基于DSP的太陽(yáng)能雙軸跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張國(guó)新，楊 勇

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

太陽(yáng)能是用之不竭的可再生能源，采用太陽(yáng)能發(fā)電可以避免對(duì)煤炭、石油、天然氣等不可再生能源的依賴(lài)，因此太陽(yáng)能發(fā)電是解決當(dāng)前能源危機(jī)的重要途徑之一，受到全世界的普遍重視并得到迅速發(fā)展[1]。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)發(fā)電成本有望接近化石燃料發(fā)電的技術(shù)，更具良好的發(fā)展前景。本文以TMS320F2812DSP 為控制核心，采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡和光電混合跟蹤兩者混合的方式，控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，來(lái)調(diào)整集熱器的高度角和方位角，來(lái)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行雙軸跟蹤。相關(guān)理論分析表明，相同條件下，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行雙軸跟蹤比采用固定跟蹤方式能量接收率提高37.4%，從而大大提高發(fā)電量，降低成本，拓寬太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域[2]。

1 雙軸跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 太陽(yáng)跟蹤方式的確定

跟蹤系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分法，按太陽(yáng)入射光線(xiàn)和反射鏡主光軸的位置關(guān)系可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤；根據(jù)跟蹤方法的不同也可以分為光電跟蹤、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤（程序跟蹤）和兩者混合跟蹤。

單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽(yáng)，而在高度角作季節(jié)性調(diào)整。雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個(gè)方向跟蹤太陽(yáng)軌跡。因此，雙軸跟蹤的效果優(yōu)于單軸跟蹤。光電跟蹤裝置大多使用光敏傳感器，傳感器的按照靠近遮光板，調(diào)整遮光板的位置使遮光板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)、傳感器處于陰影區(qū)，當(dāng)太陽(yáng)移動(dòng)時(shí)，傳感器受到日光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整角度是跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)完成跟蹤。光電跟蹤優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，缺點(diǎn)是受天氣影響大，陰雨天時(shí)無(wú)法對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作[3]。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤（程序跟蹤）是根據(jù)太陽(yáng)的實(shí)際運(yùn)行軌跡，按預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤裝置跟蹤太陽(yáng)。這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，缺點(diǎn)是存在積累誤差并且自身不能消除[4]?；旌细櫧Y(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)并克服了兩者的缺點(diǎn)，是跟蹤達(dá)到最佳效果[5]。因此，本次設(shè)計(jì)使用雙軸跟蹤與混合跟蹤的控制方式。這種控制方式在實(shí)際應(yīng)用中采用較多，國(guó)外太陽(yáng)跟蹤裝置的精度最高已經(jīng)達(dá)到0.01°[6]。

1.2 跟蹤系統(tǒng)的組成

采用兩級(jí)混合跟蹤方法。第一級(jí)采用程序按視日運(yùn)動(dòng)軌跡控制跟蹤，第二級(jí)采用傳感器校正跟蹤。跟蹤系統(tǒng)由傳感器、DSP 控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和集熱器以及固定連接機(jī)構(gòu)組成。跟蹤系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

1.3 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤設(shè)計(jì)

太陽(yáng)每天東升西落，站在地球表面的人能夠觀測(cè)到太陽(yáng)有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤就是利用到太陽(yáng)有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，利用DSP 控制單元根據(jù)相應(yīng)的公式和參數(shù)，計(jì)算出白天太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置，在轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，以達(dá)到對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的目的。

地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的平面稱(chēng)為黃道面，地球自轉(zhuǎn)的平面稱(chēng)為赤道面，兩者之間形成的夾角稱(chēng)為赤緯角，用δ 表示。赤緯角每年隨陰歷陽(yáng)歷的節(jié)氣而變化，在春分和秋分兩天，赤緯角δ＝0°，太陽(yáng)光正午直射赤道，地球南北半球晝夜時(shí)間相等；夏至?xí)r，太陽(yáng)光正午直射北回歸線(xiàn)，δ=23.44°；北半球晝長(zhǎng)夜短達(dá)最大值，北極部分區(qū)域?yàn)槿讜儯欢習(xí)r，太陽(yáng)光正午直射南回歸線(xiàn)，δ=-23.44°，南半球晝長(zhǎng)夜短達(dá)最大值，南極部分區(qū)域?yàn)槿讜?。地球赤緯角的近似表達(dá)式為[7]

