无传感器太阳跟踪控制系统设计

史小勇 计成超

（滁州学院计算机与信息工程学院 安徽滁州 239000）

当前新能源产业作为“一带一路”建设的重点行业之一，面临巨大商机。太阳能作为应用最广的清洁可再生能源之一，正逐步迈向中国能源转型的改革大潮中,并成为世界新能源发展的趋势[1]。

在太阳能高效利用技术中，光电式太阳跟踪需要外加光传感器获取太阳位置，采购现成的光传感器会增加系统硬件成本[2]。也有采用低成本的光敏电阻来检测太阳光强最强点，根据多个光敏电阻检测最强光强的差值作为驱动信号进行太阳跟踪的研究[3][4]。两种方式在使用中都容易受灰尘或者其他周围环境的干扰而产生误动作而影响其跟踪精度[5]。

本文基于STC90C516RD+单片机提出一种简易无传感器的太阳跟踪系统，并设计了太阳位置跟踪算法。系统结构简单，跟踪精度高，为太阳能的高效利用提供了可靠借鉴。

一、视日运动轨迹及太阳位置算法

天文学上常用地平坐标系确定太阳在空中的具体位置坐标。地平坐标系以地平面为基准，用高度角Hs(0°＜Hs＜90°)和方位角Az(0°＜Az＜360°)描述太阳位置[6]。如图1所示，其中高度角Hs为太阳直射光线与地平面的夹角，方位角Az为太阳直射光线在地平面上的投影线与正北方的夹角，向东为正。

图1 地平坐标系图

根据观测地的时间、经度和纬度等信息，可以计算出任意时间点和地理位置的太阳位置（即高度角和方位角）[7][8]，具体计算如下

太阳的高度角计算公式为：

太阳方位角计算公式为：

式中θ为太阳高度角；φ为太阳高度角；α为当地的地理纬度；δ为当地的太阳赤纬；t为太阳时角。

太阳赤纬的拟合计算公式[9]为：

N为给定日期在一年中的天数，如1月1日为第1天。

N0为积日，计算公式为

floor(x)为C语言中的函数，其功能是“向下取整”，即取不大于x的最大整数。

T为年份。

二、总体结构设计

本装置以STC90C516RD+为主控制器，首次使用时需手动设置时间与经纬度信息。系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

系统进行一次跟踪的过程为：首先根据内置太阳位置算法，按照当前时间以及设置经纬度计算出太阳位置（高度角和方位角），然后将得到的太阳位置的两个参量作为步进电机控制参数驱动步进电机，实现对太阳的跟踪。系统实物如图3所示。

图3 系统实物图

三、软件设计

图4 程序流程图

系统开机上电，首先对各个硬件模块进行初始化，然后运用位置算法计算出太阳位置并进行首次跟踪。首次跟踪结束存储当前太阳高度角、方位角，随后进入自动跟踪模式。由于太阳位置短时间内变化并不明显，在自动跟踪模式下，设置固定时间间隔两分钟进行1次跟踪。具体过程为：当两分钟的定时时间到达时，进行1次太阳位置计算，取得当前的太阳高度角和方位角，然后分别进行高度角和方位角跟踪。实际设计中为同时兼顾跟踪精度和能耗，设置两次角度差值超过1°才进行跟踪。另外在自动跟踪过程中，当系统判断当前高度角低于10°，则停止跟踪、驱动系统复位进入休眠态。具体的程序流程图如图4所示。

四、系统测试

用上文中太阳位置算法计算公式算出的太阳位置结果作为理论值，“香港天文台”网站中公布的对应太阳位置数据作为参照值。将两者进行对比分析，验证跟踪系统算法的精度。

选取测试时间为2019年5月2日7：00-18：00，地区经度118.32°、地区纬度32.26°。在一天中的多个时段对系统计算得到太阳位置（表格中称为“计算方位角”、“计算高度角”）与“香港天文台”网站中公布的对应太阳位置（表格中称为“天文台方位角”、“天文台高度角”）进行对比。对比结果如表1所示。

表1 实验误差表

通过对比发现，跟踪系统计算所得的太阳位置与“香港天文台”公布的位置信息差值小于±0.1°，说明该太阳位置算法具有良好的跟踪精度。

为验证装置的实际跟踪效果，提出一种“立杆测量法”[10]。实际操作过程中使用一个垂直地面的固定直杆，将其放在装置前面。观察直杆投影是否和高度轴驱动电机上安装的固定杆重合，重合即代表方位角跟踪与实际太阳位置一致。因为高度角和方位角的跟踪方式完全相同，所以实验中仅验证了方位角的跟踪效果。测试发现，该装置可以实际有效地进行太阳跟踪。

五、结语

针对光电式太阳跟踪存在的问题，本文设计了一种无传感器的太阳跟踪系统。实验测定结果表明系统太阳跟踪精度高，在太阳能高效利用中具有实际应用价值。本跟踪系统结构简单，但由于采用开环控制，步进电机存在累计误差，需要一段时间内进行校正。后续工作中考虑安装位置传感器设立原点标志，另外结合其他太阳跟踪方式来减小累计误差。