基于GPS定位的太陽能板自動追光系統設計

張 屹，胡 盤，劉成恒

(常州大學 機械工程學院， 江蘇 常州 213164)

0 引言

太陽能作為一種新型清潔能源，受到了世界各國的廣泛關注[1]。目前，主要的太陽光跟蹤模式包括光電式跟蹤和視日運動軌跡跟蹤[2]。在實際的應用過程中，存在風，沙等因素影響機械裝置旋轉的精度和穩定性，不可能實現垂直照射的目的，導致無法充分利用太陽能資源[3]。

根據當前太陽能技術的發展特點，國內外光伏發電系統的發展現狀以及太陽能光伏發電系統的低效率發電問題[4]，通過使用GPS全球定位系統，基于視日運動軌跡跟蹤方法的理論，提供精確的相關信息，例如當地經緯度和實時時間，從而不再考慮時間和地點對于機械設備的安裝問題的影響，因此都不再需要人為干預調整太陽能板的追光角度，從而實現一種高度靈活的智能化功能，進而提高太陽能的利用效率，從而映射到提高太陽能發電系統的應用價值，促進其在日常生活中的應用。

1 系統總體方案設計

外形采用平行四邊形折疊的方式，它在抽屜式的外形基礎上，使抽屜三板減小為兩板，卻把抽屜從一個變成兩個，這樣使面積變的更大。其中，頂層太陽能板約為底層的0.8倍。與它主要相關的部件涉及包括減速電機、履帶、傳動軸、推桿電機、底座和太陽能電池板等。結構設計如圖1所示。

圖1 機械結構圖

機械結構的設計優勢是以常規雙電機的傳動系統為基礎，利用一個傳動軸、兩個履帶和一個失電制動保護電機來實現，這樣既可以降低成本又提高電機同時帶動太陽能板板方雙向展開的穩定性。還有方位角傳動機構采用的是自鎖渦輪減速電機，并進行軸向固定，從而保證了渦輪減速機的傳動精度。高度角傳動機構使用雙自鎖電動機推桿同時像仰角方向進行驅動，從而使在惡劣的天氣情況下能夠保證它的結構穩定性。

2 確定太陽位置的計算方法

2.1 太陽直射點的移動

地球自身的運動是自轉和公轉同時進行，姿態運動存在于特定的黃赤交角。當地球自轉時，其軌道平面垂直地軸被稱為赤道平面。當地球圍繞太陽公轉(四季的變化)時，其軌道平面被稱為黃道平面。當地球在地軸傾斜的位置公轉時，赤道面和黃道面的夾角不為0，即它們所形成的夾角稱為黃赤交角(23°26′)。由于存在特定的黃赤交角，使得太陽光線在地面上的直射點不斷的發生變化，且其運動范圍不斷的在南北回歸線之間往復移動進行變化。所以太陽光線的直射點在最北端位置達到上限的位置是23°26′N，最南端位置達到上限的位置是23°26′S。

2.2 坐標系統

1)時角坐標系:

時角坐標系是一種天球坐標系，以定量的方式表示天體的位置，以觀測點所在的位置的天赤道面為基準平面[5]。因此，太陽的位置可以通過時角坐標系中的δ和ω來決定，如圖2所示。

圖2 時角坐標系

太陽時角是從觀測點至太陽所在時圈在天赤道的投影和觀測點到天赤道與子午圈間的交點的夾角。時角角度從0°到180°，以OQ′方向以0°為基準，向東為負，向西為正。當中太陽赤緯角是以觀測點到太陽所在時圈上與觀測點所在的天赤道面之間的夾角[6]。赤緯角以赤道平面為0°，從赤道往北為正，相對為負。

2)地平坐標系：

地平坐標系以觀測點的位置為中心，所在位置的平面當做參考平面，如圖3所示。

圖3 地平坐標系

圖中的太陽高度角是從0點指向太陽的矢量與觀察者位置的地平線之間的夾角。當太陽在地平線(地平圈)上時，則仰角為0°。若現在這個時候其使高度角增加，則太陽升起；若現在這個時候使高度角減少，則太陽下降。同時，太陽方位角是從0點指向太陽的矢量在地平線上的投影與正南方的夾角，其中它以正南向作為為0°，由南向西設定為正，相反為負。

2.3 計算太陽的高度角和方位角

從上述中可以得出相關的結論，太陽在天球上的位置將不斷的發生變化。并且因為它是觀測點所在的地平面，則當觀測點的位置相同但是時間不同時，致使同一個太陽具有不同的高度和方位。所以確定太陽的位置，

通常需要把地平坐標系和時角坐標系相結合，并且從不同的角度來表示。

根據在時角坐標系當中的ω和δ來決定太陽所在天球的位置。

1)太陽時角公式：

ω=pi*(ST-12)×15°/180

(1)

