基于視日運(yùn)行軌跡的雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)

張國梁，李 虹，劉立群，張巧娟(太原科技大大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

太陽能是一種清潔的可再生能源，并且經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活，所以，太陽能利用的關(guān)鍵在于太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)。提高太陽能的轉(zhuǎn)換率可以從兩個方面進(jìn)行改進(jìn)：一方面是提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換率，另一方面是提高太陽能的接收效率。太陽能跟蹤裝置在實(shí)時跟蹤太陽的情況下，可有效提高太陽能的接收效率，且相比于前者更容易實(shí)現(xiàn)[1-4]。理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差[5]，高精度的跟蹤太陽可以有效提高太陽能利用率。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，充分考慮陰云遮蔽等復(fù)雜天氣情況的影響。采用兩步跟蹤方案，即裝置先進(jìn)行視日運(yùn)行軌跡跟蹤，后用光電跟蹤方式進(jìn)行角度微調(diào)，并且充分考慮產(chǎn)能與耗能的關(guān)系，對不同時間段的跟蹤次數(shù)和跟蹤間隔進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到預(yù)測跟蹤的目的。

1 太陽位置的確定方法

視日運(yùn)動軌跡跟蹤即根據(jù)太陽的運(yùn)行規(guī)律實(shí)現(xiàn)實(shí)時跟蹤，確定太陽的位置是實(shí)現(xiàn)跟蹤的關(guān)鍵因素之一。相對于地平面而言，太陽的位置通常用高度角和方位角兩個坐標(biāo)決定[6]，如圖1所示。

圖1 地平坐標(biāo)系

圖中θz是天頂角，αs是太陽高度角，γs是太陽方位角。太陽高度角、赤緯角和時角的關(guān)系為式(1)，由此可以計算出高度角。

sinαs=cosθz=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(1)

式中，φ是雙軸系統(tǒng)所在地區(qū)的緯度，δ是赤緯角，ω是時角。

通常太陽赤緯角的近似計算公式為(2)，時角的計算公式為(3).而太陽方位角、時角、赤緯角和高度角的關(guān)系為公式(6)所示，其中n為一年中日期序號。

(2)

(3)

e=9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB

(4)

(5)

(6)

當(dāng)太陽光線照射到傾斜面上時，定義太陽光線與傾斜面法線之間的夾角為太陽入射角θT，則太陽入射角與其它角度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 太陽入射角與其它角度之間的關(guān)系

圖中，β是斜面傾角，κ是傾斜面朝向赤道的方位角，θz是天頂角，γs是太陽方位角，αs是太陽高度角。

由圖2可得太陽入射角與其它角度之間的關(guān)系如式(7)：

cosθT=sinδsinφcosβ-sinδcosφsinβcosκ+

cosδcosφcosβcosω+cosδsinφsinβcosκcosω+

cosδsinβsinκsinω

(7)

2 跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 視日運(yùn)行軌跡跟蹤方案

目前，常見的視日運(yùn)行軌跡跟蹤方法有兩種：連續(xù)跟蹤和間歇跟蹤[7]。連續(xù)跟蹤時，由于太陽高度角和方位角的變化不是勻速的，并且隨著日期的不同，太陽的運(yùn)行軌跡變化較大。如果以恒定的速度連續(xù)跟蹤會導(dǎo)致積累誤差越來越大，而變速的連續(xù)跟蹤又增加了系統(tǒng)的控制和實(shí)現(xiàn)難度。本文采用間歇式跟蹤方法，通過對一年中太陽運(yùn)行軌跡和太陽輻照度的研究，對不同時間段內(nèi)的跟蹤次數(shù)和跟蹤間隔進(jìn)行設(shè)置，達(dá)到預(yù)測跟蹤的目的。

