廣角度太陽光智能跟蹤系統(tǒng)

劉明強，劉 進，龍海芳，劉 迅，張正祥

(貴州省電子工業(yè)研究所，貴州貴陽550004)

0 引言

在能源與環(huán)境問題成為當(dāng)今世界面臨的兩個重要挑戰(zhàn)時，充分利用取之不盡，用之不竭的太陽能將成為人類必然的選擇。目前太陽能利用，主要有太陽能直接利用(太陽能熱水器)、將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?光熱發(fā)電、光伏發(fā)電)等，要有效提高太陽能利用率，光跟蹤系統(tǒng)必不可少。目前太陽光跟蹤系統(tǒng)都需要根據(jù)安放點的經(jīng)緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟件中，都要靠計算該固定地點每一時刻的太陽位置以實現(xiàn)跟蹤。且大多采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地區(qū)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和設(shè)定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新計算參數(shù)、設(shè)定數(shù)據(jù)和調(diào)整各個參數(shù)；原理、電路、技術(shù)、設(shè)備都比較復(fù)雜的太陽光跟蹤系統(tǒng)，非專業(yè)人士不能夠隨便操作。

1 感光元件

感光器件主要分為兩類：1)光敏電阻；2)光敏電池。

光敏電阻，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻，其阻值隨入射光的強弱而改變，具有以下特點：光譜響應(yīng)寬；測試光強范圍寬，即可對強光響應(yīng)，也可對弱光響應(yīng)；無極性區(qū)分，使用方便，成本低，壽命長；靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安[2]。

光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。其特點是：光生電動勢在光照為2000 lx時趨向飽和，即強光不敏感；作為測控元件使用時其特性隨溫度而變化，溫度漂移較大，需采取溫度補償措施或保持溫度恒定，設(shè)計相對復(fù)雜[3]。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件采用控制部分和光感采集部分分離設(shè)計，控制器部分主要由限位控制、手動調(diào)整、自動跟蹤、開關(guān)控制量、傳感器控制、供電部分、處理器和上行通信部分組成；光感采集部分由采集部分、通信供電部分和處理器部分組成。

控制器部分采用IP65設(shè)計，外部采用一個5芯防水航空接頭與傳感器連接，5芯信號分別為電源正、電源負(fù)、外殼接地、數(shù)據(jù)正、數(shù)據(jù)負(fù)；一個供電開關(guān)；兩路(水平方位和仰角高度)手動調(diào)整開關(guān)； 兩個防水接線孔。

光感采集部分采用IP66設(shè)計，外部使用一個5芯防水航空接頭與控制器連接，5芯信號分別為電源正、電源負(fù)、外殼接地、數(shù)據(jù)正、數(shù)據(jù)負(fù)；其供電部分采用DC 5V供電，防止由控制器提供經(jīng)導(dǎo)線(不同長短、大小)造成的供電不穩(wěn)，內(nèi)部2.5V～5.5V輸入，輸出5V的電源重生供電處理，其工作時間由控制器決定，如在夜晚將對其斷電，次日日出前重新通電對日進行監(jiān)測。其系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 光感采集框圖

2.1 廣角度光感設(shè)計

感光器件選擇。自然光照強度，黑夜為：0.00～0.02lx；月夜：0.02～0.3lx；陰天室內(nèi)：5～50lx；陰天室外：50～500lx；晴天室內(nèi)：100～1000lx；夏季中午太陽光下：30000～300000lx。根據(jù)使用環(huán)境要求，感光器件選用光敏電阻。

感光器結(jié)構(gòu)：采用兩個四象限區(qū)域，通光的直線傳播，實現(xiàn)對太陽光廣角度和精準(zhǔn)跟蹤。如圖2、3， 當(dāng)光線射入廣角度光線感知范圍時，由“五個位置-四象限”粗調(diào)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)廣角度光線感知，如圖3和4所示，將器件“粗上”和“粗上1”采用最大值法形成一個象限，參與器件“粗下”、“粗東”和“粗西”組成四象限結(jié)構(gòu)?！按稚稀焙汀按窒隆苯M成垂直高度角粗調(diào)感應(yīng)對比，實現(xiàn)向下75°，向上165°，即垂直高度角240°廣范圍感知；“粗東”和“粗西”組成水平方位角粗調(diào)感應(yīng)對比，實現(xiàn)向東75°，向西75°，即水平方位角150°廣范圍感知。輸出光強對比信號，由控制器處理并控制伺服機構(gòu)，驅(qū)動裝置進行姿態(tài)調(diào)整使其進入精調(diào)范圍，粗調(diào)階段完成。

圖2 光感分布圖(俯視) 圖3 光線感知范圍圖(左視)

當(dāng)光線直接射入(或經(jīng)粗調(diào)后射入)精調(diào)光線感知范圍時，粗調(diào)停止，進入精調(diào)階段。如圖3和4所示，由“四象限”精調(diào)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光線精準(zhǔn)感知，“精上”和“精下”組成垂直高度角精調(diào)感應(yīng)對比，實現(xiàn)向下20°，向上20°，即垂直高度角40°范圍內(nèi)的精準(zhǔn)感知；“精東”和“精西”組成水平方位角精調(diào)感應(yīng)對比，實現(xiàn)向東20°，向西20°，即水平方位角40°范圍精準(zhǔn)感知。輸出光強對比信號，由控制器處理并控制伺服機構(gòu)，驅(qū)動裝置進行姿態(tài)調(diào)整使其精準(zhǔn)跟蹤太陽。

