新型太陽追蹤傳感器的設計與性能測試*

馬少卿，孫榮霞，王學軍

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071000)

新型太陽追蹤傳感器的設計與性能測試*

馬少卿，孫榮霞，王學軍

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071000)

太陽能追蹤傳感器的性能制約著太陽能跟蹤裝置的精度和跟蹤范圍。針對傳統光筒式傳感器測量范圍小、穩定性差等缺點，設計了一種改進型光筒傳感器。在室內對傳感器的測量范圍進行了測試，在室外測試了改進傳感器的閾值對跟蹤裝置的影響。將日梭萬年歷所計算的太陽高度角和方位角作為參考值。經測試，在12：40～14：40這段時間內，兩個傳感器的跟蹤誤差都比較小，傳統傳感器一天內的平均跟蹤誤差約為改進傳感器的2倍。同時改進傳感器很好地解決了光筒高度和測量范圍相互制約的問題。

太陽能；自動跟蹤；光電傳感器；測量

0 引言

視日軌跡跟蹤方式雖然可以進行全天候的跟蹤，但是存在累計誤差；而光電跟蹤方式陽光較為充足時有較好的跟蹤靈敏度和精度。光電跟蹤傳感器的性能制約著太陽能跟蹤系統的精度和跟蹤范圍。光電傳感器通常由若干個光敏電阻組成，然而不同的設計方式，傳感器的跟蹤精度和跟蹤范圍也會不同。文獻[1]將金字塔式與箱體式光電傳感器相結合，其機械設計較為復雜。文獻[2]將光筒式傳感器與金字塔式傳感器相結合，傳感器的內外采用了不同的光敏器件，傳感器的一致性有待提高。

通過上述分析設計了一種改進的光筒式光電傳感器。在室內對傳感器的測量范圍和響應速度進行了測試，在室外首先對傳感器的閾值進行了測量分析，在確定好閾值后，對比分析了傳統的光筒式傳感器與改進后的光筒式光電傳感器的跟蹤效果。經過測試，改進后的傳感器在測量范圍和測量精度上有了很大的改善。

1 光電傳感器的分類

太陽能電池板自動跟蹤裝置使用光電傳感器作為探測元件[3]，光電傳感器的精度和測量范圍直接影響跟蹤裝置的精度和穩定性[4]。

光筒探測器底部均勻放置著4塊光敏電阻，如圖1所示。當入射角度大于a時，光敏電阻D4和D2所受到的光照強度不同，則光敏電阻的值不同。

圖1 光筒式光電傳感器

由圖1可知，H為光筒的高度，h為光敏元件的高度，d為光敏元件的中心與筒壁之間的距離，定義入射光線與傳感器之間的夾角為a時，光線剛好能夠照射到兩個光敏電阻。入射角a的大小直接影響著系統跟蹤范圍，a角變大，H就必須減小，系統的跟蹤范圍變大，但是精度變低。a角變小，H增大，系統的跟蹤范圍變小，但是精度提高了。常用的光電傳感器的優缺點如表1所示。

表1 各種光電傳感器優缺點對比

2 光電傳感器的設計與性能測試

2.1室內系統測試

在室內分別對傳感器的測量范圍、分辨率、響應速度進行了測試。由于地球繞太陽的運動是有一定規律的[5]，要確定傳感器的測量范圍是否符合要求，需要知道固定地點太陽指向的變化規律。由文獻[6]可知方位角的跟蹤范圍達到[-89°，89°]即可滿足全國大部分地區的設計要求。

為了能夠準確地測量出東西方向上傳感器的跟蹤范圍，通過東西方向上的兩個光敏電阻的電壓差和模擬光源與光伏組件的夾角這兩個參數來進行觀察[7]。規定正午光伏組件與光源的夾角為0°，向西運動為負方向，向東運動為正方向。

首先調節模擬光源的位置為“正午”。然后調節光伏組件使光源垂直照射在光伏組件上。調節好位置后，通過調節擺桿上的交流電機，使模擬光源由正午向東運動。通過控制交流電機的接通時間，即可控制光源移動的角度。交流電機的額定轉速Va為1 350 r/min，減速箱的減速比Ka為1∶3 000。由式(1)計算可知擺桿每秒鐘轉動2.7°左右。

