全天侯太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研制

王宏云，劉振棟，穆劍玲，王德強，吳金麗

1.滄州市科技情報研究所，河北滄州 061001

2.河北工專電氣系，河北滄州 061001

3.滄州醫(yī)專，河北滄州 061001

4.滄州市科技情報研究所，河北滄州 061001

5.滄州市回民中學(xué)微機室，河北滄州 061001

全天侯太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研制

王宏云1，劉振棟2，穆劍玲3，王德強4，吳金麗5

1.滄州市科技情報研究所，河北滄州 061001

2.河北工專電氣系，河北滄州 061001

3.滄州醫(yī)專，河北滄州 061001

4.滄州市科技情報研究所，河北滄州 061001

5.滄州市回民中學(xué)微機室，河北滄州 061001

全天候太陽能自動跟蹤技術(shù)的核心是太陽高度角和方位角的計算，它的大小與地球的緯度、太陽赤緯角、時角有關(guān)。太陽的赤緯角和日期有關(guān)，該日期是太陽時，通過微機對這些數(shù)據(jù)運算和實時處理，指揮伺服系統(tǒng)實現(xiàn)跟蹤。由于是通過運算得到的方位角所以使太陽能轉(zhuǎn)換器自始至終對準(zhǔn)太陽，即使陰天下雨也不會受到影響。

.全天候；太陽能；自動跟蹤

0 引言

太陽能取之不盡，用之不竭，是一種既經(jīng)濟又無污染的綠色環(huán)保能源，但是，太陽能的特點之一是“能量密度較低”，在太陽能資源最豐富的地區(qū)，也只是每平方米1kW的功率密度。根據(jù)光照度理論，I=I0*COSφ（其中I0為垂直照射的光強，φ為光線與照射面法線的夾角），太陽能接收裝置采用自動跟蹤后，太陽光始終垂直照射接受面，光強大幅提高，光電、光熱能量轉(zhuǎn)換也將大幅提升。因此，太陽能自動跟蹤技術(shù)，在太陽能的開發(fā)利用中具有十分重要的作用。特別是高性能的太陽能裝置，太陽能自動跟蹤是不可缺少的控制系統(tǒng)之一。

現(xiàn)有太陽能自動跟蹤系統(tǒng)主控核心部分，普遍采用由光電傳感器、運放組成的模擬電子控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)，由于采用模擬電路，普遍存在著精度低、器件容易老化，性能不穩(wěn)定的問題。由于模擬電路器件的離散性，電路需要反復(fù)調(diào)試。特別是傳感器的安裝，需要復(fù)雜的附屬裝置，使安裝出現(xiàn)困難，影響整體設(shè)計。另外為了接受太陽光，光電傳感器必須暴露在外部，常年風(fēng)吹雨淋，經(jīng)受高溫低溫的考驗，使器件老化加速，極易出現(xiàn)故障，使系統(tǒng)的可靠性大大降低。特別是在稍長時段出現(xiàn)烏云遮陽情況，將使系統(tǒng)失去跟蹤目標(biāo)。

鑒于光電模擬技術(shù)太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的缺點，我們設(shè)計了采用以微處理器為核心的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。它是參照太陽與地球的高度角和方位角的計算為依據(jù)的一種自動跟蹤系統(tǒng)。

1 全天侯太陽能自動跟蹤系統(tǒng)

1.1 工作原理

根據(jù)天文物理的知識，太陽的高度角和方位角與地球的緯度和經(jīng)度、太陽的赤緯角和sinh⊙=sinδsinφ+cosδcosφcosτ

cosA=（sinh⊙sinφ-sinδ）/cosh⊙cosφ

時角有關(guān)，其公式為：式中h和A分別是太陽的高度角和方位角，φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋木褪翘柍嗑暯?，τ為?dāng)時的太陽時角。太陽赤緯角與日期有關(guān)，太陽時角與時間和太陽能裝置所在地的經(jīng)度有關(guān)。盡管這些數(shù)學(xué)關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，計算量很大，但完全可以使用計算機去處理，只有我們把這些數(shù)據(jù)儲存在微處理器芯片中，由微處理器根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥?、?jīng)度和當(dāng)前的日期、時刻，計算出太陽的高度角和方位角，然后由微處理器控制兩個步進電機或伺服電機，使太陽能裝置在水平方向和垂直方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，使太陽能裝置始終與太陽光垂直。這種以現(xiàn)代計算機技術(shù)和天文物理相結(jié)合設(shè)計的太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)與模擬電子控制系統(tǒng)相比，具有很多優(yōu)點，是模擬電子系統(tǒng)所無法比擬的。代表著太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)的最高水平。

