校 準 式 太 陽 能 跟 蹤 控 制 系 統 設 計

張 卉， 朱 武， 宋思遠， 鄧安全

(上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 200090)

0 引 言

隨著現代工業、農業的迅速發展以及人口的日益增多，人類對能源的需求日益增加，年增長率甚至達到5%～6%[1]，而傳統的化石能源都是不可再生能源，正在日趨枯竭，各國面臨著巨大的能源危機；另一方面，煤炭、石油和天然氣等常規能源在使用過程中會嚴重污染環境[2]。因此，各國都在尋找既可再生又無污染的新能源，如風能、太陽能、核能等。其中，太陽能作為一種儲量豐富、無污染且應用方便無需運輸的新能源，在新能源開發方面有很大優勢[3]。各國對太陽能的利用最為普遍，因此如何提高太陽能利用效率也成了各國研究的重點[4]，近年來與太陽能跟蹤系統相關的課題很多。我國太陽能發展技術雖然起步較晚，與發達國家相比，技術、規模還有很大差距，但是近年來，隨著越來越多的專家和學者對太陽能發電技術的研究，我國太陽能應用技術取得了飛速發展。據相關研究表明：跟蹤系統應用到太陽能光伏發電電池板陣列中,此模式可以比固定模式的發電效率提高33%[5]。但是，幾乎所有的系統設計都沒有考慮到校準的問題[6-8]。本文從太陽能跟蹤校準的角度出發，在實現對太陽跟蹤的同時，通過不斷校準來提高其跟蹤精度，進一步消除累積誤差。

1 系統總體設計

本文設計的跟蹤系統是將光電跟蹤模式和太陽角度跟蹤模式相結合的雙軸式太陽能跟蹤系統。光電跟蹤模式是閉環控制，可以消除誤差且反應迅速；但是此模式容易受天氣影響，遇到多云或陰雨天時容易出現誤跟蹤[9]。太陽角度跟蹤模式是開環控制，該模式不受天氣影響，只要根據相關公式計算出太陽的高度角和方位角即可實現跟蹤，設計簡單方便，但是此模式是開環控制，沒有反饋，容易造成累積誤差。所以本文設計的跟蹤系統是將兩種模式結合起來，這樣既可免受天氣影響又可以消除誤差[10]。同時加入校準電路，進一步消除誤差，提高跟蹤精度。

校準式太陽能跟蹤控制系統主要由STC12C5A60S2型單片機、光電模塊、步進電動機模塊、時鐘電路、校準電路、人機接口電路及外圍電路組成。系統總體硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

2 太陽角度跟蹤設計

地球按照一定規律繞太陽運動，根據地球繞太陽的運行規律可以得出太陽相對于地球的位置變化規律[11]。由此可以得出太陽的高度角為

sinH=sinφsinα+cosφcosαcosω

(1)

式中：H為太陽高度角；φ為地球上某一點的緯度值；α為赤緯角；ω為太陽時角。

太陽方位角計算式為

(2)

式中，β為太陽方位角。

通過以上兩個公式，單片機可以控制步進電動機的轉動，實現太陽角度模式的跟蹤。

3 光電跟蹤模式設計

3.1 光電傳感器設計

光電跟蹤模式主要是根據光電傳感器檢測太陽位置的變化，然后通過控制器控制太陽能電池板的高度角和方位角的轉動，使得電池板始終正對太陽。其原理是在太陽能電池板東西南北4個方向放置4個光敏二極管，光敏二極管截面與電池板平行。當光照強度發生變化時，光電傳感器輸出的信號大小不同，通過比較傳感器信號差判斷太陽能電池板的轉動方向，由單片機控制步進電動機的轉動，達到跟蹤目的。平面圖如圖2所示。

