太阳跟踪控制系统设计

黄祥康，陈 鑫，李树蓉，邱选兵，魏计林

(太原科技大学应用科学学院，太原030024)

随着工业和经济的不断发展，人们对能源的需求越来越大。太阳能作为一种新型的清洁能源，取之不尽，用之不竭。如何更好利用这种新型绿色能源，实现人类社会的可持续发展，成为已经当今研究的热门课题之一。

相关理论和实验数据表明，在使用相同功率太阳能电池板的前提下，跟踪式太阳能系统比固定式太阳能系统的光伏转换效率要高出 37.7%左右[1-3]。由此可见，在实际应用中使用跟踪式的太阳能光伏发电系统，将会大幅度提高发电量，增加社会效益。

目前国内外的太阳跟踪控制系统主要有两种方法[4]，一是利用视日运动法算出任一时刻的太阳方位角和高度角，再驱动电机将电池板指向太阳位置，这种方法不能避免天气条件的影响，如在阴雨天的时候系统依然工作，还有可能出现找不到最佳跟踪角度而跟踪失效的不足;二是利用传感器采集光信号，将光信号处理后得到太阳偏移位置，再将电池板指向太阳位置，此方法的不足之处在于能不将跟踪系统从日落角度恢复到日出角度[5]。因此本文采用上述两种方法结合的基于低功耗Cortex-M3核的跟踪定位太阳，首先CPU通过GPS获取到控制系统的经纬度和实时时钟，再根据视日运动法理论上算出太阳位置，驱动电机使电池板指向太阳，再利用四象限传感器信号进行修正;同时采用独立的光强传感器，实时获得实时太阳光照，从而判断是否为阴天或下雨天而停止跟踪系统，节约控制装置能耗。

1 太阳跟踪原理

1.1 视日运动轨迹

根据天文学的知识，地球围绕太阳公转周期为一年，地球本身自转周期为1 d(24 h)。地球的自转轴与其围绕太阳公转的平面始终为23.5°，由此形成了一年的四季变化。一年之中，太阳直射点的纬度始终在23.5°S到23.5°N之间变化。某天太阳直射点的纬度称为太阳赤纬角δ，δ(°)是天数n的函数，δ与n之间的函数关系为:

式中:n——一年之中的天数，自1月1日起算。例如2月5日这一天，则n=36.

地球自转周期为24 h，假设地球不自转，则在地球上的观察者看来是太阳每小时自东向西移动15°，定义正午的时角ω(°)为0，一天之中的时角可用时角公式算出:

式中:h——24小时制的时间。当ω为正数表示太阳偏东，为负数表示太阳偏西。

在太阳跟踪系统中，主要用两个参数表示太阳位置:太阳高度角α(°)和太阳方位角A(°)，如图1所示。太阳高度角α指太阳照射某点的光线与它照射点所在地平面的夹角，太阳方位角A指太阳照射某点的光线在地平面上的投影与正南方的夹角，它们的计算公式为[5-6]:

式中:δ——太阳赤纬角;

ω——是时角;

φ——是当地纬度。

图1 太阳高度角与太阳方位角Fig.1 The altitude angle and azimuth of sun

1.2 传感器跟踪法

在太阳跟踪系统中使用最广泛的是四象限光电探测器。它是把四个性能完全相同的硅光电池(或光电二极管)按照直角坐标要求排列的光电探测器件[7]。安装时将探测器的感光面与太阳能电池板在同一平面上。当太阳光垂直射到太阳能电池板时，探测器上的光斑位于正中心，如图2。

太阳偏移一定位置时，则探测器的光斑也不再与中心重合，设光斑位置相对原点位置为Δx、Δy，如图3所示，传感器输出为:

图2 阳光直射时光斑位置Fig.2 The facula's position of point-blank sunlight

图3 阳光斜射时光斑位置Fig.3 The facula's position of skew sunlight

式中:y1-y4——四象限探测器第Ⅰ-第Ⅳ象限的输出;

C——由系统决定的常量。

系统根据Δx、Δy的值调整太阳能板的方向，当Δx=0、Δy=0时，表明探测器对准太阳。由于探测器感光面与太阳能板共面，此时阳光直射太阳能电池板。

2 跟踪机构设计

系统的跟踪机构是实现太阳跟踪的必要部分，是电机驱动太阳能电池板的重要传动环节。跟踪机构的设计要考虑到转动角度量、转动力矩、传动比以及传动效率等诸多因素。它的精密程度也直接影响到系统的可靠性和跟踪太阳的精度。

在地球上的观察者看来，太阳的一天的运动可分解为两个方向运动的合成:一个是自东向西沿纬线方向的运动，该运动改变太阳的方位角在;另一个是高度方向的运动，该运动改变太阳的高度角。根据这个思路，设计出双轴式的太阳跟踪系统的机械装置，其中一根轴为水平方向旋转轴，电池板能绕该轴做水平转动;另外一根轴为仰角旋转轴，电池板绕着它改变仰角大小。

图4是机械装置的示意图。主要由水平方向和仰角方向的控制电机、减速传动齿轮和支架构成。云台的驱动方式一般采用步进电机和伺服电机[8]。考虑到伺服电机难以控制转动角度，故本系统采用了高精度、易于控制转动角的步进电机。

系统工作时，水平控制电机通过减速齿轮带动系统水平旋转，跟踪太阳方位角;仰角控制电机则改变电池板仰角的大小，跟踪太阳的高度角。通过这两个运动的合成来达到电池板跟踪太阳的目的。设计时，将水平转动角度范围设在0～200°，仰角范围设在0～90°，以满足各纬度跟踪要求。

