光电位置传感器在高精度太阳自动对准中的应用*

曲春英，卞秀芬

（海南师范大学物理与电子工程学院自动化系，海口571158）

光电位置传感器在高精度太阳自动对准中的应用*

曲春英*，卞秀芬

（海南师范大学物理与电子工程学院自动化系，海口571158）

分析了目前太阳跟踪方式中存在的问题，为进一步提高太阳跟踪精度和利用率，设计了基于光电位置传感器的太阳追光系统；设计了跟踪装置，达到了跟踪的稳定性；跟踪策略上采用光电跟踪与视日跟踪相结合，实现了全天候自动跟踪。经试验表明：该方法简单，跟踪精度高，稳定性好。

太阳能；光电位置传感器；自动跟踪；单片机

为应对全球资源短缺，太阳能作为洁净无污染的可再生能源，成为人类研究的热点。为提高太阳能的利用率，对太阳的跟踪是必不可少的［1］。香港大学建筑系的Hui S C M和Cheung K P［2］教授研究了太阳光角度与太阳能接受率的关系，理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%。国内外研究的跟踪方式无外乎以下几种：视日轨迹跟踪系统，光电跟踪系统，基于数字图像处理的跟踪系统和混合跟踪系统［3-4］。其中混合跟踪即为视日跟踪与光电跟踪相结合，这种方法弥补其他方法的不足，既避免了累计误差，也解决了阴雨天不能工作的问题，控制精度较高［5-6］。

本文从精度、性价比角度考虑，采用混合跟踪系统，重点是经过试验选取合适的光电传感器来对准太阳，并设计工作平台，寻求更高跟踪精度的太阳追光系统。

1　PSD传感器的选择

光电传感器是一种将光信号转换为电信号的感光元件。这里首先考虑采用四象限硅光电池，用四个光电池分布在四象限，其工作原理为：当传感器轴线对准太阳时，由于四片定位光电池布置在四个不同的方向，四片光电池受到的辐照度产生差异，引起光电流的差异，光电流经过运算放大器放大后引起了电压的差异，输入单片机进行处理，通过驱动电路驱动电机，调整跟踪传感器的位置［7-8］。但是由于四个光电池的实际安装与理想的设计总会存在偏差，外加光电池的自身特性，经过试验无法实现高精度的跟踪。

为进一步提高传感器跟踪精度，考虑采用光电位置传感器PSD（Position Sensitive Device），它具有二极管阵列和CCD的定位性能外，还具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和电路配置简单等优点。作为新型器件，PSD已经被广泛应用在位置坐标的精确测量上［9］。保证系统启用光电跟踪时可达0.2°的跟踪精度，可实现各种天气情况下，全天候的自动跟踪。

PSD是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑在PSD的位置，与入射光的强度和尺寸无光。二维PSD在方形机构上有两对互相垂直的输出电极。一对用来确定X方向位置坐标，另一对用来确定Y方向位置坐标，如图1［10］所示。

图1　二维PSD结构

二维PSD输出与入射光电位置的关系为：

式中X1，X2，Y1，Y2表示各信号的输出电流（光生电流），Px，Py表示入射光点的位置坐标（坐标原点在光敏面中心），L表示PSD器件光敏有效区域边长。

2　提高系统精度的关键设计

为了避免传感器受到外界杂光的干扰，使追光的准确性和稳定性变差，这里采用圆筒遮光的方案如图2所示。

图2　太阳对准装置

作为感光元件的PSD传感器置于底座的中心，套上不透光的遮光圆筒，并将凸透镜置于圆筒的顶部，透过的光会在凸透镜的汇聚作用下照射在PSD上，光强调整机构采用一个步进电机控制一个带有不同大小孔径的圆盘，用来调节采集光信号光孔的大小，这个根据单片机采集的光强电压大小来控制的，当电压值大于规定值时就像孔径小的一方旋转，旋转角度是固定的，孔径在圆盘上也是按照等间距安排的。机械跟踪部分不在此赘述。

3　追光系统硬件设计

考虑到系统所需实现的功能，选用Cygnal公司生产的C805IF021单片机主控芯片。C8051F021有8位端口组织的32个数字I/O引脚，端口P0、Pl、P2和P3既可以按位寻址也可以按字节寻址。所有引脚都耐5 V电压，都可以被配置为漏极开路或推挽输出方式和弱上拉［11］。可以确保系统的跟踪精度，系统硬件框图如图3所示。

图3　追光系统硬件框图

PSD产生的微弱光电流，经过I/V变换，产生的电压信号经MAX197放大，然后输给单片机，单片机根据采集的信号对步进电机加以控制，进而实现对太阳的自动跟踪。同时根据采集的PSD的光强信号的大小确定开启光电跟踪还是视日跟踪。视日跟踪采用时钟芯片DS1302，通过读取当前时间，计算出太阳的高度、角度位置，单片机控制电机，实现日历查询跟踪。CH451实现对键盘的控制和数码管的驱动采用数码管显示当前时间。

当检测到阴雨天气时启动视日运动轨迹跟踪，实时的跟踪太阳的运行，出现太阳光后并达到光强的跟踪范围时，重新启动光电跟踪。根据光强的大小可以实现光电跟踪和视日运动轨迹跟踪方式之间的切换，从而达到高精度的对太阳进行跟踪。