在天氣晴朗的情況下，某一地點(diǎn)的太陽輻照度可以用太陽輻照儀測出。設(shè)定電池板每隔時間t動作一次，假設(shè)某一時刻太陽光線與傾斜面法線重合，電池板位置為a并且停止動作。根據(jù)太陽輻照度的變化規(guī)律，近似取時間t內(nèi)的太陽輻照度為定值。時間t后太陽入射光線與傾斜面法線形成夾角θT，電池板運(yùn)動到位置b，以保持太陽光線與傾斜面法線重合。設(shè)時間2t后電池板法線與太陽光線重合的位置為c，即原定電池板從a處運(yùn)行至c處動作了兩次。若電池板在2t時間內(nèi)一直停留在a，在2t時刻直接運(yùn)動至c處，期間所獲得的太陽輻照量為W1(運(yùn)行時間忽略不計)；在t時刻由a運(yùn)動至b，然后在2t時刻由b運(yùn)行至c，期間所獲得的能量為W2.設(shè)兩種情況下電機(jī)的耗能分別為P1、P2，則P2-P1為兩種情況的耗能差，計為P.此時，判斷W1、W2與P的關(guān)系，若(W2-W1)>P，則說明太陽能電池板從a運(yùn)動到b是有意義的；同理，若(W2-W1)

根據(jù)以上分析，對一天中不同時間段內(nèi)的太陽能電池板動作次數(shù)做精確的設(shè)定，并且通過計算和實(shí)驗(yàn)分析對時間t進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，從而達(dá)到預(yù)測跟蹤的目的。

2.2 光電跟蹤方案

由于太陽光線通過大氣層時發(fā)生的微小折射和機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的跟蹤精度局限，本文在視日運(yùn)行軌跡跟蹤方法基礎(chǔ)上采用光電跟蹤法對系統(tǒng)裝置進(jìn)行角度微調(diào)，在電池板的四條邊緣線的中心位置分別放置一個光敏電阻。其中，上下兩個光敏電阻為一組，用于高度角的微調(diào)，左右兩個光敏電阻用于方位角的微調(diào)。

光電跟蹤裝置在晴天和陰云遮蔽的情況下對太陽能電池板的高度角和方位角進(jìn)行微調(diào)。在晴天時，控制方位角的兩個光敏電阻將電壓信號傳送入單片機(jī)，然后取兩個電壓信號的差值，計為△v.例如，設(shè)定晴天時的微調(diào)步距為0.1°，每微調(diào)0.1°后延時時間T.通過測量得出步進(jìn)電機(jī)帶動電池板運(yùn)行0.1°所消耗的能量，據(jù)此設(shè)置參考電壓vx.若△v大于vx則進(jìn)行一次微調(diào)，延時T后再做判斷，直到△v小于vx時停止微調(diào)。在陰云遮蔽的情況下，四個光電傳感器傳回的光電信號差值較大，由此系統(tǒng)進(jìn)入陰云遮蔽的跟蹤狀態(tài)，此時采取變步距微調(diào)，長步距的參考電壓設(shè)置為vy，短步長的參考電壓依然是vx.例如系統(tǒng)根據(jù)△v與vy的大小判別此時為陰云天氣，之后做長步距調(diào)整(如動作1°)，延時過后若vy>△v，則再比較vx與△v，若vx<△v，則電池板進(jìn)行短步長的微調(diào)(如動作0.1°).高度角的調(diào)整與此方式相同。用此方式可以有效減少步進(jìn)電機(jī)啟停，避免了系統(tǒng)的誤動作。

另一方面，通過光電傳感器傳回的實(shí)時光電信號判別是否為陰雨天氣或無光照天氣，從而使系統(tǒng)停止運(yùn)行。此時，光電傳感器繼續(xù)傳回實(shí)時光電信息，當(dāng)光電信號變強(qiáng)時，系統(tǒng)根據(jù)時鐘和視日運(yùn)行軌跡程序調(diào)整電池板位置，使其開始繼續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3 雙軸系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件部分主要包括雙軸跟蹤裝置、光電傳感器和控制電路。雙軸跟蹤裝置基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1-光電檢測裝置，2-太陽能電池板，3、6-渦輪蝸桿減速器，4、7-兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，5-旋轉(zhuǎn)支架，8-底座

(1)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)使用開環(huán)控制，能夠省去很多檢測、反饋器件及控制電路。在低速控制(3 000 rpm以下)環(huán)境中，使用步進(jìn)電機(jī)精密控制，有較高的性價比。即使采用閉環(huán)控制(如加入旋轉(zhuǎn)編碼器)，其成本也要遠(yuǎn)低于伺服電機(jī)的控制成本。本文選用混合式步進(jìn)電動機(jī)，它綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小。本文中選擇步距角1.8°，扭矩為2 NM.

