太阳方位的自动获取及实时跟踪系统的设计＊

王 斌，张 珣

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

在众多环境问题中矿物燃料形成的污染十分严重，而利用太阳能作能源，没有废渣、废气、废水排出，无噪声，不产生有害物质，这在环境污染日趋严重的今天显得尤为可贵［1］。21世纪人类最清洁、最廉价的能源就是太阳能［2－3］。它作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔。太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而由于太阳随季节气候和天气昼夜变化而变化，如果不能做到实时跟踪，那么太阳能将会变得非常不易收集［4］。传统的太阳追踪控制系统需要计算机辅助，成本较高，且需要地球经纬度地区的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数;原理、电路、技术、设备复杂，非专业人士不能够随便操作。本文基于一种高精度太阳方位的算法，设计了一套实时跟踪系统，能让装置在任意方向摆放时自动追踪太阳方位，整套系统成本较低，性能稳定，能够被广泛的应用于光伏发电系统。

1 太阳方位的数学模型简介

定位太阳，即得到定位点精确的太阳高度角与太阳方位角，而这两个角度可以通过解天文球面三角得到，其计算公式如下［5］:

其中h为高度角;A为方位角。只要能得到精确的太阳赤纬角、纬度以及太阳时角τ，那么太阳就能被精确定位，而经纬度与格林时间可以通过GPS得到，这里主要介绍δ和τ的计算。这两个角度计算的方法有多种，通过实验发现，相比较而言，以下两种方法能得到较高的精度并且具有较简单的操作，一种是传统的公式计算法，另一种则是通过查太阳赤纬表、时差表并加以补偿计算法，为方便以下简称为公式法和查表法。

1.1 公式法

(1)太阳赤纬角

地球绕太阳公转的轨道平面称黄道面，而地球的自转轴称极轴。极轴与黄道面不是垂直相交，而是呈66.5°角，并且这个角度在公转中始终维持不变。正是由于这一原因形成了每日中午时刻太阳高度的不同，以及随之而来的四季变迁。太阳赤纬角在春分和秋分时刻等于0，而在夏至和冬至时刻有极值，分别为±23.442°。

由于太阳赤纬角在周年运动中任何时刻的具体值都是严格已知的，所以它 (δ)也可以用以下表达式表述，即:

式中N为积日，所谓积日，就是日期在年内的顺序号，例如，1月1日其积日为1，平年12月31日的积日为365，闰年则为366，等等。

(2)太阳时角

真正的太阳在黄道上的运动不是匀速的，而是时快时慢，因此，真太阳日的长短也就各不相同。但人们的实际生活需要一种均匀不变的时间单位，这就需要寻找一个假想的太阳，它以均匀的速度在运行。这个假想的太阳就称为平太阳，其周日的持续时间称平太阳日，由此而来的小时称为平太阳时［6］。

1.2 查表法

这里的“表”是指以4年为一个周期的太阳赤纬表和太阳时差表，共8张，将其输入单片机或其他数据库，固化于CPU中，可以随时提取。

(1)太阳赤纬角

δ是时间函数，每秒计能够满足时间精度要求，4年一周。

其中，TG表示太阳格林时，由GPS得到;δG12h是正午12点的太阳赤纬角，由数据库提取;赤纬和测量者赤纬的符号，应该北正，南负。

(2)太阳时角

其中，ΔTG12h表示格林时差，由数据库提取;τ太阳时角，是平阳时、时差、时差修正量和测量者经度的函数，方位以顺时针方向360计，时角以西行作为起点较为方便，东经也换算成西经进行计算。

换算式:λZW=360－λZE，其中λZW为西行测量者经度;λZE为东行测量者经度，由GPS得到;同样，也可以使用天文学公式计算出太阳高度角和方位角。

通过以上的比较，可以发现采用公式法由于存在大量正余弦的运算，不便于在单片机里进行，这会大大的延长其运算时间，并且每次运算都要对年份、经度、时刻等值进行修正，较为繁琐，很难做到实时追踪，而查表法只需将数据表存入EEPROM，在使用时直接读取即可，做较为简单的计算，操作简便，但由于表格以小时为单位，分和秒进行折中计算，会产生一定的误差，但实际试验中仍能满足追踪需求，因此在本系统中采用查表法。

2 系统结构模型

整个系统的结构如图1，其中箭头表示数据流方向。

图1 系统框架图Fig.1 Block diagram of the system

(1)处理器dsPIC30F6014A

单片机作为核心处理器采用了微星公司的dsPIC30F6014A，具有低功耗、高速度、体积小、功能强、抗干扰能力强等优点，其内置DSP引擎，显著提高了内核运算能力和吞吐量，可实现最佳性能［7］，内置4K EEPROM可以将数据表格直接存在其中，另外丰富的外围接口为将来扩展其他功能提供了方便;但是由于单片机的UART模块有限，而外部需处理的数据较多，故采用串口扩展芯片进行分流。

(2)GPS模块

GARMIN的GPS产品为同时能跟踪多达12颗卫星的GPS接收机，功耗非常小，数据更新率为每秒一次，采用0183协议与单片机进行通信，单片机获取当地的年月日、时分秒、经纬度信息，以用于上述的太阳方位计算。

