校 準(zhǔn) 式 太 陽(yáng) 能 跟 蹤 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)

張 卉， 朱 武， 宋思遠(yuǎn)， 鄧安全

(上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展以及人口的日益增多，人類對(duì)能源的需求日益增加，年增長(zhǎng)率甚至達(dá)到5%～6%[1]，而傳統(tǒng)的化石能源都是不可再生能源，正在日趨枯竭，各國(guó)面臨著巨大的能源危機(jī)；另一方面，煤炭、石油和天然氣等常規(guī)能源在使用過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境[2]。因此，各國(guó)都在尋找既可再生又無(wú)污染的新能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等。其中，太陽(yáng)能作為一種儲(chǔ)量豐富、無(wú)污染且應(yīng)用方便無(wú)需運(yùn)輸?shù)男履茉?，在新能源開(kāi)發(fā)方面有很大優(yōu)勢(shì)[3]。各國(guó)對(duì)太陽(yáng)能的利用最為普遍，因此如何提高太陽(yáng)能利用效率也成了各國(guó)研究的重點(diǎn)[4]，近年來(lái)與太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)相關(guān)的課題很多。我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)展技術(shù)雖然起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，技術(shù)、規(guī)模還有很大差距，但是近年來(lái)，隨著越來(lái)越多的專家和學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的研究，我國(guó)太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)取得了飛速發(fā)展。據(jù)相關(guān)研究表明：跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用到太陽(yáng)能光伏發(fā)電電池板陣列中,此模式可以比固定模式的發(fā)電效率提高33%[5]。但是，幾乎所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都沒(méi)有考慮到校準(zhǔn)的問(wèn)題[6-8]。本文從太陽(yáng)能跟蹤校準(zhǔn)的角度出發(fā)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)跟蹤的同時(shí)，通過(guò)不斷校準(zhǔn)來(lái)提高其跟蹤精度，進(jìn)一步消除累積誤差。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)是將光電跟蹤模式和太陽(yáng)角度跟蹤模式相結(jié)合的雙軸式太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。光電跟蹤模式是閉環(huán)控制，可以消除誤差且反應(yīng)迅速；但是此模式容易受天氣影響，遇到多云或陰雨天時(shí)容易出現(xiàn)誤跟蹤[9]。太陽(yáng)角度跟蹤模式是開(kāi)環(huán)控制，該模式不受天氣影響，只要根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角即可實(shí)現(xiàn)跟蹤，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，但是此模式是開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有反饋，容易造成累積誤差。所以本文設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)是將兩種模式結(jié)合起來(lái)，這樣既可免受天氣影響又可以消除誤差[10]。同時(shí)加入校準(zhǔn)電路，進(jìn)一步消除誤差，提高跟蹤精度。

校準(zhǔn)式太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)主要由STC12C5A60S2型單片機(jī)、光電模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模塊、時(shí)鐘電路、校準(zhǔn)電路、人機(jī)接口電路及外圍電路組成。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 太陽(yáng)角度跟蹤設(shè)計(jì)

地球按照一定規(guī)律繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)地球繞太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律可以得出太陽(yáng)相對(duì)于地球的位置變化規(guī)律[11]。由此可以得出太陽(yáng)的高度角為

sinH=sinφsinα+cosφcosαcosω

(1)

式中：H為太陽(yáng)高度角；φ為地球上某一點(diǎn)的緯度值；α為赤緯角；ω為太陽(yáng)時(shí)角。

太陽(yáng)方位角計(jì)算式為

(2)

式中，β為太陽(yáng)方位角。

通過(guò)以上兩個(gè)公式，單片機(jī)可以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)角度模式的跟蹤。

3 光電跟蹤模式設(shè)計(jì)

3.1 光電傳感器設(shè)計(jì)

光電跟蹤模式主要是根據(jù)光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)位置的變化，然后通過(guò)控制器控制太陽(yáng)能電池板的高度角和方位角的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得電池板始終正對(duì)太陽(yáng)。其原理是在太陽(yáng)能電池板東西南北4個(gè)方向放置4個(gè)光敏二極管，光敏二極管截面與電池板平行。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光電傳感器輸出的信號(hào)大小不同，通過(guò)比較傳感器信號(hào)差判斷太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，由單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到跟蹤目的。平面圖如圖2所示。

