校 准 式 太 阳 能 跟 踪 控 制 系 统 设 计

张 卉， 朱 武， 宋思远， 邓安全

(上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 200090)

0 引 言

随着现代工业、农业的迅速发展以及人口的日益增多，人类对能源的需求日益增加，年增长率甚至达到5%～6%[1]，而传统的化石能源都是不可再生能源，正在日趋枯竭，各国面临着巨大的能源危机；另一方面，煤炭、石油和天然气等常规能源在使用过程中会严重污染环境[2]。因此，各国都在寻找既可再生又无污染的新能源，如风能、太阳能、核能等。其中，太阳能作为一种储量丰富、无污染且应用方便无需运输的新能源，在新能源开发方面有很大优势[3]。各国对太阳能的利用最为普遍，因此如何提高太阳能利用效率也成了各国研究的重点[4]，近年来与太阳能跟踪系统相关的课题很多。我国太阳能发展技术虽然起步较晚，与发达国家相比，技术、规模还有很大差距，但是近年来，随着越来越多的专家和学者对太阳能发电技术的研究，我国太阳能应用技术取得了飞速发展。据相关研究表明：跟踪系统应用到太阳能光伏发电电池板阵列中,此模式可以比固定模式的发电效率提高33%[5]。但是，几乎所有的系统设计都没有考虑到校准的问题[6-8]。本文从太阳能跟踪校准的角度出发，在实现对太阳跟踪的同时，通过不断校准来提高其跟踪精度，进一步消除累积误差。

1 系统总体设计

本文设计的跟踪系统是将光电跟踪模式和太阳角度跟踪模式相结合的双轴式太阳能跟踪系统。光电跟踪模式是闭环控制，可以消除误差且反应迅速；但是此模式容易受天气影响，遇到多云或阴雨天时容易出现误跟踪[9]。太阳角度跟踪模式是开环控制，该模式不受天气影响，只要根据相关公式计算出太阳的高度角和方位角即可实现跟踪，设计简单方便，但是此模式是开环控制，没有反馈，容易造成累积误差。所以本文设计的跟踪系统是将两种模式结合起来，这样既可免受天气影响又可以消除误差[10]。同时加入校准电路，进一步消除误差，提高跟踪精度。

校准式太阳能跟踪控制系统主要由STC12C5A60S2型单片机、光电模块、步进电动机模块、时钟电路、校准电路、人机接口电路及外围电路组成。系统总体硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图

2 太阳角度跟踪设计

地球按照一定规律绕太阳运动，根据地球绕太阳的运行规律可以得出太阳相对于地球的位置变化规律[11]。由此可以得出太阳的高度角为

sinH=sinφsinα+cosφcosαcosω

(1)

式中：H为太阳高度角；φ为地球上某一点的纬度值；α为赤纬角；ω为太阳时角。

太阳方位角计算式为

(2)

式中，β为太阳方位角。

通过以上两个公式，单片机可以控制步进电动机的转动，实现太阳角度模式的跟踪。

3 光电跟踪模式设计

3.1 光电传感器设计

光电跟踪模式主要是根据光电传感器检测太阳位置的变化，然后通过控制器控制太阳能电池板的高度角和方位角的转动，使得电池板始终正对太阳。其原理是在太阳能电池板东西南北4个方向放置4个光敏二极管，光敏二极管截面与电池板平行。当光照强度发生变化时，光电传感器输出的信号大小不同，通过比较传感器信号差判断太阳能电池板的转动方向，由单片机控制步进电动机的转动，达到跟踪目的。平面图如图2所示。

图2 光电传感器平面图

图中，A、B、C、D是4个光敏二极管，位置上分别与东西南北方向的轴线平行，设计两个暗筒，两筒间的距离等于光敏二极管的直径。这样，当光线垂直照射在其中一个光敏二极管上时，由于内外筒的遮挡作用，其余二极管可能没有阳光照射或者只有少部分光线照射，就会形成压差。当有光线照射时，光敏二极管A、B、C、D对应的电压分别为UA、UB、UC、UD,UX、UY分别为方位角和高度角的偏差量。则UX、UY的表达式为

UX=UA-UC，UY=UB-UD

以方位角为例，假设太阳高度角不变，且UY=0，即太阳在南北方向的中轴线上，当光电二极管A点接受的光照强度大于C点时，此时UX>0,输出一个正信号给控制器，控制器驱动跟踪机构向东转动；反之，当UX<0时，跟踪机构向西转动。同理，当UY>0时，跟踪机构向北转动，反之，跟踪机构向南转动。

3.2 光电传感器参数分析

遮光筒的高度和半径直接影响跟踪的精度。如果遮光筒过高，会导致同一时间4个二极管均没有被光线照到，无法判断旋转方向及角度；如果遮光筒过低，则有可能同时照到东西或南北方向的光电二极管，且产生电压相等，这时也无法判断电池板旋转方向。

当传感器轴线与太阳光线不平行时，内筒的阴影会遮挡住4片光电池中至少1片，导致4片光电池接受的光强不同，引起输出电压的差异[12]。光电跟踪模式的侧面图如图3所示。

图3 光筒侧面图

内侧光桶半径为r，光桶高为H。由图3可知，传感器可接收的最大入射角为β，如果入射角大于β，则光敏二极管均会被光筒的阴影遮挡住，即跟踪精度为β。本文设计的跟踪精度为2°，光筒高度H=160 mm，则有：tanβ=2r/H=tan 2°=0.035，r=2.8 mm≈3 mm。

