基于光电和倾角检测的全天候太阳跟踪传感器设计*

李加念， 洪添胜， 倪慧娜

(1.昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650500；2.华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642)

基于光电和倾角检测的全天候太阳跟踪传感器设计*

李加念1,2， 洪添胜2， 倪慧娜2

(1.昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650500；2.华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642)

为提高双轴太阳跟踪系统的跟踪精度，设计了一种全天候太阳跟踪传感器。该传感器主要由外壳、接口电缆、9个光电探头、倾角传感器SCA100T—D02及相应电路组成。晴天时通过光电探头检测太阳的位置，阴雨天气时通过SCA100T—D02实时反馈太阳能电池板转动后的倾角，以修正和消除太阳跟踪系统进行视日运动轨迹跟踪时的机械误差。通过理论分析计算，确定了光敏电阻器在探头中的安装位置，传感器可感知高度角在-88.83°～88.83°范围内的太阳入射光线。经试验测试，传感器的倾角检测的最大相对误差为3.8 %，能满足实际应用要求。

太阳跟踪；传感器；光电；倾角；全天候；SCA100T—D02

0 引 言

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源。研究表明，采用跟踪太阳比固定安装太阳能电池板的太阳能接收率提高37.7 %。目前，国内外通常是基于视日运动轨迹跟踪法和光电跟踪法设计太阳跟踪系统和跟踪传感器[1～5]。视日运动轨迹跟踪法根据太阳的天文运行规律，计算出每时每刻的太阳高度角与方位角，并以此作为参数控制太阳跟踪装置。此方式不易受天气和环境的影响，能够实现对太阳方位的连续跟踪，但属于开环跟踪，不存在角度反馈对系统进行修正，难以避免长期跟踪过程中产生的机械累积误差。光电跟踪法利用光电原理实时检测太阳位置进行跟踪，属于闭环控制方式，不受跟踪装置安装的地理位置和冬夏时差的影响与限制，可以获得较高的跟踪灵敏度和跟踪精度，但受天气条件的影响较大，在非晴朗天气时误差较大，甚至会出现工作不正常。为提高跟踪精度，研究人员将视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合[6]，取得了很好的效果，但视日运动轨迹跟踪时的机械累积误差问题仍然存在。

本文设计一种既能用于光电跟踪，又可为视日运动轨迹跟踪反馈太阳能电池板倾角的全天候太阳跟踪传感器，以进一步提高太阳跟踪的精度。

1 传感器的整体构造与工作原理

传感器的整体构造如图1所示，主要由外壳、接口电缆、9个探头以及安装于壳内的电路组成。外壳包括半球形盖子和圆柱形底座，由尼龙材料加工而成；壳内的电路实现光电转换与太阳能电池板的倾角检测，通过接口电缆与外部电路及控制器相连；9个探头呈十字形均匀地安装在半球体盖子上，分别从东西和南北2个方向上检测太阳入射光线。

图1 太阳跟踪传感器整体结构Fig 1 Overall structure of the sun tracking sensor

传感器安装时，应使其底座平行于太阳能电池板平面，且探头所在的2个方向分别平行于东西和南北方向。启动太阳跟踪时，先进行光强检测，分别对9个探头进行光电转换，并取其最大值与已试验确定的阈值比较，当光电转换最大值大于该阈值时，则认为天气晴朗并启用光电跟踪；否则，启用视日运动轨迹跟踪。光电跟踪时，分别在2个方向上逐一比较各个探头的光强检测值，并根据比较结果调整太阳能电池板的倾角，当最中间的探头的光强检测值最大时，则认为太阳光垂直入射太阳能电池板[7]；视日运动轨迹跟踪时，传感器则检测太阳能电池板的倾角，根据太阳天文运行规律计算出的角度调整和修正太阳能电池板的倾角。

2 传感器的外壳设计

盖子为外直径100 mm、内直径76 mm的空心半球体，其上设有9个直径为15.4 mm的通孔用以安装感光探头。其中1个通孔位于半球体顶部正中央，其余8个以该通孔的中心点为中心呈十字型均匀分布在半球体上。各个通孔的中心延长线汇交于半球体的球心，同一方向上相邻2个通孔中心线的夹角为30°。底座设计为空心圆柱体，外直径100 mm，内直径76 mm，高50 mm，深40 mm，用于放置电路板和相应元器件，且底座外部设有安装孔位，用于固定安装整个传感器。

