小型定日鏡控制系統的研究*

李 杰 ，劉二林 ，魏曉文 ，李瑞彪 ，黃恩培

（蘭州交通大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

太陽能因具有普遍性、清潔性等特點，具有很大的開發潛力[1-2]。在我國，太陽能資源豐富，但在對太陽能的利用中存在間歇性、光照強度不足等問題，使得對太陽能的利用率很低[3-4]。基于此，項目組設計了一種開環控制的小型定日鏡系統，定日鏡系統可通過調節反射鏡面的水平角度與俯仰角度，將鏡面所反射出的光線能夠定向地照射在集熱塔的上面，實現對太陽能的收集與利用[5]。該設計不僅可以應用在類似于集熱塔的熱量收集方面，同時也可以應用在比如暗室照明、光線的感應等很多需要自動反射太陽光的場所中，對降低化石能源的使用量、減少二氧化碳排放有著積極的促進作用[6]。

1 定日鏡中太陽位置與鏡面反射角度的計算

1.1 太陽位置的計算

根據球面三角形公式解天文三角形可得太陽高度角和方位角計算公式如下所示[7]。太陽赤緯角δ為：

式中，φ代表當地的緯度，δ為赤緯角的數值，ω為時角的數值。

由以上公式可得到太陽的高度角H和方位角A。

1.2 鏡面反射角度的計算

確定好太陽位置后，再結合向量的運算方法，建立如圖1 所示的數學模型，進而得到一組太陽入射光線的向量和反射光線的向量。根據入射角與反射角的位置關系，結合計算得到的入射光線的向量和反射光線的向量，計算出法線向量，按照法線向量就可以對鏡面姿態進行相應的角度調整[8]。

圖1 入射光線與反射光線之間位置關系

其中，n為全年中的第幾天。太陽時角ω為：

其中，TR為全24 小時制時間。

太陽高度角H和方位角A為：

其中，Hs、As分別為入射方向的太陽高度角和太陽方位角。

其中，Hr、Ar分別為反射方向的太陽高度角和太陽方位角。

2 硬件設計

課題組設計的定日鏡跟蹤控制系統由以STM32f103RCT6 為核心的跟蹤控制單元、GPS 模塊、光強檢測模塊、驅動模塊、電源模塊以及降壓模塊組成。其跟蹤系統結構框圖如圖2 所示。該系統工作后，通過GPS 接收并解碼的位置信息計算出太陽的高度角和方位角，并將其作為單片機的輸入信號。再根據此刻的太陽高度角和方位角計算出太陽入射的角度及方向，進而得到此時的定日鏡鏡面角度。單片機通過兩路PWM 輸出對應的脈沖信號，控制兩臺舵機調整定日鏡鏡面的水平角度與俯仰角度來改變反射光線的位置，從而達到定向反射光線的作用[9]。同時對光強進行檢測，判斷是否進入休眠狀態。此外，還增加了降壓模塊，對系統的電路起到了保護作用。

圖2 跟蹤系統結構框圖

該系統各模塊的實現方式如下。

1）控制器模塊：本設計使用以STM32f103RCT6為主芯片的單片機開發板。這種開發板預置有多組外設接口，便于下載程序到芯片。同時，可以將開發板與電腦連接，便于對運行數據進行實時監督，能夠很好地滿足系統的控制要求。

2）GPS 模塊：選用型號為ATK1218-BD。采用GPS 衛星和北斗衛星共同發送信號的雙模定位芯片，該芯片能夠同時提供經緯度數據、海拔數據、時間數據，且直接可以用單片機的電源進行供電。

3）光強檢測模塊：在此選用普通光敏電阻即可。通過采集光敏電阻測量電路輸出的電壓值來判斷此刻太陽光的強弱，若太陽光不足，則系統處于休眠狀態[10]。

4）驅動模塊：采用兩臺型號為MG995 的數字舵機。驅動方式為PWM 進行驅動，適合用于本系統的采光裝置。

5）電源模塊：系統的電源模塊采用兩節18650 電池。該型號電池可以進行循環充電，理想狀態之下計算充滿一次電，可以對系統供電達到200 h，符合設計需要。

6）降壓模塊：采用的型號為LM2596S DC-DC 芯片。在系統設計中，在電源模塊里增加兩路降壓模塊，為芯片提高降壓保護的作用，防止當舵機卡位或者其他情況時電流過大損壞單片機芯片。