4　系统软件设计

系统软件总流程图如图4所示。开机之后，首先进行上电复位，进行系统初始化，初始化完成后，系统首先判断是白天还是黑夜，如果是黑夜系统进入等待状态，如果是白天系统启动视日运动轨迹跟踪，视日运动轨迹跟踪完成后进入到光电跟踪的视场范围之内，根据采集的PSD的光强信号的大小判断启用哪种跟踪方式，达到光电跟踪的光强时启动光电跟踪，如果没有达到光电跟踪时，继续运行视日运动轨迹跟踪。

图4　系统软件流程图

5　实验结果

验证系统的精度和稳定性需要设计试验装置，本系统采用的方法是在室外将太阳追光装置和长1 m的直尺安装在一起，保持在同一水平面上，且都与水平面垂直。通过测量直尺产生的影子长度来验证跟踪精度。设影子长度为h（mm），则有太阳的跟踪误差为：

根据系统要求，光电跟踪要达到0.2°的精度，h的取值范围应该小于等于3.5 mm。经过反复多次实验，下面给出其中一组测量数据，如表1所示。

通过试验可得，设计的太阳追光系统达到了0.2°的高精度要求，且具备长期工作的稳定性。

为了尽可能提高跟踪精度，可从机械装置部分入手，传动齿轮的选择，控制电机的选择［12-14］；另外安装时尽可能保持装置与水平面垂直。

表1　系统跟踪误差

6　结束语

（1）本文设计了一高精度的太阳自动对准系统，采用PSD光电位置传感器，设计出了实验装置和实验方法，跟踪策略是光电跟踪与视日跟踪相结合。经过测试，系统可进行全天跟踪，跟踪精度不低于0.2°。

（2）系统性价比高，加工简单，安装方便。

（3）系统精确地对准太阳，有效地提高能量的接收率，适用于光伏利用、光热利用中各种需要太阳追踪的场合。

［1］John T Agee，Adisa A Jimoh.Control of a 3 kW Polar-Axis Solar Power Platform with Nonlinear Measurements［J］.Solar Energy，2010（432）：43-67.

［2］Hui S C M，Cheung K P.Developing a Web-Based Learning Environment for Building Energy Efficiency and Solar Design in Hong Kong［C］//Sises Solar World Congress，Jerusalem，1999，4-9.

［3］王林军，卲磊，门静，等.太阳能自动跟踪系统的研究现状及展望［J］.中国农机化学报，2014，35（1）：283-286.

［4］路瑶，何秋生，苑伟华，等.太阳跟踪方法综述［J］.自动化技术与应用，2014，33（5）：1-4.

［5］Zawadaki A，Covemty J.Paraboloidal Dish Solarconcentrators for Multi-Megawatt Power Generation［C］//Beijing：Solar World Congress，2007：31-34.

［6］Mihajlo Firak.Comparative Analysis of the Solar Dish Electricity Production［J］.Thermal Science，2005，（9）：69-83.

［7］刘巍，王志超，沈峘，等.太阳自动跟踪装置的研究与设计［J］.水电能源科学，2009，27（2）：215-218.

［8］李芳，郭建强，何婷婷，等.四象限探测器光电跟踪伺服系统的研究［J］.现代电子技术，2013，36（11）：109-122.

［9］张新，高勇，安涛，等.PSD光电位置传感器的实现及SOI结构研究［J］.西安理工大学学报，2005，21（3）：236-240.

［10］王志超，韩东，徐贵力，等.一种新型太阳跟踪器的设计［J］.传感器与微系统，2009，28（2）：91-94.

［11］王志超.太阳能热发电系统中太阳跟踪器的研究［D］.南京：南京航空航天大学，2009.

［12］向平，程建民.碟式太阳能跟踪装置的结构设计和动力分析［J］.机械设计与制造，2009（6）：17-19.

［13］张瑜，路博.一种高精度的太阳跟踪方法［J］.可再生能源，2012，30（2）：103-106.

［14］尤力，周建江.用于碟式太阳能聚光器的太阳自动跟踪系统的研制［J］.信息化研究，2011，37（1）：9-11.

曲春英（1979-），女，吉林省公主岭人，海南师范大学，副教授，硕士。研究方向为传感器检测技术、太阳能利用技术，quchunying123@163.com。

Application of Photoelectric Position Sensor in High Precision Automatic Sun Tracker*

QU Chunying*，BIAN Xiufen
（Department of Automation，College of Physics&Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou 571158，China）

To improve the utilization rate of solar energy，the current problems of sun tracking is analyzed，the solar spotlight system is developed based on photoelectric position sensor；the tracking device is designed to achieve stability；tracking strategy adopts photoelectric tracking combined with calendar-reckoning，and all-weather automatic tracking was realized.Experimental results show the method is simple，and it has high tracking precision，good stability.

solar energy；photoelectric position sensor；automatic tracking；single chip microcomputer

TK513.5

A

1005-9490（2016）05-1145-04

项目来源：国家自然科学基金项目（51466002）；海南师范大学建设物理学硕士点项目（20140092102）

2015-09-23修改日期：2015-10-26

EEACC:7230C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.025