3 传感器的感光探头设计

3.1 探头的结构

探头的结构如图2所示，主要由镜筒、凸透镜和1只光敏电阻器组成。镜筒采用吸光能力较强的纯黑色塑料材质，可大大减小太阳光在镜筒内壁上的反射。镜筒的外径为15.4 mm，内径为13 mm，高为12 mm。凸透镜的直径为13 mm，焦距为10 mm。光敏电阻器的阻值为100 kΩ，表面直径为4 mm，安装在凸透镜的焦点(太阳正射凸透镜时)位置上方，且在镜筒的中心线上。

图2 镜筒外观结构Fig 2 Appearance structure of lens cone

3.2 光敏电阻器的安装位置

光敏电阻器的安装应使受光量的变化范围要尽可能大，且其表面能均匀感知太阳光正射时的最大光强[8]。安装位置示意图如图3所示，r为凸透镜的半径，f为太阳光垂直入射凸透镜时的焦距，d为光敏电阻器的直径，h为光敏电阻器在镜筒中的安装深度。由相似三角形对应边呈比例的关系可得

(1)

将相应数据代入式(1)可得h=6.9 mm，即光敏电阻器安装在镜筒内的中心线上并且使其感光表面与镜筒顶面的距离为6.9 mm。

图3 光敏电阻器的安装位置示意图Fig 3 Diagram of installation position of photo sensitive resistance

3.3 探头的感光范围

由探头的结构知，当太阳光垂直照射于凸透镜时，经凸透镜聚光后的光斑将光敏电阻器的感光表面全部覆盖，光敏电阻器的受光面积达到最大，此时太阳光线与镜筒轴心线平行。当太阳光线与镜筒轴心线成某一夹角时，经凸透镜聚光后的光斑发生偏移，光敏电阻器的受光面积小于最大值，并且随着太阳光线与镜筒轴心线之间的夹角的增大，光敏电阻器的受光面积将会逐渐减小，直至减为0。若设太阳光线与镜筒轴心线之间的夹角为α时，光敏电阻器的受光面积恰为0，则探头的感光范围为0～2α。太阳光以角度α入射探头时光线在镜筒内的传播路线如图4所示，照射于凸透镜最边缘的太阳光经A点折射进入镜筒并与光敏电阻器相交于C点，过C点向镜筒的上底圆作垂线交于B点，光线AC与镜筒轴心线之间的夹角为θ，图中的r，h和f同图3。

图4 太阳入射光线在镜筒内的折射示意图Fig 4 Refraction diagram in lens cone of incident light of the sun

由光的折射定律和三角形知识可得

(2)

式中n为凸透镜的折射率，其值约为1.6。将相应数据代入式(2)可得sinα=0.4823，从而计算出α约为28.83°，即单个探头的感光范围为以镜筒轴心线为对称轴的-28.83°～28.83°。从而，太阳跟踪传感器的感光范围为以过半球体球顶的中心线为对称轴的-88.83°～88.83°，即当传感器水平放置时可感知高度角在-88.83°～88.83°的太阳入射光线。

4 电路实现

4.1 光电转换电路

利用光敏电阻器与固定阻值电阻器相串联组成分压电路，将太阳光强变化转换成电压变化。由于传感器的9个探头是分时工作的，为简化电路设计，采用多路复用电子开关ADG706按需分别将各个探头的光敏电阻器(R1～R9)接入电路中，其电路原理图如图5所示。根据实际需要，由控制端A0～A3决定哪个探头的光敏电阻器与电阻器R19组成分压电路并将太阳光强转换为电压信号，然后将电压信号送至外部控制器进行A/D转换。

图5 光电转换电路转换原理图Fig 5 Conversion principle diagram of photoelectric conversion circuit

4.2 倾角检测电路

采用双轴倾角传感器SCA100T—02实现倾角检测。SCA100T—02以5 V单电源供电，能同时检测X,Y方向2个维度的倾角，检测角度范围为-90°～90°，分辨率为0.002 5°，检测结果可以以数字量输出。控制器可通过SPI(serial peripheral interface)接口读取SCA100T—02内部的X和Y方向的角度信息以及其它信息，接口电路如图6所示。

图6 倾角检测电路原理图Fig 6 Principle diagram of inclination detection circuit

SCA100T—02的角度信息以11位数字量形式输出，其数字量与角度的关系为

(3)

式中α为检测的角度；Dout为X或Y方向的输出数字量；Doffset为0°时输出的数字偏移量，标称值为1 024；sensitivity为灵敏度对应的数字量，标称值为819。