式中，δ—太陽(yáng)赤緯角，0°角位置點(diǎn)在每日正午，-23.44°≤δ≤23.44°；n—一年中的第n 天，一月一日時(shí)n=1。該公式在太陽(yáng)能熱發(fā)電計(jì)算中精確度是足夠的，全年誤差平均值為1.71%；在春分δ=0°點(diǎn)計(jì)算值相對(duì)誤差為1.72%，夏至?xí)r基本無(wú)誤差；秋分點(diǎn)δ=0°計(jì)算值誤差為4.3%，冬至的極值點(diǎn)誤差為0.02%。

根據(jù)地平坐標(biāo)系的計(jì)算方法，在地球任意一點(diǎn)位置處，要確定太陽(yáng)的位置，只要確定太陽(yáng)的高度角和方位角，太陽(yáng)和地球之間的相對(duì)位置就確定了。太陽(yáng)高度角定義為地球任意一點(diǎn)位置和太陽(yáng)的連線(xiàn)與水平面投影線(xiàn)之間的夾角，用αs表示，以地平圈向天頂方向?yàn)檎仄饺σ韵聻樨?fù)。太陽(yáng)高度角計(jì)算表達(dá)式為[7]

式中，αs—太陽(yáng)高度角；φ—地理緯度 （-90°≤φ≤90°）；δ—太陽(yáng)赤緯角 （-23.45°≤φ≤23.45°）；ω—太陽(yáng)時(shí)角，因?yàn)榈厍蛎?4h 自轉(zhuǎn)1 圈，所以每15°為1h；且正午時(shí)ω=0°，上午時(shí)ω＞0°，下午時(shí)ω＜0°，則ω 可由下式計(jì)算得到：

式中： t—北京時(shí)間 （h）。

現(xiàn)實(shí)中由于太陽(yáng)在一年中的時(shí)角運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時(shí)間采用平均太陽(yáng)時(shí)t（簡(jiǎn)稱(chēng)平太陽(yáng)時(shí)），即太陽(yáng)沿著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率。真太陽(yáng)時(shí)t0與平太陽(yáng)時(shí)之差即稱(chēng)為時(shí)差，在工程計(jì)算中就會(huì)存在時(shí)差問(wèn)題。因此，必須采用真太陽(yáng)時(shí)，以達(dá)到實(shí)際計(jì)算中的精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽(yáng)時(shí)，可以根據(jù)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校正時(shí)差值，我國(guó)區(qū)域的時(shí)差e 確定如下[8]：

式中，Lloc—當(dāng)?shù)亟?jīng)度。這樣，太陽(yáng)時(shí)角ω 為：

太陽(yáng)方位角定義為地球任意一點(diǎn)位置處和太陽(yáng)的連線(xiàn)在水平面投影線(xiàn)與正南方向的夾角，用γS表示，以正南方向向東為負(fù)，向西為正，太陽(yáng)方位角計(jì)算表達(dá)式為：

為了精確跟蹤太陽(yáng)的位置，除了要計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置之外，還需要知道具體某天的日出時(shí)角ω1和日落時(shí)角ω2。由于日出日落時(shí)，太陽(yáng)高度角αs=0°，由式（2）得：

又由于上午時(shí)ω＞0°，下午時(shí)ω＜0°，可得到日出和日落時(shí)角的表達(dá)式為：

再根據(jù)式（6）可以得到日出時(shí)間T1和日落時(shí)間T2為：

1.4 光電傳感器跟蹤設(shè)計(jì)

雙軸跟蹤控制系統(tǒng)的光電傳感器的俯視圖如圖2 所示。其中4 個(gè)光電傳感器A、B、C、D 封裝在集熱器底部的上下左右四個(gè)方位，集熱器底部距離頂部有一定的高度可遮擋斜射進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光，圖中陰影部分為太陽(yáng)光直射的區(qū)域，當(dāng)陽(yáng)光沒(méi)有全部射到集熱器上的陰影區(qū)域時(shí)，A、B、C、D四個(gè)傳感器中的一個(gè)或幾個(gè)會(huì)被陽(yáng)光照射而產(chǎn)生偏差信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)對(duì)集熱器的位置進(jìn)行調(diào)整[9]。

圖2 光電傳感器俯視圖Fig.2 The vertical view of photoelectric sensor

1.5 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能雙軸跟蹤控制系統(tǒng)采用TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為核心控制器。它集成了事件管理器、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、SCI 通信接口、SPI 外設(shè)接口、e-CAN 總線(xiàn)通信模塊、看門(mén)狗電路、通用數(shù)字I/O 口、多通道緩沖接口、外部中斷接口等多種功能模塊，具有精度高、速度快、集成度高等特點(diǎn)。由于太陽(yáng)能雙軸跟蹤控制系統(tǒng)需要對(duì)太陽(yáng)的高度角和方位角做大量的運(yùn)算，同事也需要對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的跟蹤，所以本次設(shè)計(jì)采用TMS320F2812DSP 作為控制器。