(1)

通過調節交流電機的接通時間，使光源在0～10°之間，每隔0.5°記錄一組光敏電阻的電壓差和轉動角度值。在11°～40°之間每隔1°記錄一組數據。光敏電阻電壓差和轉動角度關系曲線如圖2所示。

圖2 光敏電阻電壓差和轉動角度關系曲線

從圖2中可以看出，當光源與光伏組件之間的夾角為0～8°時，東西方向上光敏電阻的電壓差與夾角之間的關系類似于線性。這段范圍內傳感器的性能較為穩定，追蹤精度高。當夾角為8～40°時東西方向上的電壓差一直增大，且增加的幅度一直減小。當角度達到60°左右時東西方向上的電壓差接近于0°，這是由于遮光筒的存在。當光線達到一定的角度時，東西方向上的兩個光敏電阻均未受到光照。

根據圖2可計算出光源與光伏組件間的夾角從0°增加到60°，每增加一度所引起的電壓差變化值為多少。當夾角變化1°時所引起的電壓差變化的最小值為0.03 V，所以改進傳感器的分辨率應當小于等于1°。電壓變化的最大值為0.19 V，最小值為0.03 V，平均值為0.07 V。

2.2室外測試

2.2.1傳感器閾值的測試及結果分析

閾值是影響傳感器追蹤性能的主要參數[7]，并且閾值受系統的精度、外界環境等因素的影響。當傳感器應用于不同場合時，需要根據實際情況設置不同的閾值[8]。本次實驗是在秋冬季節進行的，光強偏弱，分別測量了三組閾值下系統的跟蹤精度。閾值的選取如表2所示。

表2 測控閾值的選取

日梭萬年歷是目前普遍認同的太陽高度角和方位角的計算軟件[9]，其精度高，結果可靠。本設計選取日梭萬年歷的計算值作為參考值。分別在3個晴天測量3組閾值下高度角和方位角的跟蹤曲線，時間段為11:00～16:00，每隔10 min測量一次光伏組件的高度角和方位角。圖3為不同閾值下系統的跟蹤誤差，圖3(a)表示方位角誤差，(b)表示高度角誤差。

圖3 三個閾值跟蹤誤差對比

從圖3中可以看到，無論取什么樣的閾值，跟蹤誤差都不是固定的，有很大的隨機性，但是基本會在某個范圍內波動[10]。在跟蹤過程中偶爾會出現誤差跳變的現象。圖3有一個共同點，在12:40～14:40這段時間內系統的跟蹤精度是最高的，因為這段時間內陽光相對充足，跟蹤效果最好。為了能夠更加直觀地觀察三組閾值下系統跟蹤誤差，現將跟蹤誤差的最小值、最大值和平均值進行了統計，如表3所示。

從表3中可以看到選用第三組閾值時系統的跟蹤誤差是最低的。閾值的設定需要根據不同的環境、跟蹤裝置的精度、設計的要求、應用的場合進行相應的調整[11]。

2.2.2改進光筒式和傳統光筒式傳感器測試及結果分析

通過上一小節的分析，將傳統光筒傳感器和改進后的光筒傳感器的閾值設定為東西方向0.3 V，南北方向0.45 V。分別將兩個傳感器安裝在硬件平臺上，在室外進行測量[11]。本實驗測試時間為11:00～16:00，每隔10 min 測量一組光伏組件的方位角和高度角。圖4為傳統光筒式傳感器的跟蹤誤差曲線和改進光筒式傳感器的跟蹤誤差曲線。圖4(a)表示方位角誤差，(b)表示高度角誤差。

圖4 改進光筒式與傳統光筒式傳感器跟蹤誤差對比

從圖4中可以看出，兩個傳感器都具有跟蹤誤差，這些誤差的出現不僅僅是由傳感器的誤差引起的，同時也有跟蹤裝置的機械誤差[12]，但是依然可以看出改進后的光筒式傳感器比傳統傳感器更加穩定。表4是經過多天測量分析得出的數據。