外侧遮光筒的半径为内侧遮光筒的半径加上光敏二极管的直径。本文选取的光敏二极管型号为2CU2,其直径为2 mm，因此外侧遮光筒的半径为5 mm。

3.3 信号处理电路设计

当光线照射到光敏二极管上时，会产生电流，由于电流很小，所以通过LF444CN四运放集成放大器先将电流转换为电压，再将电压放大，放大后的东西(南北)方向电压经过一个差分放大器后直接与单片机相连，单片机通过压差信号控制步进电动机的转动方向。东西方向信号处理电路图如图4所示。南北方向信号处理电路与东西方向信号处理电路相同。

图4 信号处理电路图

4 硬件电路设计

4.1 单片机与时钟芯片DS1302接口电路设计

本文的时钟电路采用DS1302芯片，通过简单的串行接口与单片机连接，为系统提供秒、分、时、日、月、年的信息，还可以进行闰年补偿[13]。根据这些信息可以计算出太阳的高度角和方位角，实现太阳角度跟踪[14]。此芯片有2个电源引脚。DS1302由两者中较大者供电，当系统断电或UCC2

4.2 单片机与步进电动机驱动电路设计

本文需要利用步进电动机来达到使太阳能电池板方位角和高度角转动的目的，但是步进电动机不能直接连接交直流电源工作，必须通过驱动电路来驱动它才能工作。本文采用的是ULN2003驱动芯片和五线四相步进电动机。步进电动机驱动电路如图6所示。

4.3 单片机与人机接口电路设计

人机接口主要由LCD显示电路和键盘电路组成。本文选用LCD12864液晶显示模块作为系统显示模块。该液晶显示模块是点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8 192个中文汉字(点阵)、128个字符(点阵)及点阵显示RAM(GDRAM)[16]。本文选用并行连接方式与单片机连接，主要用来显示当前日期、时间以及太阳高度角和方位角，更直观地了解当前的跟踪情况。

图5 时钟电路图6 步进电动机驱动电路

按键电路是为了方便进行人工调整，本文加入了4个独立按键，分别控制东西南北4个方向，当出现误跟踪等情况时，可以通过按键来使系统恢复正常工作状态。人机接口电路如图7所示。

图7 人机接口电路

4.4 单片机与ADXL202传感器电路设计

虽然光电跟踪模式可以消除累积误差，但是，由于实际中元器件本身也会存在误差以及外界环境的影响，有可能使得跟踪精度降低。基于此，本文加入了校准电路，选用ADLX202双轴传感器。该传感器可以同时测得2个相互垂直方向的加速度。由于重力加速度的方向始终垂直向下，如果空间平面不水平，那么重力加速度在该平面上的分量不为0；当传感器水平放置，即与重力方向相垂直时，加速度为0[17]。本文就是根据这一点来检测正午时刻太阳能电池板是否水平。将ADXL202传感器固定在太阳能电池板上，且与太阳能电池板平行；同时还要保证ADXL202传感器测量的两个方向的加速度分别与太阳能电池板的高度角轴线和方位角轴线平行。

晴天正午时刻太阳在头顶正上方，此时太阳能电池板的东西轴方向是与地面平行的，即水平放置。在此方向上，ADXL202的传感轴与重力矢量垂直，ADXL202对倾斜度变化的灵敏度最高。如果太阳能电池板是水平放置的，则此时加速度传感器的输出值应为0。利用这一点可以校正中午时刻太阳能电池板是否水平。ADXL202传感器连接图如图8所示。

图8 ADXL202传感器电气连接图

加速度信号带宽由XFILT/YFILT引脚连接的滤波电容决定，由

可知，电容选取越小，信号带宽越宽，分辨率越高。所以本文选取的电容CX=CY=0.1 μF，则带宽为50 Hz。电容安装时要注意位置尽可能靠近引脚，从而抑制噪声。

ADXL202的带宽选择决定了测量精度。当带宽为50 Hz时，分辨率为0.4 mg[18]，本文设计的跟踪精度为2°，此分辨率完全可以达到校准的目的。

RSET的阻值可选在0.5～2 MΩ，而且RSET尽量安装在靠近T2引脚处，这样分布，电容才会最小，从而减小对电路的影响。

T1是占空比调制周期，其大小由RSET确定，计算公式为T1=RSET/125。本文RSET选取125 kΩ，此时信号输出周期为1 ms，频率为1.0 kHz。

当DCM输出方波频率大于模拟带宽10倍以上时，测量精度比较理想，如此看来，T1越小越好，但是T1太小对计数器和微控制器的处理速度要求会很高，而实际中硬件的运行速度会受到器件性能限制，所以本文选取周期为1 ms比较合理。

XOUT和YOUT直接接在单片机上，通过测量引脚上的高低电平持续时间来计算占空比，再进一步计算出加速度值[19]。正午时，确认加速度值是否为0，如果为0，说明跟踪系统跟踪准确，精度满足要求。

5 系统软件设计

本文软件部分用Keil软件完成，用C语言编写程序，移植性好，程序执行效率高。软件流程图如图9所示。

图9 软件流程图

6 结 语

本文设计了一套校准式太阳能跟踪控制系统。通过分析太阳角度跟踪和光电跟踪两种模式的优缺点，提出了将两种模式相结合的方案，分析了光电模式的参数设计；同时加入的校准模块每天可以对系统进行一次校准，使得系统达到精度要求，进一步提高太阳能利用效率。整个系统机械结构设计简单，程序编写容易，能够实现对太阳的全天候跟踪，可应用于太阳能发电等场合，有利于推动太阳能的发展与利用。