圖2 光電傳感器平面圖

圖中，A、B、C、D是4個光敏二極管，位置上分別與東西南北方向的軸線平行，設計兩個暗筒，兩筒間的距離等于光敏二極管的直徑。這樣，當光線垂直照射在其中一個光敏二極管上時，由于內外筒的遮擋作用，其余二極管可能沒有陽光照射或者只有少部分光線照射，就會形成壓差。當有光線照射時，光敏二極管A、B、C、D對應的電壓分別為UA、UB、UC、UD,UX、UY分別為方位角和高度角的偏差量。則UX、UY的表達式為

UX=UA-UC，UY=UB-UD

以方位角為例，假設太陽高度角不變，且UY=0，即太陽在南北方向的中軸線上，當光電二極管A點接受的光照強度大于C點時，此時UX>0,輸出一個正信號給控制器，控制器驅動跟蹤機構向東轉動；反之，當UX<0時，跟蹤機構向西轉動。同理，當UY>0時，跟蹤機構向北轉動，反之，跟蹤機構向南轉動。

3.2 光電傳感器參數分析

遮光筒的高度和半徑直接影響跟蹤的精度。如果遮光筒過高，會導致同一時間4個二極管均沒有被光線照到，無法判斷旋轉方向及角度；如果遮光筒過低，則有可能同時照到東西或南北方向的光電二極管，且產生電壓相等，這時也無法判斷電池板旋轉方向。

當傳感器軸線與太陽光線不平行時，內筒的陰影會遮擋住4片光電池中至少1片，導致4片光電池接受的光強不同，引起輸出電壓的差異[12]。光電跟蹤模式的側面圖如圖3所示。

圖3 光筒側面圖

內側光桶半徑為r，光桶高為H。由圖3可知，傳感器可接收的最大入射角為β，如果入射角大于β，則光敏二極管均會被光筒的陰影遮擋住，即跟蹤精度為β。本文設計的跟蹤精度為2°，光筒高度H=160 mm，則有：tanβ=2r/H=tan 2°=0.035，r=2.8 mm≈3 mm。

外側遮光筒的半徑為內側遮光筒的半徑加上光敏二極管的直徑。本文選取的光敏二極管型號為2CU2,其直徑為2 mm，因此外側遮光筒的半徑為5 mm。

3.3 信號處理電路設計

當光線照射到光敏二極管上時，會產生電流，由于電流很小，所以通過LF444CN四運放集成放大器先將電流轉換為電壓，再將電壓放大，放大后的東西(南北)方向電壓經過一個差分放大器后直接與單片機相連，單片機通過壓差信號控制步進電動機的轉動方向。東西方向信號處理電路圖如圖4所示。南北方向信號處理電路與東西方向信號處理電路相同。

圖4 信號處理電路圖

4 硬件電路設計

4.1 單片機與時鐘芯片DS1302接口電路設計

本文的時鐘電路采用DS1302芯片，通過簡單的串行接口與單片機連接，為系統提供秒、分、時、日、月、年的信息，還可以進行閏年補償[13]。根據這些信息可以計算出太陽的高度角和方位角，實現太陽角度跟蹤[14]。此芯片有2個電源引腳。DS1302由兩者中較大者供電，當系統斷電或UCC2

4.2 單片機與步進電動機驅動電路設計

本文需要利用步進電動機來達到使太陽能電池板方位角和高度角轉動的目的，但是步進電動機不能直接連接交直流電源工作，必須通過驅動電路來驅動它才能工作。本文采用的是ULN2003驅動芯片和五線四相步進電動機。步進電動機驅動電路如圖6所示。

4.3 單片機與人機接口電路設計

人機接口主要由LCD顯示電路和鍵盤電路組成。本文選用LCD12864液晶顯示模塊作為系統顯示模塊。該液晶顯示模塊是點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8 192個中文漢字(點陣)、128個字符(點陣)及點陣顯示RAM(GDRAM)[16]。本文選用并行連接方式與單片機連接，主要用來顯示當前日期、時間以及太陽高度角和方位角，更直觀地了解當前的跟蹤情況。