表4 改進光筒式與傳統光筒式傳感器跟蹤誤差

從表4可以看出，無論是傳統傳感器還是改進后的傳感器，其高度角的平均跟蹤誤差均小于方位角平均跟蹤誤差。傳統傳感器一天內的平均跟蹤誤差約為改進傳感器的2倍，由此可知改進后傳感器的測量精度和測量范圍有了很大的改善。

3 結論

太陽能跟蹤裝置的精度和跟蹤范圍主要與跟蹤傳感器的精度和測量范圍、跟蹤裝置的機械設計、跟蹤算法有關[13]。本設計主要討論跟蹤傳感器的閾值對跟蹤裝置的影響。經測試，在12：40～14：40這段時間內兩個傳感器的跟蹤誤差都比較小，傳統傳感器一天內的平均跟蹤誤差約為改進傳感器的2倍。由此可知改進后傳感器的測量精度和測量范圍有了很大的改善。精度為1°能夠滿足部分跟蹤裝置的設計要求，同時很好地解決了光筒高度和測量范圍相互制約的問題。

[1] 王林軍,門靜,張東,等.太陽自動跟蹤系統中光電傳感器的設計[J].農業工程學報,2015,31(14):179-185.

[2] 李兵.高精度太陽追蹤傳感器研究[D].成都:電子科技大學,2015.

[3] 王小鑫,胡紅利,王博.高精度太陽能跟蹤控制器[J].電光與控制,2012,19(12):80-83.

[4] 陳超,汪華章,曹潔.光伏發電的六象限法太陽自動跟蹤系統[J].可再生能源,2015,33(1):6-10.

[5] 趙陽.高空氣球電池標定用太陽跟蹤控制系統研究[D].秦皇島:燕山大學,2014.

[6] 張新亮.一種基于雙軸的太陽能自動跟蹤裝置[J].機械工程與自動化,2015(1):166-170.

[7]馬少卿,孫榮霞,馬征.基于單片機的老人跌倒檢測裝置[J].微型機與應用,2017,36( 9):100-102,105.

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[11] 陳仕國,陳學永,林福財,等.視日軌跡太陽跟蹤裝置控制系統設計[J].福建農林大學學報(自然科學版),2014,43(2):215-219.

[12] 蔡榮山,楊勇,張虹,等.太陽能電池自動實時逐日系統設計[J].可再生能源,2016,34(6):797-802.

[13] 趙云鳳,李田澤,陳世寶,等.光伏發電非線性步長最大功率跟蹤研究[J].可再生能源,2013,31(1):17-20.

Design and performance test of a novel solar tracking sensor

Ma Shaoqing, Sun Rongxia, Wang Xuejun

(School of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071000, China)

The performance of solar tracking sensors constrains the accuracy and tracking range of solar tracking devices. Aiming at the shortcomings such as small measurement range and poor stability of traditional light tube sensor, an improved light sensor is designed. The measurement range of the sensor is tested indoors, and the effect of the threshold of the improved sensor on the device is tested outdoors. The solar elevation angle and azimuth angle calculated by the Japanese shuttle calendar are used as reference values. Tested at 12:40～14:40, the two sensors are relatively small tracking error. The average tracking error of a conventional sensor is about twice that of an improved sensor. At the same time the problem of mutual restriction between the height of the light and the measurement range is well solved.

solar energy; automatic tracking; photoelectric sensors; measuring

TP212.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.030

馬少卿，孫榮霞，王學軍.新型太陽追蹤傳感器的設計與性能測試[J].微型機與應用，2017,36(19)：103-106.

河北省研究生創新資助項目(S2016015)；河北大學實驗室開放基金項目(sy201649)

2017-05-09)

馬少卿(1992-)，通信作者，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：慣性傳感器信號處理，無線傳感網絡。E-mail:2318923688@qq.com。孫榮霞(1960-)，女，本科，高級工程師，碩士研究生導師，主要研究方向：分析儀器、環境監測、檢測技術及自動化裝置。王學軍(1984-)，男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術及自動化裝置。