2.2 控制部分設(shè)計

系統(tǒng)采用“可設(shè)時段+閉環(huán)系統(tǒng)”方式設(shè)計。可設(shè)時段，指在不同的地區(qū)春夏秋冬四季跟蹤開始和停止的時段可以設(shè)置[6]。閉環(huán)系統(tǒng)，是指系統(tǒng)處于跟蹤時段內(nèi)，由感光部分采集當(dāng)前跟蹤位置信息→控制部分根據(jù)位置信息處理是否要姿態(tài)調(diào)整：①不調(diào)整→進入時間間隔(根據(jù)精度要求設(shè)定)→感光部分采集當(dāng)前跟蹤位置信息；②要調(diào)整→根據(jù)位置信息處理情況，驅(qū)動雙軸傳動裝置進行一次水平方位和垂直高度姿態(tài)調(diào)整→感光部分采集當(dāng)前跟蹤位置信息[4-5]。其系統(tǒng)框圖如圖4。

限位設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計四路限位開關(guān)，分別是東、西和上、下限位，均采用常閉設(shè)計。通過光電隔離，采用微小信號控制大電流，高優(yōu)先級硬件控制電機驅(qū)動使能。當(dāng)外部限位裝置沒安裝時，內(nèi)部限位端口處于開路狀態(tài)，所對應(yīng)電機驅(qū)動是被禁止的。

圖4 系統(tǒng)框圖

圖5 H橋示意圖

電機驅(qū)動部分。兩路(水平和俯仰)H橋驅(qū)動直流電機，通過H橋的通、斷組合狀態(tài)來實現(xiàn)用兩線控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，如圖5，Q1、Q4，Q2、Q3都截止時，電機處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)Q1、Q4截止，且Q2、Q3導(dǎo)通時，電機往一個方向轉(zhuǎn)動；當(dāng)Q2、Q3截止，且Q1、Q4導(dǎo)通時，電機往另一個方向轉(zhuǎn)動。處理器通過基礎(chǔ)的日期時間、傳感器信號、限位狀態(tài)和手動控制狀態(tài)來控制H橋的通斷組合，實現(xiàn)對兩電機的驅(qū)動，完成對日跟蹤。在這過程中一定要注意Q1、Q4、 Q2、Q3截止和導(dǎo)通的時序，嚴(yán)禁Q1和Q2或Q3和Q4同時導(dǎo)通的情況。

2.3 傳動部分

選用雙軸回轉(zhuǎn)式減速器，有刷直流行星減速電機，回轉(zhuǎn)式減速器精度≤0.08°，減速比580∶1，額定電壓DC 24V，額定輸出轉(zhuǎn)速為0.048 rpm，1秒約轉(zhuǎn)動0.228°，將其轉(zhuǎn)動周期設(shè)為100 ms時，轉(zhuǎn)動角度約0.02°，其最小調(diào)整分辨率約為0.02°，保證了伺服調(diào)整精度[1]。太陽每秒轉(zhuǎn)過角度(360°+360°/365)/(24*60*60)=0.00418°。如要滿足精度為0.1°時，在跟蹤上的情況下約22 s必須調(diào)整姿態(tài)。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括：傳感器固件；控制器固件；上位機軟件。

3.1 傳感器固件

傳感器固件，其功能相對較少，主要功能有光信號采集和數(shù)據(jù)傳輸，采用無系統(tǒng)設(shè)計，對于數(shù)據(jù)采集使用DMA自動循環(huán)方式。具有結(jié)構(gòu)緊湊、容量小、效率高、穩(wěn)定等優(yōu)點。

3.2 控制器固件

圖6 流程圖

控制器固件，其功能相對較多，主要功能為傳感器信號采集、上位機通信、自動跟蹤處理、手動跟蹤處理、按鍵設(shè)置處理、顯示處理和參數(shù)設(shè)置保存等，采用μC/OS II(是一個可以基于ROM運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務(wù)內(nèi)核)系統(tǒng)平臺進行設(shè)計。主要創(chuàng)建4個任務(wù)來實現(xiàn)本系統(tǒng)功能，見圖6流程圖。

任務(wù)0：主要執(zhí)行上位機通信、接收傳感器數(shù)據(jù)處理、主動向上位機上傳信息控制和讀取設(shè)置參數(shù)。

任務(wù)1：主要執(zhí)行顯示處理、參數(shù)設(shè)置、主動采集傳感器數(shù)據(jù)控制和傳感器數(shù)據(jù)數(shù)字濾波處理。

任務(wù)2：主要執(zhí)行自動跟蹤處理、 維護處理和異常天氣接口處理。

任務(wù)3：主要執(zhí)行各種運行標(biāo)志設(shè)置/清零，時鐘讀取和看門狗處理。

3.3 上位機軟件

上位機軟件，采用基于.net架構(gòu)的平臺“Microsoft Visual Studio 2008”進行設(shè)計，主要功能包括跟蹤系統(tǒng)各種參數(shù)讀取和設(shè)置、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程跟蹤控制和通信日志記錄。其主要功能介面分為三個：“常規(guī)顯示”、“參數(shù)設(shè)置”和“通信日志”。

4 結(jié)論

經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)、現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和修正，以及現(xiàn)場試運行驗證，本系統(tǒng)能夠?qū)μ枌崿F(xiàn)實時跟蹤，精度高，反應(yīng)靈敏，快速定位，系統(tǒng)穩(wěn)定，沒有誤動作。實現(xiàn)成本低，安裝、調(diào)試簡單，易于維護。主要在光熱、以及光伏發(fā)電等太陽能應(yīng)用領(lǐng)域，有較大市場，能顯著提高太陽能的利用率。