圖2 光電傳感器平面圖

圖中，A、B、C、D是4個(gè)光敏二極管，位置上分別與東西南北方向的軸線平行，設(shè)計(jì)兩個(gè)暗筒，兩筒間的距離等于光敏二極管的直徑。這樣，當(dāng)光線垂直照射在其中一個(gè)光敏二極管上時(shí)，由于內(nèi)外筒的遮擋作用，其余二極管可能沒(méi)有陽(yáng)光照射或者只有少部分光線照射，就會(huì)形成壓差。當(dāng)有光線照射時(shí)，光敏二極管A、B、C、D對(duì)應(yīng)的電壓分別為UA、UB、UC、UD,UX、UY分別為方位角和高度角的偏差量。則UX、UY的表達(dá)式為

UX=UA-UC，UY=UB-UD

以方位角為例，假設(shè)太陽(yáng)高度角不變，且UY=0，即太陽(yáng)在南北方向的中軸線上，當(dāng)光電二極管A點(diǎn)接受的光照強(qiáng)度大于C點(diǎn)時(shí)，此時(shí)UX>0,輸出一個(gè)正信號(hào)給控制器，控制器驅(qū)動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)向東轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，當(dāng)UX<0時(shí)，跟蹤機(jī)構(gòu)向西轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)UY>0時(shí)，跟蹤機(jī)構(gòu)向北轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，跟蹤機(jī)構(gòu)向南轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2 光電傳感器參數(shù)分析

遮光筒的高度和半徑直接影響跟蹤的精度。如果遮光筒過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致同一時(shí)間4個(gè)二極管均沒(méi)有被光線照到，無(wú)法判斷旋轉(zhuǎn)方向及角度；如果遮光筒過(guò)低，則有可能同時(shí)照到東西或南北方向的光電二極管，且產(chǎn)生電壓相等，這時(shí)也無(wú)法判斷電池板旋轉(zhuǎn)方向。

當(dāng)傳感器軸線與太陽(yáng)光線不平行時(shí)，內(nèi)筒的陰影會(huì)遮擋住4片光電池中至少1片，導(dǎo)致4片光電池接受的光強(qiáng)不同，引起輸出電壓的差異[12]。光電跟蹤模式的側(cè)面圖如圖3所示。

圖3 光筒側(cè)面圖

內(nèi)側(cè)光桶半徑為r，光桶高為H。由圖3可知，傳感器可接收的最大入射角為β，如果入射角大于β，則光敏二極管均會(huì)被光筒的陰影遮擋住，即跟蹤精度為β。本文設(shè)計(jì)的跟蹤精度為2°，光筒高度H=160 mm，則有：tanβ=2r/H=tan 2°=0.035，r=2.8 mm≈3 mm。

外側(cè)遮光筒的半徑為內(nèi)側(cè)遮光筒的半徑加上光敏二極管的直徑。本文選取的光敏二極管型號(hào)為2CU2,其直徑為2 mm，因此外側(cè)遮光筒的半徑為5 mm。

3.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

當(dāng)光線照射到光敏二極管上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流，由于電流很小，所以通過(guò)LF444CN四運(yùn)放集成放大器先將電流轉(zhuǎn)換為電壓，再將電壓放大，放大后的東西(南北)方向電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)差分放大器后直接與單片機(jī)相連，單片機(jī)通過(guò)壓差信號(hào)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。東西方向信號(hào)處理電路圖如圖4所示。南北方向信號(hào)處理電路與東西方向信號(hào)處理電路相同。

圖4 信號(hào)處理電路圖

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)與時(shí)鐘芯片DS1302接口電路設(shè)計(jì)

本文的時(shí)鐘電路采用DS1302芯片，通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)連接，為系統(tǒng)提供秒、分、時(shí)、日、月、年的信息，還可以進(jìn)行閏年補(bǔ)償[13]。根據(jù)這些信息可以計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)角度跟蹤[14]。此芯片有2個(gè)電源引腳。DS1302由兩者中較大者供電，當(dāng)系統(tǒng)斷電或UCC2

4.2 單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文需要利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)達(dá)到使太陽(yáng)能電池板方位角和高度角轉(zhuǎn)動(dòng)的目的，但是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接連接交直流電源工作，必須通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)它才能工作。本文采用的是ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片和五線四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

4.3 單片機(jī)與人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

人機(jī)接口主要由LCD顯示電路和鍵盤(pán)電路組成。本文選用LCD12864液晶顯示模塊作為系統(tǒng)顯示模塊。該液晶顯示模塊是點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8 192個(gè)中文漢字(點(diǎn)陣)、128個(gè)字符(點(diǎn)陣)及點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)[16]。本文選用并行連接方式與單片機(jī)連接，主要用來(lái)顯示當(dāng)前日期、時(shí)間以及太陽(yáng)高度角和方位角，更直觀地了解當(dāng)前的跟蹤情況。