4.3 电气接口

太阳跟踪传感器采用有一根12芯护套线，与外部的电源电路和控制器进行电气连接。该12芯护套线分别与ADG706的电源端VCC_3.3 V，使能端EN，输入通道的选择控制端A0,A1,A2和A3，倾角传感器的电源端VCC_5 V，用于SPI接口的MISO,MOSI,SCK和CSB引脚，以及电路的接地端GND相连。

5 太阳跟踪传感器倾角检测的标定与验证

5.1 倾角检测的标定

由式(3)知，SCA100T—D02检测的倾角需进行反正弦函数运算，计算过程比较复杂。为简化计算，通过实验标定SCA100T—D02的输出信息与实际倾角的对应关系。

标定时采用数显倾角仪Pro360(量程为4×90°，分辨率为0.1°，精度为0.2°)作为标准。为保证标定过程中SCA100T—D02与Pro360位于同一平面上，将二者固定于钢化玻璃上，并将钢化玻璃粘合于太阳能电池板上，通过太阳跟踪机构[9]提供不同的角度，使太阳能电池板在X轴方向以1°为步进先从-60°转动到60°，再从60°转动到-60°，在Y轴方向以1°为步进先从-30°转动到30°，再从30°转动到-30°(太阳能电池板水平时为0°)，并在转动过程中，用万用表分别测量SCA100T—D02的X轴或Y轴对应的模拟电压输出端的电压，同时记录Pro360所测的角度。实验结果如图7所示，SCA100T—D02的输出电压与实际角度呈线性关系，其相关系数R2为0.997 4。

图7 传感器输出电压与倾角的关系Fig 7 Relationship between sensor output voltage and inclination

由于SCA100T—D02的输出数字量与输出电压有着固定的对应关系，即

(4)

式中x为SCA100T—D02的输出电压；Vcc为SCA100T—D02的供电电压(5 V)；Dout为SCA100T—D02的输出数字量。因此，结合图7中的公式可得SCA100T—D02所测角度与输出数字量的关系为

y=-0.079Dout+81.107.

(5)

从而可通过一种相对简单的计算，将SCA100T—D02的输出数字量转换成对应的倾角。

5.2 倾角检测的验证

采用与标定实验时同样的方式驱动太阳能电池板转动，并将太阳跟踪传感器测量的倾角与数显倾角仪Pro360的检测值进行比较，以验证对倾角的测量精度。实验结果如图8所示，太阳跟踪传感器的倾角检测最大误差为2.3°，其最大相对误差为3.8 %，能满足实际应用需求。

图8 太阳跟踪传感器的倾角检测误差Fig 8 Error of inclination detection of the sun-tracking sensor

6 结 论

本文设计了一种全天候太阳跟踪传感器，既可在晴天应用于光电跟踪，又可为阴雨天气采用视日运动轨迹跟踪时反馈太阳能电池板转动后的倾角，用以提高太阳跟踪精度。通过理论分析计算，确定了光敏电阻器安装在镜筒内的中心线上且距镜筒顶面6.9 mm处，传感器的感光范围为以过半球体球顶的中心线为对称轴的-88.83°～88.83°。进行了传感器倾角检测的标定与验证，最大相对误差为3.8 %。将传感器安装在太阳跟踪装置上进行了实际应用测试，取得了良好的效果。

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Design of all-weather sun-tracking sensor based on photoelectric and inclination detection*

LI Jia-nian1,2, HONG Tian-sheng2, NI Hui-na2

(1.School of Modern Agricultural Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.School of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

In order to improve tracking precision of double-axis sun-tracking system,an all-weather sun-tracking sensor is designed.The sensor is composed of shell,interface cable,nine photoelectric probes,inclination sensor SCA100T—D02 and corresponding circuits.The photoelectric probes detect position of the sun in sunny day,and in order to modify and eliminate mechanical error of sun-tracking system while tracking solar motion trajectory in cloudy and rainy day,SCA100T—D02 is used to realtime feedback inclination of solar panel after rotation.Through theoretical analysis and calculation,installation position of photosensitive resistor in probe is determined,and the sensor can sense incident sunlight whose altitude angle range of -88.83°～88.83°.Test results show that the maximum relative error of the sensor for inclination detection is 3.8 %,and can meet actual application requirement.

sun-tracking; sensor; photoelectric; inclination; all-weather; SCA100T—D02

2014—02—10

昆明理工大学省级人才培养项目(KKSY201323003)；现代农业产业技术体系建设专项资金资助项目(CARS—27)；国家公益性行业(农业)科研专项经费资助项目(200903023)

TK 513.4

A

1000—9787(2014)04—0083—04

李加念(1983-)，男，湖南道县人，博士，讲师，主要从事电子信息技术与测控技术应用研究。