式中,ST為真太陽時，以24小時計時。從每年1月1日起計天數。

2)根據文獻 [7] 可以更準確地計算太陽赤緯角。公式：

(2)

式中,δ單位為弧度，pi=3.1415926為圓周率；b=2*pi(N-1)/365，單位是弧度，N為日數，自每年1月1日開始計。

使用GPS獲取當前觀測點的地理緯度與時間等信息，以及通過公式(1)和(2)所得到的太陽時角和太陽赤緯角。太陽所在天球的位置由地平坐標系中的h和A決定。

1)太陽高度角h的計算公式：

h=

(3)

式中,δ為太陽赤緯角；φ為當地緯度角；ω為太陽時角/弧度。

2)太陽的方位角A的計算公式：

(4)

式中,h為太陽高度角/弧度；δ為太陽赤緯角；φ為當地的緯度角。

3 跟蹤控制方案的設計

3.1 確定跟蹤方案

用于視日運動軌跡方法的兩種常見跟蹤運動控制方法包括：連續跟蹤和間歇跟蹤[8]。其中，當連續跟蹤時，因為地球自身類似曲橢圓，所以太陽的高度角與方位角在發生變化時[9]是不均勻的而且還隨日期而變化。此外，機械裝置的連續性運轉即消耗大量的電能，不能達到實現太陽能利用的目的。因此，系統采用間歇跟蹤方法。通過給定時間間隔的方式來達到調整太陽能板的目的，并且調整的角度必須是由太陽能電池板的雙角度調節的旋轉角度與雙跟蹤誤差值的角度一致。在時間間隔之內，太陽能板所在當前機構的位置固定不變。間歇跟蹤方法使系統控制更加方便，不僅降低了跟蹤裝置的動作頻率減少電能的能耗，而且還延長了它的使用壽命。

3.2 建立跟蹤運動方程式模型

根據上述所確定的間歇跟蹤法，建立跟蹤運動方程式，假設當前所在位置的時間為t1，設此時太陽能電池板的當前傾角值為h1和旋轉角度為A1；當達到時間間隔t2時，將當前太陽的高度角設為h2和方位角設為A2。根據間歇跟蹤法設跟蹤高度角誤差變化量為Δh，以及相對應的高度電機的旋轉角度記為Δθ1；設跟蹤方位角誤差變化量為ΔA，以及相對應的方位電機的旋轉角度記為Δθ2。并且通過跟蹤誤差的正負來確定電機的正反轉(順逆方向轉)。當Δθ為負值時，電機反轉(逆轉)；當Δθ為正值時，電機正轉(順轉)。

函數關系如下：

(5)

(6)

系統開啟后，根據間歇跟蹤法利用(5)和(6)公式計算當前跟蹤誤差，通過相應的脈沖信號實現電機的驅動來調整太陽能電池板的姿態。

4 系統硬件設計

通常系統硬件設計包括兩個方面：硬件結構設計和硬件電路設計。

4.1 硬件結構設計

GPS是一種地理位置和時間的高精確定位系統，適用于陸地，海洋和航空航天工業中的各種應用。因此將GPS定位原理應用到太陽跟蹤領域是很有必要性。

圖6 電機驅動系統接口原理

太陽跟蹤控制系統是一個完整的軟硬結合系統，基于以微控制器為主，其輔助控制包括GPS定位傳感器、MCGSE觸摸屏、方位/傾角傳感器和步進電機驅動器等組成。如圖4所示硬件結構圖。

圖4 系統結構設計框架圖

通電系統開始工作，采集的各種信號(當前GPS參數和太陽能板的旋轉角和仰角等)計算跟蹤誤差，電脈沖信號由STM32單片機輸出，使電機驅動模塊可以實現步進電機的正反轉，并且通過高度/方位傳感器將電池板的當前角度反饋到主控制器。以及通過觸摸屏的人機交互界面，可以實時監控太陽的高度角和方位角以及GPS顯示的經緯度，以確定系統是否處于良好的工作狀態。

4.2 硬件電路設計

在硬件電路設計中，采用STM32F407單片機為主控機核心系統，通過信息采集模塊，電源模塊和運動系統控制模塊等來實現整個控制電路的設計。

1)信息采集模塊電路設計：

由于主控制器接口與信息采集模塊(傾角傳感器、陀螺儀傳感器等)之間的串口電氣特性不同，因此需要使用RS485半雙工收發器進行通信。本系統以RSM485HL芯片為主來實現RS485收發器的功能，以此進行它們之間的電平轉換來實現串口通信。并且其中一些開關量的輸入/輸出，需要通過TLP291-4光電耦合芯片實現A/D轉換，從而達到相應參數的轉換。如圖5所示。

