廣角度太陽光智能跟蹤系統

劉明強，劉 進，龍海芳，劉 迅，張正祥

(貴州省電子工業研究所，貴州貴陽550004)

0 引言

在能源與環境問題成為當今世界面臨的兩個重要挑戰時，充分利用取之不盡，用之不竭的太陽能將成為人類必然的選擇。目前太陽能利用，主要有太陽能直接利用(太陽能熱水器)、將太陽能轉變為電能(光熱發電、光伏發電)等，要有效提高太陽能利用率，光跟蹤系統必不可少。目前太陽光跟蹤系統都需要根據安放點的經緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟件中，都要靠計算該固定地點每一時刻的太陽位置以實現跟蹤。且大多采用的是電腦數據理論，需要地區的經緯度數據和設定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新計算參數、設定數據和調整各個參數；原理、電路、技術、設備都比較復雜的太陽光跟蹤系統，非專業人士不能夠隨便操作。

1 感光元件

感光器件主要分為兩類：1)光敏電阻；2)光敏電池。

光敏電阻，是利用半導體的光電效應制成的一種電阻，其阻值隨入射光的強弱而改變，具有以下特點：光譜響應寬；測試光強范圍寬，即可對強光響應，也可對弱光響應；無極性區分，使用方便，成本低，壽命長；靈敏度高，工作電流大，可達數毫安[2]。

光電池是一種直接把光能轉換成電能的半導體器件。其特點是：光生電動勢在光照為2000 lx時趨向飽和，即強光不敏感；作為測控元件使用時其特性隨溫度而變化，溫度漂移較大，需采取溫度補償措施或保持溫度恒定，設計相對復雜[3]。

2 硬件設計

系統硬件采用控制部分和光感采集部分分離設計，控制器部分主要由限位控制、手動調整、自動跟蹤、開關控制量、傳感器控制、供電部分、處理器和上行通信部分組成；光感采集部分由采集部分、通信供電部分和處理器部分組成。

控制器部分采用IP65設計，外部采用一個5芯防水航空接頭與傳感器連接，5芯信號分別為電源正、電源負、外殼接地、數據正、數據負；一個供電開關；兩路(水平方位和仰角高度)手動調整開關； 兩個防水接線孔。

光感采集部分采用IP66設計，外部使用一個5芯防水航空接頭與控制器連接，5芯信號分別為電源正、電源負、外殼接地、數據正、數據負；其供電部分采用DC 5V供電，防止由控制器提供經導線(不同長短、大小)造成的供電不穩，內部2.5V～5.5V輸入，輸出5V的電源重生供電處理，其工作時間由控制器決定，如在夜晚將對其斷電，次日日出前重新通電對日進行監測。其系統框圖如圖1。

圖1 光感采集框圖

2.1 廣角度光感設計

感光器件選擇。自然光照強度，黑夜為：0.00～0.02lx；月夜：0.02～0.3lx；陰天室內：5～50lx；陰天室外：50～500lx；晴天室內：100～1000lx；夏季中午太陽光下：30000～300000lx。根據使用環境要求，感光器件選用光敏電阻。

感光器結構：采用兩個四象限區域，通光的直線傳播，實現對太陽光廣角度和精準跟蹤。如圖2、3， 當光線射入廣角度光線感知范圍時，由“五個位置-四象限”粗調結構實現廣角度光線感知，如圖3和4所示，將器件“粗上”和“粗上1”采用最大值法形成一個象限，參與器件“粗下”、“粗東”和“粗西”組成四象限結構。“粗上”和“粗下”組成垂直高度角粗調感應對比，實現向下75°，向上165°，即垂直高度角240°廣范圍感知；“粗東”和“粗西”組成水平方位角粗調感應對比，實現向東75°，向西75°，即水平方位角150°廣范圍感知。輸出光強對比信號，由控制器處理并控制伺服機構，驅動裝置進行姿態調整使其進入精調范圍，粗調階段完成。

圖2 光感分布圖(俯視) 圖3 光線感知范圍圖(左視)

當光線直接射入(或經粗調后射入)精調光線感知范圍時，粗調停止，進入精調階段。如圖3和4所示，由“四象限”精調結構實現光線精準感知，“精上”和“精下”組成垂直高度角精調感應對比，實現向下20°，向上20°，即垂直高度角40°范圍內的精準感知；“精東”和“精西”組成水平方位角精調感應對比，實現向東20°，向西20°，即水平方位角40°范圍精準感知。輸出光強對比信號，由控制器處理并控制伺服機構，驅動裝置進行姿態調整使其精準跟蹤太陽。

