全天侯太陽能自動跟蹤系統的研制

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.滄州市回民中學微機室，河北滄州 061001

全天侯太陽能自動跟蹤系統的研制

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.滄州市回民中學微機室，河北滄州 061001

全天候太陽能自動跟蹤技術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。太陽的赤緯角和日期有關，該日期是太陽時，通過微機對這些數據運算和實時處理，指揮伺服系統實現跟蹤。由于是通過運算得到的方位角所以使太陽能轉換器自始至終對準太陽，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，是一種既經濟又無污染的綠色環保能源，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，也只是每平方米1kW的功率密度。根據光照度理論，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、光熱能量轉換也將大幅提升。因此，太陽能自動跟蹤技術，在太陽能的開發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之一。

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

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

1 全天侯太陽能自動跟蹤系統

1.1 工作原理

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

cosA=（sinh⊙sinφ-sinδ）/cosh⊙cosφ

時角有關，其公式為：式中h和A分別是太陽的高度角和方位角，φ為當地的地理緯度，δ就是太陽赤緯角，τ為當時的太陽時角。太陽赤緯角與日期有關，太陽時角與時間和太陽能裝置所在地的經度有關。盡管這些數學關系相當復雜，計算量很大，但完全可以使用計算機去處理，只有我們把這些數據儲存在微處理器芯片中，由微處理器根據當地緯度、經度和當前的日期、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一定的角度，使太陽能裝置始終與太陽光垂直。這種以現代計算機技術和天文物理相結合設計的太陽能自動跟蹤控制系統與模擬電子控制系統相比，具有很多優點，是模擬電子系統所無法比擬的。代表著太陽能自動跟蹤控制系統的最高水平。

1.2 研究系統的特點

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

2）這種控制系統安裝時，只需要將本地的緯度、經度和當前的日期、時間輸入到系統中即可，不需要調試，操作使用十分方便。由于沒有復雜的模擬電路，不需要信號檢測和處理，控制系統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芯片的成本低，且這種控制系統不需要安裝室外傳感器，因此總體成本要比模擬控制系統低的多。尤其是一個控制系統可以同時控制多個太陽能接收裝置，使它的優越性十分明顯；

4）由于單片機可以每分鐘或每10min對系統做一次控制，時間間隔可由軟件根據需要設置，平時處于睡眠狀態，控制電機運行時間不超過幾秒鐘，平時系統不帶電，日落后系統自動處于關閉狀態，第二天太陽日時自動啟動，因此該系統十分省電，屬于低功耗設備。

2 太陽能控制系統的設計

太陽能控制系統的設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。

2.1 硬件設計的主要內容

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

2.2 軟件的設計的主要內容

1）操作系統的程序設計即人機對話界面的程序設計；2）步進電機驅動程序的設計—與步進電機性能、型號、機械傳動裝置和控制精度有關；3）太陽高度角、方位角的計算和數據處理相關程序設計，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整相關程序。

（1）太陽能自動跟蹤控制系統的核心-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品，采用RISC結構，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結構單片機速度的10倍，它具有128k程序存儲器、4K的EEROM、53個I/O口、6種節電模式、64腳TQFP封裝，支持SPI接口實現在線系統編程，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、方位角龐大數據處理的要求。

（2）太陽能自動跟蹤控制系統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。該芯片采用內置晶振和獨特的數據方法，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、方位角的計算和數據庫的處理，這是本項目的技術核心所在。太陽高度角、方位角與地理緯度、經度、日期、時間、太陽的赤緯角有關，其關系式屬于天文物理知識范疇，十分復雜，運算量很大，必須用科學的計算方法、嚴謹的數據處理和嚴密的程序邏輯結合起來，才能滿足微處理器性能的要求和工程精度的要求。由于計算公式復雜、運算量大，擬采用利用PC機和單片機相結合的方法來完成。

（4）步進電機的驅動和精度控制

步進電機及其驅動盡可能采用專業生產步進電機的公司和相關配套驅動模塊。步進電機種類繁多，在步進電機和驅動模塊的選擇上，必須能夠滿足我們系統的機械傳動特性和控制精度要求，然后根據公司提供的步進電機和驅動模塊的技術指標，完成和系統的電路銜接和相關程序的編寫，并完成運行調試，使系統運行滿足設計要求。該控制系統采用定偏差跟蹤技術，使控制精度始終處于規定的范圍，減少了電機運行的次數和時間，降低了電機能耗，采用旋轉編碼器和接近開關，實現位置數據反饋，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計

機械部分和傳動裝置由課題組設計，用外協方式完成制作。該部分技術要求由太陽能裝置負載的大小、體積大小、外部形狀、安裝環境等具體指標決定。

（6）其他部分的設計

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度的輸入。

其控制精度完全可以達到或超過現在模擬控制系統的技術指標，但可靠性和穩定性等其他技術指標是模擬系統無法比擬的，整機控制精度只取決于機械設計的精度，與控制系統微處理器部分無關。因此可根據工程需要設計跟蹤精度，以達到較高的性價比。

太陽能自動跟蹤技術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。太陽的赤緯角和日期有關，該日期是太陽時，和我們所用的日歷是不同的。因為太陽公轉周期和我們日歷中的一年是不等的，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，還和當地的經度有關也需要通過復雜的運算來完成。這些復雜運算的方法和龐大的數據的處理，不僅要求準確可靠，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容之一。使太陽能轉換器自始至終對準太陽，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.太陽能應用技術[M].中國農業機械出版社，1982，7.

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

TK6

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.1674-6708（2011）52-0089-02