圖5 RS485收發器接口原理圖

2)運動系統控制模塊設計：

通過本系統控制模塊來實現太陽能電池板的旋轉姿態的變化。系統以光電耦合芯片TLP291-4為主來連接兩個電機驅動器，并且通過驅動器連接執行機構的電機來實現對太陽能電池板的位置調整。如圖6所示原理圖接口。

5 系統軟件設計

跟蹤裝置和控制系統上電，主程序系統開始初始化(CPU，RTC，ADC，看門狗等)，先用延時，等待其他電路的啟動。之后首先得到的信息是由GPS定位獲得當前裝置所在地點的經緯度和時間，然后通過視日運動軌跡法計算出此時太陽的高度角和方位角。緊接著判斷當前時刻太陽的高度角是否大于等于0，如果是則此時太陽能電池板回到初始位置并結束工作運轉。如果不是則此時是由角度傳感器獲得當前太陽能板的傾角和旋轉角，并且把信息通過A/D轉換器反饋到主控制器上。兩者并運用間歇跟蹤法計算跟蹤誤差值，把獲得的跟蹤誤差值通過主控制器的A/D賦值相應發生電脈沖信號并計數，隨機通過驅動器設備驅動安裝在太陽能板上的方位角電機和高度角電機，將太陽能板調整到相應的角位置。然后使用定時器判斷是否已經達到時間間隔所需時間，如果沒有達到則繼續等待，如果達到時間間隔則更新當前時間并且計算當前時刻太陽的高度角和方位角，然后接著判斷太陽的高度角是否小于等于0，接著執行循環指令。流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

6 外部控制線路設計

為了實現系統結構之間的外部連接，以及達到整個設計方案的控制，因此，外部控制電路設計對于保護設備正常運行至關重要，如圖8所示無過載保護的長期連續運行的控制電路。

圖8 外部控制電路接線簡圖

1)回路送電操作：

合上主回路中的斷路器QF；合上主回路熔斷器FU1；合上控制回路熔斷器FU2。

2)工作原理：

由太陽能電池板吸收的太陽光線被轉換成電能，電能通過充電控制器存儲在電池中。在電源L1相位使用熔斷器FU2對控制回路起到電流保護的作用，首先通過逆變器TC進行變壓，從而為其他所需用電的設備裝置提供相應的電壓；然后按下啟動按鈕SB2以關閉觸點使其閉合，并且在KM線圈的兩端形成24 V的工作電壓，主電路中的接觸器KM線圈主觸頭閉合，實現主控制操作，與此同時KM線圈自鎖，此時不論啟動按鈕SB2是否閉合都不會影響控制回路的正常工作。在主回路控制回路熔斷器FU2后安裝了一個常閉按鈕SB1，這樣就可以在設備正常運轉時如果發生異常現象，此時我們應該立即按下總停止按鈕SB1，控制回路中的KM線圈斷電，自鎖KM線圈斷電，同時主控制回路的KM線圈也斷電，則主控制器停止工作[10]即是控制太陽能跟蹤設備停止運轉工作。

7 系統調試

PC機軟件調試主要與串口調試助手結合進行系統測試[11]。①選擇連接串口號COM2；②選擇通信地址2是PC機和控制器點對點連接，其中控制器的通信地址，同一總線上不能重復；③將控制器切換到調試模式(所有的參數修改都必須在調試模式下進行，否則控制器會拒絕修改)；④切換完成后，單擊連續采集，查看實時數據，并注意運行模式切換是否成功；⑤停止采集，讀取配置(每次修改配置前，都請讀取配置，以免修改到不必要修改的參數)；⑥修改參數到實際需要，單擊修改配置按鈕，以下載配置數據到控制器。如圖9所示串口調試窗口。

圖9 串口調試

通過上述串口調試窗口的一系列調試分析，能夠根據地理信息與授時的選配同步實現當前時刻的太陽位置以及太陽能板的雙旋轉角的確定，并且結合參數設定在不同的環境下進行修正參數，使通過間歇跟蹤方法得到跟蹤偏差值更為準確。

8 總結

基于提高太陽能利用率的考慮，通過地平坐標系建立太陽與觀測點(太陽能板位置)之間的相對位置關系，以及利用GPS的定位原理，最終可以準確定位太陽在不同地點和時間時的位置。并且通過間歇跟蹤法計算角度的跟蹤誤差即可通過主控制器驅動電機旋轉相應角度達到自動跟蹤。合理的結構設計即使在天氣變化比較復雜的情況下該裝置也能正常工作，并且通過串口調試助手進行系統測試分析，證明設計的可行性。以及在未來的應用當中，使太陽能跟蹤裝置的自動化程度將會更加準確、穩定和可靠。