基于多模式融合的雙自由度太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李立鵬，高 建，黃天怡，劉中仁，方 茹，莫慧淑

(天津商業(yè)大學(xué) 天津300134)

當(dāng)前全球傳統(tǒng)燃料能源儲(chǔ)量日漸降低，太陽(yáng)能作為可再生能源，備受社會(huì)關(guān)注。為了克服太陽(yáng)能收集效率低下的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于多模式融合的雙自由度太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)，微控制器選用 MSP430F149單片機(jī)，融合閉環(huán)光電檢測(cè)與開(kāi)環(huán)視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤模式，創(chuàng)新性地選擇雙自由度的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全方面、全時(shí)段追蹤太陽(yáng)光心，可最大限度地提高太陽(yáng)能接收裝置熱效率。

1 太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)

當(dāng)下太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)并不完善，太陽(yáng)光垂直照射最佳效果無(wú)法確保，不能最大限度地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的利用，因而出現(xiàn)太陽(yáng)能收集效率低的問(wèn)題。近年來(lái)，針對(duì)太陽(yáng)能追蹤裝置的研究相對(duì)密集，其追蹤模式主要包括閉環(huán)-光電檢測(cè)法以及開(kāi)環(huán)-視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤法。視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤是依照天文常識(shí)確定太陽(yáng)角度，隨著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡變化實(shí)現(xiàn)追蹤。光電檢測(cè)追蹤是通過(guò)對(duì)比實(shí)時(shí)光強(qiáng)從而確定最佳對(duì)日角度。

按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)在追蹤方向上的不同，又有單軸、雙軸追蹤之分。單軸追蹤只跟蹤太陽(yáng)的方位角，不追蹤高度角，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不能始終保持主光軸與太陽(yáng)光線(xiàn)入射方向平行。雙軸追蹤有高度角－方位角式和極軸式全跟蹤區(qū)分。其中極軸式全跟蹤方法簡(jiǎn)單，但其支承裝置不易設(shè)計(jì)、不易實(shí)現(xiàn)；高度角－方位角式可以分別在水平方向和垂直方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)二維追蹤，較為簡(jiǎn)單，支承裝置容易實(shí)現(xiàn)且跟蹤精度高。

圖1 太陽(yáng)的高度角h和方位角AFig.1 Solar altitude angle h and azimuth A

如圖1所示，h是太陽(yáng)高度角，A是太陽(yáng)方位角，?是當(dāng)?shù)鼐暥龋氖浅嗑暯牵厥菚r(shí)角。

太陽(yáng)高度角h：

太陽(yáng)方位角A：

不管選擇任何一種模式，都要將光敏裝置安裝在擋光板周?chē)ㄟ^(guò)對(duì)擋光板位置的改變，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光投影的改變，當(dāng)光照作用在光敏電阻上就會(huì)有微電流產(chǎn)生，通過(guò)放大電路、AD轉(zhuǎn)換等硬件電路作用后，在微控制器的作用下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)等裝置改變角度實(shí)現(xiàn)最大限度接收太陽(yáng)光。

2 多模式融合的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)總體方案

綜合多種太陽(yáng)能跟蹤模式、方案的特點(diǎn)，以獲取太陽(yáng)能最大利用率為目的，采用了閉環(huán)控制的光電追蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤相融合的雙自由度太陽(yáng)能追蹤技術(shù)。本裝置采用計(jì)算機(jī)單片機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)-被動(dòng)相結(jié)合的追蹤方法。

通過(guò)一組光敏器件對(duì)白天和黑夜進(jìn)行檢測(cè)以判斷系統(tǒng)的工作環(huán)境。白天的時(shí)候就執(zhí)行白天所設(shè)定的運(yùn)行方案，到了晚上系統(tǒng)就處于睡眠狀態(tài)，如果光照強(qiáng)度達(dá)到預(yù)先的設(shè)定值，系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，進(jìn)入白天的運(yùn)行模式。白天系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，會(huì)對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)光電傳感器感應(yīng)值達(dá)到白天的設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行光電追蹤，如果沒(méi)有達(dá)到，系統(tǒng)就采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式。不管是視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤還是光電追蹤，最終都是通過(guò)把光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)使太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而追蹤太陽(yáng)。

3 多模式融合的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選擇 MSP430F149單片機(jī)作為控制單元，通過(guò)光敏元件檢測(cè)太陽(yáng)光，確定黑夜或是白天，進(jìn)而通過(guò)微控制器進(jìn)行模式選擇，進(jìn)一步將操作數(shù)據(jù)發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)角度的控制進(jìn)而確保太陽(yáng)能板最大限度垂直太陽(yáng)光。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