本次設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能雙軸跟蹤控制系統(tǒng)要求DSP 在運(yùn)算時(shí)要與實(shí)際時(shí)間同步，這樣才能準(zhǔn)確的判斷太陽(yáng)的高度角與方位角，所以需要在DSP 控制器上加一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，以保證控制器的系統(tǒng)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間完全一致。本次設(shè)計(jì)選用了實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1226，圖3 所示為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的硬件原理圖，其具有時(shí)鐘和日歷的功能，時(shí)鐘通過(guò)時(shí)、分、秒寄存器來(lái)跟蹤，日歷通過(guò)日期、星期、月和年寄存器來(lái)跟蹤，并具有自動(dòng)閏年修正功能，擁有強(qiáng)大的雙報(bào)警功能，精度可到1s，晶振選用32.768kHz。X1226 的存儲(chǔ)器屬于SRAM 結(jié)構(gòu)，因此必須要配有電池，以保證時(shí)間信息不丟失[10]。

傳感器的檢測(cè)電路如圖4 所示，光電二極管A 和B檢測(cè)太陽(yáng)高度，光電二極管C 和D檢測(cè)太陽(yáng)的方位。當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射到集熱器表面時(shí)，A 和B 接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相同，經(jīng)比較器后輸出信號(hào)為零；當(dāng)太陽(yáng)光偏離集熱器主軸時(shí)，A 和B 接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同，經(jīng)比較器后輸出偏差信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)偏差信號(hào)的正負(fù)和大小決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。信號(hào)差除以最小分辨率就得到步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行的步數(shù)。

圖3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的硬件原理圖Fig.3 Principle diagram of real-time clock hardware

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能雙軸跟蹤控制系統(tǒng)采用的控制器為數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），DSP 主要完成的任務(wù)是控制步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和分配，包括： 計(jì)算太陽(yáng)運(yùn)行軌跡及太陽(yáng)角度差，發(fā)出一級(jí)調(diào)整信號(hào)；計(jì)算處理傳感器偏差信號(hào)，發(fā)出二級(jí)校正信號(hào)。DSP 使用的編程語(yǔ)言為C 語(yǔ)言，根據(jù)上述跟蹤原理及參數(shù)的計(jì)算算法，具體過(guò)程如下： 首先DSP 通過(guò)讀取系統(tǒng)時(shí)間及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度計(jì)算出當(dāng)天的赤緯角、日出時(shí)間、日落時(shí)間。然后將日出和日落時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行比較，判斷出此時(shí)太陽(yáng)的狀態(tài)，如果還沒(méi)有日出，則繼續(xù)等待；如果已經(jīng)日落，則結(jié)束本次控制；如果在日出與日落之間，則開(kāi)始對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤。跟蹤過(guò)程分為一級(jí)跟蹤和二級(jí)跟蹤，首先需要DSP 計(jì)算出此時(shí)的方位角和高度角，通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為所需要的脈沖來(lái)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行一級(jí)跟蹤，然后傳感器系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)集熱器與太陽(yáng)光的偏差，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖來(lái)控制集熱器完成二級(jí)跟蹤?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

圖4 傳感器檢測(cè)電路圖Fig.4 Sensor detection circuit

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種太陽(yáng)能雙軸跟蹤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一級(jí)視日運(yùn)動(dòng)軌跡 （程序控制） 跟蹤和二級(jí)傳感器校正跟蹤結(jié)合的控制方式對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，從而提高了發(fā)電效率。系統(tǒng)以TMS320F2812DSP 作為核心控制器，通過(guò)理論計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置并轉(zhuǎn)化為脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置跟蹤太陽(yáng)完成一級(jí)跟蹤，再通過(guò)傳感器校正發(fā)出的

偏差信號(hào)來(lái)校正跟蹤裝置完成二級(jí)跟蹤，該自動(dòng)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性高，可靠性強(qiáng)，即使在天氣變化復(fù)雜的情況下也能正常工作，有利于提高太陽(yáng)能的利用效率。

圖5 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.5 Program flowchart of the control system

[1] 紀(jì)軍，何雅玲.太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)戰(zhàn)略研究[J].中國(guó)科學(xué)基金，2009，6.

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[10] 顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2011.