(3)HMR3200

HMR3200是霍尼韦尔公司生产的高精度电子罗盘，具有两轴的磁阻传感器，能够输出分辨率为0.1°的航向角，即以磁北为0°的顺时针角度，用于识别整个装置的初始位置。

(4)数字方位仪

高精度数字方位仪由两个步进电机控制摄像头组成，能够在水平面和垂直面精确定位，电机采用了两相混合式步进电机，步距角为0.9°，分辨率不能达到追踪需求，故采用细分芯片MTD2009J对每一步进行了4096的细分，分辨率控制在0.001°以内，考虑到步进电机存在丢步、共振导致的误差，每次转回原点都对其进行修正，确保精度在0.01°以内，用以达到追踪的需求，整个装置与上述电子罗盘一起固定在一个水平环内，外界的适度倾斜能使装置保持水平，同时以这个初值作为垂直面的高度角基准，以电子罗盘的初值作为水平面的方位角基准，并以485信号返回高度角和方位角与单片机通讯，同时方位仪有一套自身协议，单片机可通过指令控制其上下左右的旋转;方位仪上摄像头输出的视频信号经过视频图像编码芯片送入TFT屏显示。

3 系统软件工作流程

图2为系统的工作流程，其中系统初始化包括系统的安装，必须确保罗盘与方位仪的水平位置相对固定，否则将会产生系统偏差。另外，HMR3200需要进行一个自校准，由于电子罗盘依靠地球磁场来得到输出指向，而其磁阻传感器容易受到软硬铁的干扰，使测得磁场为地磁和周围磁场的合磁场，因此必须将整个载体平台旋转一圈，以扣除周围磁场在两个磁阻轴上引起的偏置，确保输出的精度［8］。然后读取HMR3200输出数据，记为θ1，读取GPS数据，并调用EEPROM计算太阳高度角h，方位角θ2，则方位仪的真实垂直旋转角度为h，水平角度为θ=θ1－θ2，若θ＜0，则θ=θ+360;同时单片机实时读取方位仪的返回值判断是否到达目标位置，完成后则继续读取GPS数据，重复上述操作。若校准后周围又重新放置了大型铁块，使磁场发生改变则需重新校准HMR3200，若主控制台发生移动，则需重读传感器数据。

图2 软件流程图Fig.2 Flowchart of the software for the system

4 结果分析

在测试环境中对上述两种高度角和方位角的算法进行了试验，验证了其可行性，其计算精度都能用于太阳追踪。在实际系统中采用了查表法，下表为某地每分钟连续测试结果，限于篇幅仅列出5组数据如下 (测试地点:东经120.3374°，北纬30.3143°;测试日期:2010－1－11):

表1 太阳方位计算值Table 1 Some calculated values of azimuths of the sun

根据上述结果及长时间的计算显示，计算误差在0.04°左右，将其作为系统误差扣除，使其精度能保证在0.01°，因此能够满足实时的跟踪，通过数字方位仪摄像头对太阳进行捕捉，结果如图3。

图3 捕捉视频显示Fig.3 Display of the captured video

由于太阳光的强度很大，摄像头直接对准太阳会导致其损坏，因此在摄像头上安装了中性衰减片，不同波长的光按同一比例衰减［9］，既保护了摄像头，也使得图像便于观察处理。

5 结论

本系统基本实现了太阳方位的定位和实时追踪功能，能够在光伏发电系统中使用，但仍有可以改进的地方，由于各个模块相对独立，安装、设置等步骤相对比较麻烦，可以将GPS、电子罗盘置于一块电路板中，用DSP作为处理器，直接对图像进行获取，缩小体积，便于使用。另外，对于太阳方位计算可以进一步细分太阳赤纬表和太阳时差表，用更大容量的EEPROM来存储，使得追踪精度进一步提高。

［1］M M Ardehali，M Shahrestani，Charles C Adams.Energy Simulation of Solar Assisted Absorption System and Examination of Clearness Index Effects on Auxiliary Heating ［J］.Energy Conversion and Management，2007，48(3):864 －870.

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［4］赵丽伟.太阳自动追踪系统的研究 ［D］.吉林:吉林大学，2007.

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［6］王炳忠.太阳辐射计算讲座 ［J］.太阳能，1999，(2):8－10.Wang Bingzhong.Lecture on Calculation of Solar Irradiance ［J］.Solar Energy，1999，(2):8－10.

［7］刘和平.dsPIC通用数字信号控制器远离及应用 ［M］.北京:北京航天航空大学出版社，2007.

［8］Michael J Caruso.Applications of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems ［EB/OL］.Honeywell Inc，2009 －11－28，http://www.honeywell.com.

［9］吴春晖，朱庆生，周小军.全日面太阳光学和磁场望远镜的自动跟踪与导行方法 ［J］.天文研究与术——国家天文台台刊，2007，4(2):147－152.Wu Chunhui，Zhu Qingsheng，Zhou Xiaojun.The Tracking and Guiding Method for Full Solar Disk Vector Magnetograph Telescope ［J］. Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2007，4(2):147－152.