1.2 研究系統(tǒng)的特點

1）這種微機系統(tǒng)控制精度高，不受室外環(huán)境影響?？刂葡到y(tǒng)不使用傳感器，不需要考慮傳感器的安裝，整個控制系統(tǒng)可以放在室外密閉的機箱里，也可以完全放在室內(nèi)，通過電纜和室外的電機相連。不論陰天、下雨均能正確跟蹤，日落后自動旋轉(zhuǎn)到第二天太陽日處的方位角上。不僅安裝方便，系統(tǒng)工作環(huán)境良好，可靠性大大提高；

2）這種控制系統(tǒng)安裝時，只需要將本地的緯度、經(jīng)度和當(dāng)前的日期、時間輸入到系統(tǒng)中即可，不需要調(diào)試，操作使用十分方便。由于沒有復(fù)雜的模擬電路，不需要信號檢測和處理，控制系統(tǒng)完全靠單片機的程序運行，可靠程度很高；

3）由于單片機和計算機相關(guān)芯片的成本低，且這種控制系統(tǒng)不需要安裝室外傳感器，因此總體成本要比模擬控制系統(tǒng)低的多。尤其是一個控制系統(tǒng)可以同時控制多個太陽能接收裝置，使它的優(yōu)越性十分明顯；

4）由于單片機可以每分鐘或每10min對系統(tǒng)做一次控制，時間間隔可由軟件根據(jù)需要設(shè)置，平時處于睡眠狀態(tài)，控制電機運行時間不超過幾秒鐘，平時系統(tǒng)不帶電，日落后系統(tǒng)自動處于關(guān)閉狀態(tài)，第二天太陽日時自動啟動，因此該系統(tǒng)十分省電，屬于低功耗設(shè)備。

2 太陽能控制系統(tǒng)的設(shè)計

太陽能控制系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。

2.1 硬件設(shè)計的主要內(nèi)容

1）微處理器芯片的選擇、控制系統(tǒng)時間芯片的選擇、按鍵和液晶顯示器件的選擇、單片機輸出控制系統(tǒng)的設(shè)計及整機電路的設(shè)計；2）電機的選擇、電機驅(qū)動電路設(shè)計、機械傳動裝置設(shè)計、整機外形設(shè)計；3）電源供電系統(tǒng)的設(shè)計。

2.2 軟件的設(shè)計的主要內(nèi)容

1）操作系統(tǒng)的程序設(shè)計即人機對話界面的程序設(shè)計；2）步進電機驅(qū)動程序的設(shè)計—與步進電機性能、型號、機械傳動裝置和控制精度有關(guān)；3）太陽高度角、方位角的計算和數(shù)據(jù)處理相關(guān)程序設(shè)計，這是是本項目的重點和難點；4）輸出精度的控制和誤差的調(diào)整相關(guān)程序。

（1）太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)的核心-微處理器擬采用美國ATMEL公司的高檔微處理器Atmega128。Atmega128屬于單片機系列中的高端產(chǎn)品，采用RISC結(jié)構(gòu)，速度快、功能強、存儲容量大、接口多、功耗低，運行速度是普通CISC結(jié)構(gòu)單片機速度的10倍，它具有128k程序存儲器、4K的EEROM、53個I/O口、6種節(jié)電模式、64腳TQFP封裝，支持SPI接口實現(xiàn)在線系統(tǒng)編程，完成可以滿足太陽能實時自動跟蹤性能的要求。龐大的程序存儲容量和快速的運算性能，可以滿足計算太陽高度角、方位角龐大數(shù)據(jù)處理的要求。