(2)渦輪蝸桿減速器。本文中太陽能電池板在運(yùn)動到某個位置停止不動時需要反向自鎖功能。由于本系統(tǒng)起停頻繁，沖擊大，因此不適合選用諧波減速器。行星減速器雖然精度較高，但價格昂貴，不能滿足太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計初衷。因此在雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)中，選擇渦輪蝸桿減速器作為減速裝置。取速比為50，一方面可以使提高跟蹤精度，另一方面提高了輸出轉(zhuǎn)矩。

(3)選擇18細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)的額定電流為3 A，采用細(xì)分控制后動作一步的電流只需0.167 A，且電流為正弦波方式變化，一方面提高跟蹤精度，另外有效減少了電機(jī)的噪聲和震動。

(4)光電傳感器選用光敏電阻。由于光敏電阻屬于無極性的奧姆結(jié)構(gòu)，因此其使用方便易行。其中，硫化鎘光敏電阻對于光波的敏感性約在400 nm～800 nm之間與太陽光的可見光波長范圍380 nm～760 nm基本吻合，光敏電阻的光譜特性曲線如圖5所示。

圖5 硫化鎘光敏電阻的光譜特性曲線

由于光敏電阻可以在串聯(lián)電路中直接以電壓的形式反應(yīng)光照的強(qiáng)度，因此可以使光電檢測電路更加簡單。并且光敏電阻成本較低，滿足本系統(tǒng)的要求，因此在本文中選用光敏電阻作為光電轉(zhuǎn)換器件。

(5)選用Atmega16單片機(jī)為控制核心。Atmega16單片機(jī)相比于一般8位單片機(jī)而言，定時計數(shù)器的功能更加強(qiáng)大，可以通過定時計數(shù)器與比較匹配寄存器相互配合生成PWM信號，利于簡化單片機(jī)對電機(jī)的控制程序[10]。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)太陽位置方位角-高度角計算公式編寫MATLAB程序，仿真圖像如圖6所示。

注：實(shí)線為高度角曲線，虛線為方位角曲線

由圖可知，太陽的高度角在一天中的變化速率是不同的。在10點(diǎn)至15點(diǎn)之間時由曲線斜率可知太陽高度角的變化速率較大，從日出時刻到10點(diǎn)，以及15點(diǎn)至日落的時刻太陽高度角的變化近似為一條直線，這期間太陽的高度角變化近似為勻速。而方位角的變化速率不大，近似可以視為勻速變化。

圖7為6月份太陽高度角-方位角與時間的關(guān)系曲線。

圖7 6月太陽高度角-方位角與時間的關(guān)系曲線

5 結(jié)論與展望

本文設(shè)計的雙軸太陽能跟蹤裝置，以視日運(yùn)行軌跡跟蹤為一級跟蹤，用光電跟蹤方式進(jìn)行二級跟蹤，實(shí)現(xiàn)了兩級精確跟蹤。系統(tǒng)運(yùn)行過程中充分考慮了產(chǎn)能與耗能的關(guān)系，通過對不同時間段內(nèi)跟蹤次數(shù)和跟蹤間隔的設(shè)定，達(dá)到了預(yù)測跟蹤的目的。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的太陽能跟蹤裝置可以精確的對太陽的高度角和方位角進(jìn)行實(shí)時快速的準(zhǔn)確跟蹤，具有較高的穩(wěn)定性，即使在陰云遮蔽等復(fù)雜天氣條件下也能正常、高效的吸收太陽能。設(shè)計運(yùn)用的光電跟蹤方案有效實(shí)現(xiàn)了光電信號的動態(tài)監(jiān)測和裝置的動態(tài)調(diào)節(jié)控制。采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，降低了裝置的成本，且實(shí)現(xiàn)了高精度的自動跟蹤，適合在太陽能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

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