新型太阳追踪传感器的设计与性能测试*

马少卿，孙荣霞，王学军

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071000)

新型太阳追踪传感器的设计与性能测试*

马少卿，孙荣霞，王学军

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071000)

太阳能追踪传感器的性能制约着太阳能跟踪装置的精度和跟踪范围。针对传统光筒式传感器测量范围小、稳定性差等缺点，设计了一种改进型光筒传感器。在室内对传感器的测量范围进行了测试，在室外测试了改进传感器的阈值对跟踪装置的影响。将日梭万年历所计算的太阳高度角和方位角作为参考值。经测试，在12：40～14：40这段时间内，两个传感器的跟踪误差都比较小，传统传感器一天内的平均跟踪误差约为改进传感器的2倍。同时改进传感器很好地解决了光筒高度和测量范围相互制约的问题。

太阳能；自动跟踪；光电传感器；测量

0 引言

视日轨迹跟踪方式虽然可以进行全天候的跟踪，但是存在累计误差；而光电跟踪方式阳光较为充足时有较好的跟踪灵敏度和精度。光电跟踪传感器的性能制约着太阳能跟踪系统的精度和跟踪范围。光电传感器通常由若干个光敏电阻组成，然而不同的设计方式，传感器的跟踪精度和跟踪范围也会不同。文献[1]将金字塔式与箱体式光电传感器相结合，其机械设计较为复杂。文献[2]将光筒式传感器与金字塔式传感器相结合，传感器的内外采用了不同的光敏器件，传感器的一致性有待提高。

通过上述分析设计了一种改进的光筒式光电传感器。在室内对传感器的测量范围和响应速度进行了测试，在室外首先对传感器的阈值进行了测量分析，在确定好阈值后，对比分析了传统的光筒式传感器与改进后的光筒式光电传感器的跟踪效果。经过测试，改进后的传感器在测量范围和测量精度上有了很大的改善。

1 光电传感器的分类

太阳能电池板自动跟踪装置使用光电传感器作为探测元件[3]，光电传感器的精度和测量范围直接影响跟踪装置的精度和稳定性[4]。

光筒探测器底部均匀放置着4块光敏电阻，如图1所示。当入射角度大于a时，光敏电阻D4和D2所受到的光照强度不同，则光敏电阻的值不同。

图1 光筒式光电传感器

由图1可知，H为光筒的高度，h为光敏元件的高度，d为光敏元件的中心与筒壁之间的距离，定义入射光线与传感器之间的夹角为a时，光线刚好能够照射到两个光敏电阻。入射角a的大小直接影响着系统跟踪范围，a角变大，H就必须减小，系统的跟踪范围变大，但是精度变低。a角变小，H增大，系统的跟踪范围变小，但是精度提高了。常用的光电传感器的优缺点如表1所示。

表1 各种光电传感器优缺点对比

2 光电传感器的设计与性能测试

2.1室内系统测试

在室内分别对传感器的测量范围、分辨率、响应速度进行了测试。由于地球绕太阳的运动是有一定规律的[5]，要确定传感器的测量范围是否符合要求，需要知道固定地点太阳指向的变化规律。由文献[6]可知方位角的跟踪范围达到[-89°，89°]即可满足全国大部分地区的设计要求。

为了能够准确地测量出东西方向上传感器的跟踪范围，通过东西方向上的两个光敏电阻的电压差和模拟光源与光伏组件的夹角这两个参数来进行观察[7]。规定正午光伏组件与光源的夹角为0°，向西运动为负方向，向东运动为正方向。

首先调节模拟光源的位置为“正午”。然后调节光伏组件使光源垂直照射在光伏组件上。调节好位置后，通过调节摆杆上的交流电机，使模拟光源由正午向东运动。通过控制交流电机的接通时间，即可控制光源移动的角度。交流电机的额定转速Va为1 350 r/min，减速箱的减速比Ka为1∶3 000。由式(1)计算可知摆杆每秒钟转动2.7°左右。

(1)

