一種基于耦合追蹤策略的太陽追蹤系統設計

田輝　曼茂立　蘇晨陽　劉帥

摘 要：基于耦合的太陽追蹤策略文章開發了一套單片機控制下的雙軸太陽追蹤系統。追蹤過程中首先采用視日軌跡追蹤法對太陽位置進行初步跟蹤，此后依靠自主設計的光敏傳感器對追蹤過程進行精確調整；執行機構通過渦輪蝸桿傳動及絲杠螺母傳動分別實現在方向角及高度角方向對太陽的追蹤，該系統可實現1度的太陽追蹤精度，可為提高太陽能利用率提供有效解決方案。

關鍵詞：視日軌跡追蹤；光敏傳感器；單片機；雙軸

前言

隨著能源問題的日益嚴峻，對以太陽能為代表的可再生資源的研究與開發不斷受到國內外專家學者及相關企業的關注[1]。雖然太陽能資源總量巨大，然而限于其能量密度較低、間歇性強等特點給太陽能資源的開發帶來了巨大的挑戰。隨著太陽自動跟蹤系統的應用，太陽能資源的利用效率得到了顯著提升。研究發現采用單軸追蹤系統效率可提升達20%，而采用雙軸追蹤系統效率提升可超過30%[2]。限制太陽能利用效率進一步提升的主要因素在于太陽軌跡追蹤策略的精度及穩定性，文章基于耦合的太陽追蹤策略設計一種高精度的太陽自適應跟蹤系統。

1 系統總體設計

文章所設計的太陽自適應追蹤系統主要由太陽追蹤系統、控制系統及執行機構組成。首先通過對太陽軌跡的實時求解以及光電傳感器的精確修正，得到電池板理論最佳朝向。控制系統基于單片機根據電池板當前朝向及理論最佳朝向的相對關系，獲得驅動相應步進電機運行的脈沖信號進而通過傳動系統帶動電池板調整到最佳朝向。追蹤策略是影響整個系統精度的主要因素，文章通過視日軌跡追蹤法與光電追蹤法相結合的追蹤策略來保證系統的整體精度，通過常用的單片機stm32作為控制核心分別對控制太陽高度角方向及方位角方向的步進電機進行控制實現太陽的實時追蹤。圖1給出了系統運行的總體流程。

2 太陽追蹤系統設計

文章采用視日軌跡追蹤法[3，4]及光電追蹤法[5，6]的耦合策略對太陽運行軌跡進行追蹤，此耦合方法既保證操作運行的簡潔性又可實現閉環控制，可有效地實現太陽軌跡的精確追蹤。

2.1 視日軌跡追蹤

視日軌跡追蹤法是根據日地之間的相關運動規律，采用一定的天文算法對太陽位置進行求解而實現對太陽跟蹤的一種方法。相對于地球可用方位角 及高度角 兩個參數描述太陽的具體位置，其函數關系[3]如方程（1）所示：

式中：？鬃表示研究點所處緯度；？啄表示赤緯角；？棕表示太陽時角。

研究點所處緯度？鬃及太陽時角？棕均是固定的，而由于日地復雜的軌道運動特點需要對赤緯角？啄進行實時修正。在以往的研究中學者們提出了一系列高效求解赤緯角的方法，如Cooper、Lamm、Michalsky、Bourges等學者提出的求解方法，基于對各算法計算精度及計算資源消耗的對比分析，文章采用Bourges算法。

2.2 光電追蹤

為了保證太陽追蹤精度文章開發一種基于光敏電阻的筒式光電追蹤傳感器，其結構簡圖如圖2所示。

筒形遮光罩頂部中心開有直徑為D的圓孔，光線可沿此孔透射入遮光罩底部的光敏電阻上。文章采用4個光敏電阻進行探測，通過受光及非受光電阻的電位差產生驅動信號，從而控制電池板的精確追蹤。此傳感器的搜索范圍受遮光罩高度L，光敏電阻大小以及光敏電阻間徑向距離R影響。為保證光電傳感器與視日軌跡追蹤法連續運行，光電傳感器的搜索范圍應介于目標追蹤精度與視日軌跡追蹤精度之間。選擇通用的？準5mm光敏電阻，太陽的目標追蹤精度設為1度，則遮光罩高度L及光敏電阻徑向距離R可分別取：230mm、8mm，并取遮光罩頂端孔直徑D=10mm。如圖3所示為光電傳感器內光敏電阻的電路圖。

2.3 單片機追蹤控制

系統對太陽的自動追蹤分兩步進行：首先根據公式（2）所示規律實時計算所在地區的太陽高度角及方位角，通過與上一時刻高度角及方位角的比較而獲得完成當前時刻追蹤所需的調整量，從而可基于傳動部分的傳動特性計算出兩個步進電機所需的脈沖數。第二步通過光電傳感器追蹤實現整個追蹤過程的閉環控制。如圖3所示，當電池板與太陽光線不垂直時光敏電阻5和光敏電阻6兩端所形成的電勢差將驅動步進電機帶動電池板沿方向角方向旋轉，同理光敏電阻4和光敏電阻7兩端所形成的電勢差將驅動步進電機帶動電池板沿高度角方向旋轉，從而對第一步追蹤進行精確閉環校正，以實現±1度的追蹤精度。

我國北方地區太陽相對地球運動1度的時間約為5分鐘，所以文章開發的控制系統每5分鐘對電池板的朝向進行一次調整。內置的時鐘系統可根據當地日出及日落的時間控制追蹤系統的啟閉。

3 傳動系統設計

如圖4所示，太陽追蹤系統的傳動部分由底部的蝸輪蝸桿傳動及頂部的絲杠螺母傳動實現。方位角方向的運動由底部渦輪蝸桿傳動實現，步進電機驅動下蝸桿軸帶動渦輪軸旋轉，從而實現上端平臺沿著渦輪軸水平旋轉。高度角方向的運動由頂部絲杠螺母傳動實現，步進電機驅動絲杠的旋轉驅動螺母運動帶動鉸鏈上的電池板改變傾斜角度。針對實際需要方位角方向設置可旋轉180度，高度角方向可在15度-75度范圍內調整，以滿足我國北方地區的太陽追蹤要求。兩種傳動形式均具有良好的自鎖性能，可使得太陽能電池板在運行過程中免受風等外力的影響而改變朝向，保證電池板的位置精度。

4 結束語

文章開發了一套雙軸太陽自動跟蹤系統，該系統基于stm32單片機對步進電機進行控制，分別驅動渦輪蝸桿及絲杠螺母使得太陽能電池板水平的沿高度角方向旋轉180度，高度角方向調整60度。追蹤過程首先基于理論公式進行視日軌跡追蹤，再通過自行設計的光電傳感器對太陽位置做進一步閉環校正。本系統可保證太陽追蹤精度在 1度范圍內，可為太陽能的大規模高效利用提供可行方案。

參考文獻

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