圖5 時鐘電路圖6 步進電動機驅動電路

按鍵電路是為了方便進行人工調整，本文加入了4個獨立按鍵，分別控制東西南北4個方向，當出現誤跟蹤等情況時，可以通過按鍵來使系統恢復正常工作狀態。人機接口電路如圖7所示。

圖7 人機接口電路

4.4 單片機與ADXL202傳感器電路設計

雖然光電跟蹤模式可以消除累積誤差，但是，由于實際中元器件本身也會存在誤差以及外界環境的影響，有可能使得跟蹤精度降低。基于此，本文加入了校準電路，選用ADLX202雙軸傳感器。該傳感器可以同時測得2個相互垂直方向的加速度。由于重力加速度的方向始終垂直向下，如果空間平面不水平，那么重力加速度在該平面上的分量不為0；當傳感器水平放置，即與重力方向相垂直時，加速度為0[17]。本文就是根據這一點來檢測正午時刻太陽能電池板是否水平。將ADXL202傳感器固定在太陽能電池板上，且與太陽能電池板平行；同時還要保證ADXL202傳感器測量的兩個方向的加速度分別與太陽能電池板的高度角軸線和方位角軸線平行。

晴天正午時刻太陽在頭頂正上方，此時太陽能電池板的東西軸方向是與地面平行的，即水平放置。在此方向上，ADXL202的傳感軸與重力矢量垂直，ADXL202對傾斜度變化的靈敏度最高。如果太陽能電池板是水平放置的，則此時加速度傳感器的輸出值應為0。利用這一點可以校正中午時刻太陽能電池板是否水平。ADXL202傳感器連接圖如圖8所示。

圖8 ADXL202傳感器電氣連接圖

加速度信號帶寬由XFILT/YFILT引腳連接的濾波電容決定，由

可知，電容選取越小，信號帶寬越寬，分辨率越高。所以本文選取的電容CX=CY=0.1 μF，則帶寬為50 Hz。電容安裝時要注意位置盡可能靠近引腳，從而抑制噪聲。

ADXL202的帶寬選擇決定了測量精度。當帶寬為50 Hz時，分辨率為0.4 mg[18]，本文設計的跟蹤精度為2°，此分辨率完全可以達到校準的目的。

RSET的阻值可選在0.5～2 MΩ，而且RSET盡量安裝在靠近T2引腳處，這樣分布，電容才會最小，從而減小對電路的影響。

T1是占空比調制周期，其大小由RSET確定，計算公式為T1=RSET/125。本文RSET選取125 kΩ，此時信號輸出周期為1 ms，頻率為1.0 kHz。

當DCM輸出方波頻率大于模擬帶寬10倍以上時，測量精度比較理想，如此看來，T1越小越好，但是T1太小對計數器和微控制器的處理速度要求會很高，而實際中硬件的運行速度會受到器件性能限制，所以本文選取周期為1 ms比較合理。

XOUT和YOUT直接接在單片機上，通過測量引腳上的高低電平持續時間來計算占空比，再進一步計算出加速度值[19]。正午時，確認加速度值是否為0，如果為0，說明跟蹤系統跟蹤準確，精度滿足要求。

5 系統軟件設計

本文軟件部分用Keil軟件完成，用C語言編寫程序，移植性好，程序執行效率高。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

6 結 語

本文設計了一套校準式太陽能跟蹤控制系統。通過分析太陽角度跟蹤和光電跟蹤兩種模式的優缺點，提出了將兩種模式相結合的方案，分析了光電模式的參數設計；同時加入的校準模塊每天可以對系統進行一次校準，使得系統達到精度要求，進一步提高太陽能利用效率。整個系統機械結構設計簡單，程序編寫容易，能夠實現對太陽的全天候跟蹤，可應用于太陽能發電等場合，有利于推動太陽能的發展與利用。