通过调节交流电机的接通时间，使光源在0～10°之间，每隔0.5°记录一组光敏电阻的电压差和转动角度值。在11°～40°之间每隔1°记录一组数据。光敏电阻电压差和转动角度关系曲线如图2所示。

图2 光敏电阻电压差和转动角度关系曲线

从图2中可以看出，当光源与光伏组件之间的夹角为0～8°时，东西方向上光敏电阻的电压差与夹角之间的关系类似于线性。这段范围内传感器的性能较为稳定，追踪精度高。当夹角为8～40°时东西方向上的电压差一直增大，且增加的幅度一直减小。当角度达到60°左右时东西方向上的电压差接近于0°，这是由于遮光筒的存在。当光线达到一定的角度时，东西方向上的两个光敏电阻均未受到光照。

根据图2可计算出光源与光伏组件间的夹角从0°增加到60°，每增加一度所引起的电压差变化值为多少。当夹角变化1°时所引起的电压差变化的最小值为0.03 V，所以改进传感器的分辨率应当小于等于1°。电压变化的最大值为0.19 V，最小值为0.03 V，平均值为0.07 V。

2.2室外测试

2.2.1传感器阈值的测试及结果分析

阈值是影响传感器追踪性能的主要参数[7]，并且阈值受系统的精度、外界环境等因素的影响。当传感器应用于不同场合时，需要根据实际情况设置不同的阈值[8]。本次实验是在秋冬季节进行的，光强偏弱，分别测量了三组阈值下系统的跟踪精度。阈值的选取如表2所示。

表2 测控阈值的选取

日梭万年历是目前普遍认同的太阳高度角和方位角的计算软件[9]，其精度高，结果可靠。本设计选取日梭万年历的计算值作为参考值。分别在3个晴天测量3组阈值下高度角和方位角的跟踪曲线，时间段为11:00～16:00，每隔10 min测量一次光伏组件的高度角和方位角。图3为不同阈值下系统的跟踪误差，图3(a)表示方位角误差，(b)表示高度角误差。

图3 三个阈值跟踪误差对比

从图3中可以看到，无论取什么样的阈值，跟踪误差都不是固定的，有很大的随机性，但是基本会在某个范围内波动[10]。在跟踪过程中偶尔会出现误差跳变的现象。图3有一个共同点，在12:40～14:40这段时间内系统的跟踪精度是最高的，因为这段时间内阳光相对充足，跟踪效果最好。为了能够更加直观地观察三组阈值下系统跟踪误差，现将跟踪误差的最小值、最大值和平均值进行了统计，如表3所示。

从表3中可以看到选用第三组阈值时系统的跟踪误差是最低的。阈值的设定需要根据不同的环境、跟踪装置的精度、设计的要求、应用的场合进行相应的调整[11]。

2.2.2改进光筒式和传统光筒式传感器测试及结果分析

通过上一小节的分析，将传统光筒传感器和改进后的光筒传感器的阈值设定为东西方向0.3 V，南北方向0.45 V。分别将两个传感器安装在硬件平台上，在室外进行测量[11]。本实验测试时间为11:00～16:00，每隔10 min 测量一组光伏组件的方位角和高度角。图4为传统光筒式传感器的跟踪误差曲线和改进光筒式传感器的跟踪误差曲线。图4(a)表示方位角误差，(b)表示高度角误差。

图4 改进光筒式与传统光筒式传感器跟踪误差对比

从图4中可以看出，两个传感器都具有跟踪误差，这些误差的出现不仅仅是由传感器的误差引起的，同时也有跟踪装置的机械误差[12]，但是依然可以看出改进后的光筒式传感器比传统传感器更加稳定。表4是经过多天测量分析得出的数据。

表4 改进光筒式与传统光筒式传感器跟踪误差

从表4可以看出，无论是传统传感器还是改进后的传感器，其高度角的平均跟踪误差均小于方位角平均跟踪误差。传统传感器一天内的平均跟踪误差约为改进传感器的2倍，由此可知改进后传感器的测量精度和测量范围有了很大的改善。