3 軟件設計

采用C 語言進行編程，主要包括主程序、GPS 模塊程序、舵機角度控制程序等，其中，主程序如圖3所示。

圖3 主程序

程序總體設計流程為設置循環主程序，由GPS模塊產生詳細的位置信息和時間信息，然后將位置、時間信息發送給單片機；在程序中，寫入一個程序讀取該信息，在子程序里開始初始化兩路PWM 程序，按照設置的延時與占空比，系統請求中斷返回到主函數，程序輸出對應的PWM 脈沖，按照設定的角度輸出給舵機，進行旋轉。軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件程序流程圖

4 實驗

4.1 實驗參數

GPS 模塊以38 400 的波特率進行數據采集，將系統所接收到的數據，進行相應的調試和分析。分析數據時采用GPS 模塊配套的串口軟件GNSS_Viewer-7.0 進行數據分析和調試。課題組以甘肅省蘭州市安寧區為實驗地點，得到所需要的參數信息。

4.2 參數分析

根據GPS 模塊返回的位置參數，計算從早晨8：30 到下午17：30 的太陽高度角H、方位角A及時角ω之間的變化規律，設置程序捕捉參數間隔的時間是每30 min 捕獲一次。以2022 年4 月23 日為實驗日期，觀察一天中定日鏡調整鏡面共19 次，一天之內太陽高度角H、方位角A及時角ω的變化趨勢圖，如圖5 所示。

圖5 一天之內太陽高度角H、方位角A及時角ω 的變化趨勢

由圖5 可知，在每天的正午時刻（12：00）太陽高度角和方位角達到最高值。按照計算得到的參數信息，建立數學模型，來確定太陽光線的向量，根據得到的向量數據求出法向量，對此法向量繪制折線圖，并分解到三個坐標軸上，分別為(x)、(y)、(z)。對分解后的三個參數進行分析，從而計算得到定日鏡的鏡面角度所需要的調整值。分解后的向量參數值如圖6所示。

圖6 分解后的向量參數值

得到了太陽光線的法向量，再按照定日鏡面的法向量和太陽光線法向量相平行的基本原則，計算得到定日鏡的鏡面角所需要調整的角度。

4.3 實驗現象

將定日鏡系統置于光照之下，GPS模塊的外置天線放在無遮擋和無干擾的環境之中，再調整定日鏡的鏡面來選取一個目標位置作為反射的基準點。通過串口將電腦和控制器進行連接，對GPS 模塊進行初始化，在串口助手中查看GPS 模塊的各項參數是否正常。做好一系列準備工作之后，將整個系統進行完整的連接。啟動系統進行工作，記錄鏡面的變化角度，觀測太陽光的反射位置是否在設定的范圍之內。對每個角度調整后的反射點進行拍攝，對比每個反射點位的變化范圍是否超出設定的要求。實驗時上午10：00 和10：30，中午12：00 和 12：30 兩組鏡面的反射光點的位置的變化圖，如圖7所示。

圖7 反射光點的位置變化

通過光影可知太陽位置的變化，在太陽光線變化的過程之中，反射的光點始終在規定的范圍之內。結合實驗現象可以判斷系統可以實現基本的功能。

5 結論

本設計為一種開環控制的定日鏡，可以實現自動跟隨太陽的旋轉，通過反射作用，始終將太陽的光線反射在同一個位置來進行熱量的收集。設計系統通過檢測太陽光線的位置，把GPS 模塊接收并解碼的位置信息作為單片機的輸入信號，單片機對接收到的參數信息進行處理和分析，最終轉化為調節舵機角度的脈沖信號并輸出到驅動舵機；舵機接受脈沖信號后按照設定的角度進行轉動，通過調整定日鏡鏡面的水平角度與俯仰角度，達到自動調整反射光線位置的目的，實現了系統設計的基本功能。該系統具有跟蹤精度高、抗干擾能力強等特點，提高了對太陽能的利用率，具有很廣闊的市場應用前景。