图5是实际制作的跟踪控制模型图。

图4 双轴式太阳跟踪系统的机械装置示意图Fig.4 The machine diagram of two-axis sun tracking system

图5 太阳跟踪装置模型图Fig.5 The model of the solar tracking control system

3 控制系统

3.1 控制系统硬件设计

根据前面论述的太阳跟踪原理，所设计的太阳跟踪控制系统，其组成如图6所示。控制系统主要由传感器、信号放大电路、通信电路、GPS模块、单片机控制电路、步进电机驱动电路以及机械云台等组成。

图6 控制系统框图Fig.6 Control system diagram

光强传感器用于检测当前光强，系统根据此光强信号判断是否启动跟踪;四象限传感器的信号通过放大电路进行调整，输出4个象限的电压信号提供太阳位置偏移量;系统的RS232接口为了使系统能与PC机通信，如PC机可以采集光强信号，太阳方位等信息;GPS模块则是为系统提供纬度和时间;电机驱动是驱动机械云台的水平和仰角的控制电机。

3.2 系统软件设计

整个跟踪系统的控制程序采用C语言在KEIL MDK平台上进行编写。系统上电后先进行ARM芯片的初始化工作，主要是配置芯片系统时钟为72 MHz、配置串口模块、配置GPIO口、ADC模块、DMA模块等。接着进行跟踪初始化工作，最后在死循环内跟踪太阳。

跟踪初始化过程:上电后先判断当前时间是不是处于跟踪时间范围内，为假则等待设定的开始跟踪时刻到来;否则系统将复位至最初状态，即驱动太阳电池板指向正南方，即方位角和仰角都0°的位置。至此跟踪初始化完毕。

跟踪过程:在初始化结束后，系统接着单片机从GPS模块读取信息，计算当时刻下的太阳高度角和方位角赋给相应变量，并驱动电池板转动相应角度。光强判断，若光强符合条件再利用四象限传感器进行角度修正;否则将不启动跟踪。等待5 min后读取GPS信息重新计算方位角和仰角并驱动电池板转动，接着进行光强检测。不断重复循环。直到超出跟踪时间范围或收到停止命令，则执行停止指令。停止工作。设计时在将执行命令的代码放在中断服务程序中，实现实时人为控制。

角度修正过程:假设进行修正前位置如图7，这时太阳光与电池板的法线夹角为φ，单片机从传感器信号计算得到Δx、Δy.首先进行仰角修正:驱动仰角电机产生相应动作使仰角减小，当检测到Δy=0时，仰角修正完成，如图8;接着进行水平角修正，同理当检测到Δx=0时，角度修正完成，电池板正对太阳。

图7 角度修正前位置示意图Fig.7 Position diagram before angle modification

图8 仰角修正完成时示意图Fig.8 Position diagram after angle modification

系统软件示意性代码和控制流程如下:

图9 主流程Fig.9 Main flow chart

4 试验与误差分析

图10中的两条曲线分别显示了2012年7月6日太原市(37.82 °N，112.48 °E)，用公式(3)和(4)求得的太阳高度角和太阳方位角随时间变化。表1是2012年7月6日系统在太原市(37.82°N，112.48°E)从8点到17点工作得到的实测数据。在表1中，理论值是利用公式算出来的太阳高度角和方位角;实测值则是当电池板对准太阳时测得的太阳的高度角和方位角，该值对应着太阳能电池板的高度角和方位角应。从表1的数据上分析，根据相关理论设计出的这套太阳能跟踪系统的跟踪精度比较理想，达到了预期的效果。

图10 太阳高度角和方位角随时间变化图Fig.10 The changing curve of sun's altitude angle and azimuth with time

表1 一天之中太阳高度角、方位角的理论值和实测值Tab.1 The theoretical values and actual values of altitude angle and azimuth

5 结语

本文设计的基于ARM的太阳能跟踪系统，采用传感器与视日运动轨迹法结合，克服了只靠传感器跟踪系统无法自动恢复初始位置和只靠视日运动轨迹法跟踪系统因天气原因不能停止工作而损耗能源的缺点。

内嵌ARM-Cortex M3核的STM32F10X系列处理器拥有优越的架构和丰富的外设资源，能够在多种复杂的环境条件下稳定工作。采用STM32处理器作为控制器的太阳跟踪系统，经实物模型试验表明，系统跟踪精度良好，且成本低、可靠性好，可以在光伏发电领域中推广应用。

[1]耿其东，李春燕.双轴式太阳跟踪装置控制系统的研究[J].自动控制与检测，2011(3):53-56.

[2]罗来武，顾菊平，茅靖峰，等.基于 Freescale的混合式两轴光伏跟踪控制系统设计[J].微机电，2011，27(9):94-98;102.

[3]裴亮，洪荣晶，孙环阳.基于 ADAMS的光伏跟踪机构优化设计[J].机械设计与制造，2011，3(3):57-58.

[4]周培涛，李成贵.基于TMS320F2812的太阳跟踪器设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2010(11):64-66.

[5]关继文，孔令成，张志华.高精度太阳能跟踪器控制设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2010(3):23-25.

[6]荷晓雷，于贺军等.太阳方位角的公式求解及其应用[J].太阳能学报，2008(1):69-73.

[7]吴静，杨懿，潘英俊.用四象限硅光电池和单片机实现太阳跟踪[J].四川工兵学报，2009(1):101-104.

[8]邢邦丽，赵志成，曾建潮.内模PID控制器在云台伺服系统中的应用[J].太原科技大学学报，2012，33(4):105-109.