3 结论

太阳能跟踪装置的精度和跟踪范围主要与跟踪传感器的精度和测量范围、跟踪装置的机械设计、跟踪算法有关[13]。本设计主要讨论跟踪传感器的阈值对跟踪装置的影响。经测试，在12：40～14：40这段时间内两个传感器的跟踪误差都比较小，传统传感器一天内的平均跟踪误差约为改进传感器的2倍。由此可知改进后传感器的测量精度和测量范围有了很大的改善。精度为1°能够满足部分跟踪装置的设计要求，同时很好地解决了光筒高度和测量范围相互制约的问题。

[1] 王林军,门静,张东,等.太阳自动跟踪系统中光电传感器的设计[J].农业工程学报,2015,31(14):179-185.

[2] 李兵.高精度太阳追踪传感器研究[D].成都:电子科技大学,2015.

[3] 王小鑫,胡红利,王博.高精度太阳能跟踪控制器[J].电光与控制,2012,19(12):80-83.

[4] 陈超,汪华章,曹洁.光伏发电的六象限法太阳自动跟踪系统[J].可再生能源,2015,33(1):6-10.

[5] 赵阳.高空气球电池标定用太阳跟踪控制系统研究[D].秦皇岛:燕山大学,2014.

[6] 张新亮.一种基于双轴的太阳能自动跟踪装置[J].机械工程与自动化,2015(1):166-170.

[7]马少卿,孙荣霞,马征.基于单片机的老人跌倒检测装置[J].微型机与应用,2017,36( 9):100-102,105.

[8] 柳传武,潘小波.一种光伏发电自动跟踪装置的设计[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),2014,14(3):40-42.

[9] 张海昇,韩春成,王斌,等.基于平顶锥形传感器的光伏组件方位检测系统[J].中国农机化学报,2015,36(6):281-285.

[10] 胡飞飞.基于DSP控制双轴太阳能跟踪接收装置研究[D].南宁:广西大学,2013.

[11] 陈仕国,陈学永,林福财,等.视日轨迹太阳跟踪装置控制系统设计[J].福建农林大学学报(自然科学版),2014,43(2):215-219.

[12] 蔡荣山,杨勇,张虹,等.太阳能电池自动实时逐日系统设计[J].可再生能源,2016,34(6):797-802.

[13] 赵云凤,李田泽,陈世宝,等.光伏发电非线性步长最大功率跟踪研究[J].可再生能源,2013,31(1):17-20.

Design and performance test of a novel solar tracking sensor

Ma Shaoqing, Sun Rongxia, Wang Xuejun

(School of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071000, China)

The performance of solar tracking sensors constrains the accuracy and tracking range of solar tracking devices. Aiming at the shortcomings such as small measurement range and poor stability of traditional light tube sensor, an improved light sensor is designed. The measurement range of the sensor is tested indoors, and the effect of the threshold of the improved sensor on the device is tested outdoors. The solar elevation angle and azimuth angle calculated by the Japanese shuttle calendar are used as reference values. Tested at 12:40～14:40, the two sensors are relatively small tracking error. The average tracking error of a conventional sensor is about twice that of an improved sensor. At the same time the problem of mutual restriction between the height of the light and the measurement range is well solved.

solar energy; automatic tracking; photoelectric sensors; measuring

TP212.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.030

马少卿，孙荣霞，王学军.新型太阳追踪传感器的设计与性能测试[J].微型机与应用，2017,36(19)：103-106.

河北省研究生创新资助项目(S2016015)；河北大学实验室开放基金项目(sy201649)

2017-05-09)

马少卿(1992-)，通信作者，男，在读硕士研究生，主要研究方向：惯性传感器信号处理，无线传感网络。E-mail:2318923688@qq.com。孙荣霞(1960-)，女，本科，高级工程师，硕士研究生导师，主要研究方向：分析仪器、环境监测、检测技术及自动化装置。王学军(1984-)，男，硕士研究生，主要研究方向：检测技术及自动化装置。