將兩種方法相結(jié)合，可以達(dá)到電路簡單、成本低、功耗低和精度高的理想效果。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 檢測光強(qiáng)

使用一系列沿直線布置的光電傳感器，并且比較它們所檢測到的光強(qiáng)度，從而來確定沿該軸方向的太陽位置。采用兩組傳感器分別檢測太陽方位角和仰角。每組有三個(gè)光敏電阻LDR（光敏電阻），且兩組共享中心位置的LDR，如圖2所示。

圖2 傳感器設(shè)置原理圖

5個(gè)LDR在電路中具有相同的性能，同時(shí)，每組分別對稱，確保當(dāng)光源發(fā)出光至檢測器的中心時(shí)，每一組中無光強(qiáng)度偏差。這樣，根據(jù)其原理圖，光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓，這是由于依賴于光強(qiáng)度的LDR阻抗造成的。換句話說，太陽位置通過Arduino Uno上的模擬引腳讀取的電壓值來表示的，這種方法取決于LDR的精度。

本設(shè)計(jì)中所采用的光敏電阻是對400nm到700nm的光敏感的CdS光敏光電管。其電阻值從10千歐到200千歐變化。這些LDR的靈敏度通常情況下是0.85/LuxΩ ，對本設(shè)計(jì)足夠高了。

根據(jù)原理圖所示，應(yīng)仔細(xì)選擇電阻，因?yàn)殡娮柚苯佑绊憴z測器的準(zhǔn)確度。LDR的阻值會(huì)隨入射光強(qiáng)度的改變而變化，合適的電阻決定了測得的電壓值的范圍。本設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)實(shí)現(xiàn)最廣泛的輸出電壓范圍。假設(shè)的LDR的電阻呈線性變化，檢測到的電壓范圍可表示為：

Vout是LDR和電阻之間的電壓，R是電阻，Rmax和Rmin是LDR的最大電阻和最小電阻，Vcc是電源，本設(shè)計(jì)中為5V。

R與電壓范圍Vrange之間的關(guān)系如下：

根據(jù)Vrange的表達(dá)式，當(dāng)取最小值時(shí)，rangeV取最大值，從中可以推導(dǎo)出電阻為：

電壓范圍為：

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)中所采用的步進(jìn)電機(jī)是兩相雙極步進(jìn)電機(jī)，作為混合動(dòng)力同步步進(jìn)電機(jī)的模型，其集成了永磁步進(jìn)和可變磁阻步進(jìn)的優(yōu)勢。但是，步進(jìn)電機(jī)的選擇帶來了兩個(gè)不可避免的問題，一是Arduino的電流不足，另一種是步進(jìn)電機(jī)本身的分辨率限制。

電流不足是步進(jìn)電機(jī)和Arduino之間的電流不匹配導(dǎo)致的：單一的步進(jìn)電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電流是0.33A，而Arduino數(shù)字引腳的最大輸出電流為40mA，基于這種狀況，需要使用驅(qū)動(dòng)芯片來解決這個(gè)問題。

驅(qū)動(dòng)器芯片的型號根據(jù)不同的步進(jìn)電機(jī)而不同，相應(yīng)的雙極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器是半H驅(qū)動(dòng)器，本設(shè)計(jì)中使用的是SN754410，它具有高的輸出電流能力，可以提供高達(dá)1A的雙向驅(qū)動(dòng)電流，以及4.5～36V較寬的電源電壓范圍，是一個(gè)非常適合于雙極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。具有獨(dú)立的輸入邏輯電源，可以最大限度地減少設(shè)備功耗。此外，集成在芯片上的驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目與步進(jìn)電機(jī)的輸入口的數(shù)目是相同的。這樣，一個(gè)芯片控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，使得代碼和電路簡單。該驅(qū)動(dòng)器電路如圖3所示。

圖3 電路原理圖

從原理圖可以看出，不需要額外的電源供給，Arduino具有給兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和半H驅(qū)動(dòng)器提供足夠電流的能力。這是采用這種特定型號的驅(qū)動(dòng)器芯片的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不需要外部支持裝置或設(shè)備，可確保安裝的高適應(yīng)性和低難度。

3 代碼的連接與測試

系統(tǒng)上電運(yùn)行后，先進(jìn)行初始化。初始化之后，系統(tǒng)先判斷白天還是黑夜。如果是黑夜，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生中斷，立即停止運(yùn)行，處于睡眠待機(jī)狀態(tài)[5]；如果是白天，根據(jù)太陽能接收器狀態(tài)是否執(zhí)行校準(zhǔn)，如果是，光電傳感器工作，比較它們所檢測到的光強(qiáng)度，從而來確定沿該軸方向的太陽位置。如果否，將讀取時(shí)間，Arduino微控制器計(jì)算太陽位置，并發(fā)送控制信號至步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)接收到指令后將執(zhí)行旋轉(zhuǎn)命令，如此循環(huán)往復(fù)，使太陽能接收裝置實(shí)時(shí)追蹤太陽。

最終代碼的流程圖如圖4所示，用于校準(zhǔn)由LDR和其他組件組成的太陽能檢測器。給太陽軌道算法提供一個(gè)起點(diǎn)，如果太陽能接收器已經(jīng)正對太陽的話，太陽軌道算法能夠計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方位角和仰角，但它無法確定接收器的當(dāng)前角度。其結(jié)果是，需要太陽能檢測器給微控制器一個(gè)基準(zhǔn)。

圖4 最終代碼的流程圖

執(zhí)行校準(zhǔn)的時(shí)間和持續(xù)的時(shí)間間隔是至關(guān)重要的。這兩個(gè)參數(shù)直接決定了校準(zhǔn)是否成功。首先，如果時(shí)間點(diǎn)太早，太陽能光不夠強(qiáng)，校準(zhǔn)后會(huì)出現(xiàn)偏差，如果時(shí)間點(diǎn)太晚，會(huì)浪費(fèi)大量的太陽能；其次，如果時(shí)間周期太短，受到意外光源干擾的可能性將被放大，如果時(shí)間周期太長，也會(huì)浪費(fèi)太陽能。

經(jīng)過測試和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效校準(zhǔn)的最好方式如下：計(jì)算太陽的仰角，一旦角度超過15°，開始設(shè)置傳感器在特定的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)太陽在天空中移動(dòng)角度為1°時(shí)來追蹤太陽。校準(zhǔn)完成后，太陽能接收器應(yīng)該正確地面對太陽，然后不斷計(jì)算太陽位置，并進(jìn)入正常運(yùn)行循環(huán)。

4 小結(jié)

最終成品需要在兩種特殊情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。一是在室內(nèi)用可快速移動(dòng)的光源進(jìn)行測試，以驗(yàn)證產(chǎn)品的基本工作情況?？梢灾饾u改變?nèi)肷浣牵俣缺忍柛欤ū苊忾L時(shí)間的測試時(shí)間）；二是在室外自然光條件下長時(shí)間放置，以驗(yàn)證產(chǎn)品的性能和品質(zhì)。并基于實(shí)驗(yàn)的情況，進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，同時(shí)，必須加入工作時(shí)段和天氣因素影響的考慮。

本太陽能有效追蹤系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地實(shí)現(xiàn)太陽能的接收，具有電路簡單、價(jià)格低廉、安裝便易、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)太陽能的有效追蹤，提高太陽能的利用率，可很好地應(yīng)用于其他與太陽光能有關(guān)的設(shè)備。