3.1 微控制器介紹

綜合設(shè)計(jì)需要，微控制器選用低功耗、高性能的MSP430F149，該控制器A/D轉(zhuǎn)換模塊精度為12位，I/O引腳多達(dá)48個(gè)，包括了5類(lèi)功能模塊，均能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)設(shè)定，此外還具備帶捕獲比較功能的 16位定時(shí)A(B)以及 PWM 輸出、基本時(shí)鐘、串行通信等外設(shè)，較好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中光電檢測(cè)電路、時(shí)鐘電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、輔助電路的資源需要(圖3)。

圖3 系統(tǒng)原理圖Fig.3 System schematic diagram

3.2 光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)主要完成兩方面工作，一方面對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，判斷白天還是黑天，晴天還是陰天，此外還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能板位置進(jìn)行判斷。太陽(yáng)光照射在光電傳感器上，通過(guò) AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而傳輸至控制器，通過(guò)軟件給控制器設(shè)定閾值，從而確定何時(shí)、采取哪種模式進(jìn)行追蹤(圖4)。

圖4 光電檢測(cè)電路Fig.4 Photoelectric detection circuit

3.3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了 DS1302外部時(shí)鐘芯片，DS1302能夠較好實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，支持從秒到日期范圍的時(shí)間設(shè)定，抗干擾能力強(qiáng)、連線(xiàn)量小、體積不大，適合小型控制組件，通過(guò)讀取當(dāng)前時(shí)間，實(shí)現(xiàn)該時(shí)間下太陽(yáng)方位角、高度角的計(jì)算(圖5)。

圖5 時(shí)鐘電路Fig.5 Clock circuit

3.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用 L298N芯片驅(qū)動(dòng)水平、垂直兩個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，微控制器將計(jì)算出的方位角和高度角信號(hào)發(fā)出，MSP430F149通過(guò)產(chǎn)生兩個(gè)通道的PWM波，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按照控制方向進(jìn)行相應(yīng)角度的旋轉(zhuǎn)(圖6)。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 Motor driving circuit

4 多模式融合的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通電啟動(dòng)，首先實(shí)現(xiàn)初始化，之后光電檢測(cè)模塊對(duì)當(dāng)前是白天還是黑夜進(jìn)行判斷，如果是黑天狀態(tài)，系統(tǒng)將會(huì)采取中斷，保持低功率待機(jī)；假如是白天，通過(guò)光電強(qiáng)度檢測(cè)確定追蹤模式，晴天狀態(tài)下采取光電追蹤，陰天時(shí)，采用視日運(yùn)動(dòng)追蹤模式(圖7)。

圖7 系統(tǒng)總體流程圖Fig.7 General flow chart of system

首先由光敏傳感器檢測(cè)是白天還是黑夜，是晴天還是陰天；用軟件給單片機(jī)設(shè)定一個(gè)閾值，若超過(guò)閾值為白天，否則是黑夜。

若是黑夜采用蓄電池供電，若是白天則檢測(cè)是晴天還是陰天。同樣給單片機(jī)設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)光敏傳感器檢測(cè)并經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)值超過(guò)一定值為晴天，否則為陰天。

晴天時(shí)采用光電檢測(cè)追蹤模式，隨時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)光入射角的改變，由光敏傳感器測(cè)得的電壓值傳給單片機(jī)，經(jīng) AD轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)判斷是否應(yīng)該改變電池板的角度及方向，然后發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和步數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的方位角。

陰雨天時(shí)采用視日運(yùn)動(dòng)追蹤模式，由軟件根據(jù)讀取外部時(shí)鐘電路的時(shí)間，判斷太陽(yáng)現(xiàn)在的位置，并判斷和前一次的方位上角度相差多少度，以此確定好當(dāng)前應(yīng)該控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度。

5 結(jié) 論

在完成追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之后，經(jīng)過(guò)不同環(huán)境的測(cè)試，系統(tǒng)能夠初步滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，天氣晴朗環(huán)境下，吸收太陽(yáng)能的接收裝置可以按照光敏傳感器的檢測(cè)改變太陽(yáng)能板的位置，使其始終垂直于太陽(yáng)光；在陰天的環(huán)境下，按照程序設(shè)定，太陽(yáng)能吸收裝置每隔特定周期，改變相應(yīng)的角度，實(shí)現(xiàn)視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤。盡管完成了基本追蹤要求，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)粗糙、光電傳感器精度不足，使得系統(tǒng)在實(shí)施過(guò)程中存在一定的誤差，有待進(jìn)一步完善提高。