圖5 時(shí)鐘電路圖6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

按鍵電路是為了方便進(jìn)行人工調(diào)整，本文加入了4個(gè)獨(dú)立按鍵，分別控制東西南北4個(gè)方向，當(dāng)出現(xiàn)誤跟蹤等情況時(shí)，可以通過(guò)按鍵來(lái)使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。人機(jī)接口電路如圖7所示。

圖7 人機(jī)接口電路

4.4 單片機(jī)與ADXL202傳感器電路設(shè)計(jì)

雖然光電跟蹤模式可以消除累積誤差，但是，由于實(shí)際中元器件本身也會(huì)存在誤差以及外界環(huán)境的影響，有可能使得跟蹤精度降低?；诖耍疚募尤肓诵?zhǔn)電路，選用ADLX202雙軸傳感器。該傳感器可以同時(shí)測(cè)得2個(gè)相互垂直方向的加速度。由于重力加速度的方向始終垂直向下，如果空間平面不水平，那么重力加速度在該平面上的分量不為0；當(dāng)傳感器水平放置，即與重力方向相垂直時(shí)，加速度為0[17]。本文就是根據(jù)這一點(diǎn)來(lái)檢測(cè)正午時(shí)刻太陽(yáng)能電池板是否水平。將ADXL202傳感器固定在太陽(yáng)能電池板上，且與太陽(yáng)能電池板平行；同時(shí)還要保證ADXL202傳感器測(cè)量的兩個(gè)方向的加速度分別與太陽(yáng)能電池板的高度角軸線和方位角軸線平行。

晴天正午時(shí)刻太陽(yáng)在頭頂正上方，此時(shí)太陽(yáng)能電池板的東西軸方向是與地面平行的，即水平放置。在此方向上，ADXL202的傳感軸與重力矢量垂直，ADXL202對(duì)傾斜度變化的靈敏度最高。如果太陽(yáng)能電池板是水平放置的，則此時(shí)加速度傳感器的輸出值應(yīng)為0。利用這一點(diǎn)可以校正中午時(shí)刻太陽(yáng)能電池板是否水平。ADXL202傳感器連接圖如圖8所示。

圖8 ADXL202傳感器電氣連接圖

加速度信號(hào)帶寬由XFILT/YFILT引腳連接的濾波電容決定，由

可知，電容選取越小，信號(hào)帶寬越寬，分辨率越高。所以本文選取的電容CX=CY=0.1 μF，則帶寬為50 Hz。電容安裝時(shí)要注意位置盡可能靠近引腳，從而抑制噪聲。

ADXL202的帶寬選擇決定了測(cè)量精度。當(dāng)帶寬為50 Hz時(shí)，分辨率為0.4 mg[18]，本文設(shè)計(jì)的跟蹤精度為2°，此分辨率完全可以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。

RSET的阻值可選在0.5～2 MΩ，而且RSET盡量安裝在靠近T2引腳處，這樣分布，電容才會(huì)最小，從而減小對(duì)電路的影響。

T1是占空比調(diào)制周期，其大小由RSET確定，計(jì)算公式為T(mén)1=RSET/125。本文RSET選取125 kΩ，此時(shí)信號(hào)輸出周期為1 ms，頻率為1.0 kHz。

當(dāng)DCM輸出方波頻率大于模擬帶寬10倍以上時(shí)，測(cè)量精度比較理想，如此看來(lái)，T1越小越好，但是T1太小對(duì)計(jì)數(shù)器和微控制器的處理速度要求會(huì)很高，而實(shí)際中硬件的運(yùn)行速度會(huì)受到器件性能限制，所以本文選取周期為1 ms比較合理。

XOUT和YOUT直接接在單片機(jī)上，通過(guò)測(cè)量引腳上的高低電平持續(xù)時(shí)間來(lái)計(jì)算占空比，再進(jìn)一步計(jì)算出加速度值[19]。正午時(shí)，確認(rèn)加速度值是否為0，如果為0，說(shuō)明跟蹤系統(tǒng)跟蹤準(zhǔn)確，精度滿足要求。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文軟件部分用Keil軟件完成，用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，移植性好，程序執(zhí)行效率高。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套校準(zhǔn)式太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)。通過(guò)分析太陽(yáng)角度跟蹤和光電跟蹤兩種模式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了將兩種模式相結(jié)合的方案，分析了光電模式的參數(shù)設(shè)計(jì)；同時(shí)加入的校準(zhǔn)模塊每天可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次校準(zhǔn)，使得系統(tǒng)達(dá)到精度要求，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能利用效率。整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，程序編寫(xiě)容易，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全天候跟蹤，可應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電等場(chǎng)合，有利于推動(dòng)太陽(yáng)能的發(fā)展與利用。