（2）太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)中時間精度直接影響著太陽高度角、方位角的計算；影響著系統(tǒng)跟蹤控制的精度，為此我們擬采用EPSON公司最新推出的RTC-4553時鐘芯片。該芯片采用內(nèi)置晶振和獨特的數(shù)據(jù)方法，大大提高了時鐘精度和可靠性。RTC-4553配有串行通信接口，另有30×4bitSRAM，有2000～2099年的百年日歷，采用14腳SOP封裝，電池耗電2μA，時鐘誤差＜3 min/年，且無需調(diào)整，是高檔儀器儀表計算機中的高精度時鐘芯片。

（3）太陽高度角、方位角的計算和數(shù)據(jù)庫的處理，這是本項目的技術(shù)核心所在。太陽高度角、方位角與地理緯度、經(jīng)度、日期、時間、太陽的赤緯角有關(guān)，其關(guān)系式屬于天文物理知識范疇，十分復(fù)雜，運算量很大，必須用科學(xué)的計算方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)處理和嚴(yán)密的程序邏輯結(jié)合起來，才能滿足微處理器性能的要求和工程精度的要求。由于計算公式復(fù)雜、運算量大，擬采用利用PC機和單片機相結(jié)合的方法來完成。

（4）步進電機的驅(qū)動和精度控制

步進電機及其驅(qū)動盡可能采用專業(yè)生產(chǎn)步進電機的公司和相關(guān)配套驅(qū)動模塊。步進電機種類繁多，在步進電機和驅(qū)動模塊的選擇上，必須能夠滿足我們系統(tǒng)的機械傳動特性和控制精度要求，然后根據(jù)公司提供的步進電機和驅(qū)動模塊的技術(shù)指標(biāo)，完成和系統(tǒng)的電路銜接和相關(guān)程序的編寫，并完成運行調(diào)試，使系統(tǒng)運行滿足設(shè)計要求。該控制系統(tǒng)采用定偏差跟蹤技術(shù)，使控制精度始終處于規(guī)定的范圍，減少了電機運行的次數(shù)和時間，降低了電機能耗，采用旋轉(zhuǎn)編碼器和接近開關(guān)，實現(xiàn)位置數(shù)據(jù)反饋，可實時消除機械偏差，保證了控制精度。

（5）機械部分和傳動裝置設(shè)計

機械部分和傳動裝置由課題組設(shè)計，用外協(xié)方式完成制作。該部分技術(shù)要求由太陽能裝置負(fù)載的大小、體積大小、外部形狀、安裝環(huán)境等具體指標(biāo)決定。

（6）其他部分的設(shè)計

按鍵采用輕觸按鍵PVC面膜， 液晶顯示擬采用YM19264大屏幕點陣型顯示屏，它能顯示漢字、圖形，人機界面友好，便于操作。大屏幕液晶顯示可以方便用戶通過選擇所在地完成地理緯度和經(jīng)度的輸入。

其控制精度完全可以達(dá)到或超過現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，但可靠性和穩(wěn)定性等其他技術(shù)指標(biāo)是模擬系統(tǒng)無法比擬的，整機控制精度只取決于機械設(shè)計的精度，與控制系統(tǒng)微處理器部分無關(guān)。因此可根據(jù)工程需要設(shè)計跟蹤精度，以達(dá)到較高的性價比。

太陽能自動跟蹤技術(shù)的核心是太陽高度角和方位角的計算，它的大小與地球的緯度、太陽赤緯角、時角有關(guān)。太陽的赤緯角和日期有關(guān)，該日期是太陽時，和我們所用的日歷是不同的。因為太陽公轉(zhuǎn)周期和我們?nèi)諝v中的一年是不等的，所以我們必須解決日歷和太陽時的換算，須從天文物理開始。太陽的時角不僅和時間有關(guān)，還和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度有關(guān)也需要通過復(fù)雜的運算來完成。這些復(fù)雜運算的方法和龐大的數(shù)據(jù)的處理，不僅要求準(zhǔn)確可靠，還必須適合微處理器的程序處理要求，這是該項目要研究的主要內(nèi)容之一。使太陽能轉(zhuǎn)換器自始至終對準(zhǔn)太陽，不會受到氣候的影響，真正做的了全天候跟蹤。

[1]方榮生，李亭寒.太陽能應(yīng)用技術(shù)[M].中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1982，7.

[2]張鶴飛.太陽能熱利用原理與計算機模擬[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，1990，3.

TK6

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.1674-6708（2011）52-0089-02