2.2 控制部分設計

系統采用“可設時段+閉環系統”方式設計?？稍O時段，指在不同的地區春夏秋冬四季跟蹤開始和停止的時段可以設置[6]。閉環系統，是指系統處于跟蹤時段內，由感光部分采集當前跟蹤位置信息→控制部分根據位置信息處理是否要姿態調整：①不調整→進入時間間隔(根據精度要求設定)→感光部分采集當前跟蹤位置信息；②要調整→根據位置信息處理情況，驅動雙軸傳動裝置進行一次水平方位和垂直高度姿態調整→感光部分采集當前跟蹤位置信息[4-5]。其系統框圖如圖4。

限位設計。系統設計四路限位開關，分別是東、西和上、下限位，均采用常閉設計。通過光電隔離，采用微小信號控制大電流，高優先級硬件控制電機驅動使能。當外部限位裝置沒安裝時，內部限位端口處于開路狀態，所對應電機驅動是被禁止的。

圖4 系統框圖

圖5 H橋示意圖

電機驅動部分。兩路(水平和俯仰)H橋驅動直流電機，通過H橋的通、斷組合狀態來實現用兩線控制直流電機的正反轉，如圖5，Q1、Q4，Q2、Q3都截止時，電機處于靜止狀態；當Q1、Q4截止，且Q2、Q3導通時，電機往一個方向轉動；當Q2、Q3截止，且Q1、Q4導通時，電機往另一個方向轉動。處理器通過基礎的日期時間、傳感器信號、限位狀態和手動控制狀態來控制H橋的通斷組合，實現對兩電機的驅動，完成對日跟蹤。在這過程中一定要注意Q1、Q4、 Q2、Q3截止和導通的時序，嚴禁Q1和Q2或Q3和Q4同時導通的情況。

2.3 傳動部分

選用雙軸回轉式減速器，有刷直流行星減速電機，回轉式減速器精度≤0.08°，減速比580∶1，額定電壓DC 24V，額定輸出轉速為0.048 rpm，1秒約轉動0.228°，將其轉動周期設為100 ms時，轉動角度約0.02°，其最小調整分辨率約為0.02°，保證了伺服調整精度[1]。太陽每秒轉過角度(360°+360°/365)/(24*60*60)=0.00418°。如要滿足精度為0.1°時，在跟蹤上的情況下約22 s必須調整姿態。

3 軟件設計

軟件設計包括：傳感器固件；控制器固件；上位機軟件。

3.1 傳感器固件

傳感器固件，其功能相對較少，主要功能有光信號采集和數據傳輸，采用無系統設計，對于數據采集使用DMA自動循環方式。具有結構緊湊、容量小、效率高、穩定等優點。

3.2 控制器固件

圖6 流程圖

控制器固件，其功能相對較多，主要功能為傳感器信號采集、上位機通信、自動跟蹤處理、手動跟蹤處理、按鍵設置處理、顯示處理和參數設置保存等，采用μC/OS II(是一個可以基于ROM運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務內核)系統平臺進行設計。主要創建4個任務來實現本系統功能，見圖6流程圖。

任務0：主要執行上位機通信、接收傳感器數據處理、主動向上位機上傳信息控制和讀取設置參數。

任務1：主要執行顯示處理、參數設置、主動采集傳感器數據控制和傳感器數據數字濾波處理。

任務2：主要執行自動跟蹤處理、 維護處理和異常天氣接口處理。

任務3：主要執行各種運行標志設置/清零，時鐘讀取和看門狗處理。

3.3 上位機軟件

上位機軟件，采用基于.net架構的平臺“Microsoft Visual Studio 2008”進行設計，主要功能包括跟蹤系統各種參數讀取和設置、遠程監控、遠程跟蹤控制和通信日志記錄。其主要功能介面分為三個：“常規顯示”、“參數設置”和“通信日志”。

4 結論

經過實驗數據、現場測試數據和修正，以及現場試運行驗證，本系統能夠對太陽實現實時跟蹤，精度高，反應靈敏，快速定位，系統穩定，沒有誤動作。實現成本低，安裝、調試簡單，易于維護。主要在光熱、以及光伏發電等太陽能應用領域，有較大市場，能顯著提高太陽能的利用率。