文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.016
中文引用格式： 黃杭昌，俞磊,，唐曉晟,，等. 高精度太陽追蹤系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016,，42(8)：70-73.
英文引用格式： Huang Hangchang,，Yu Lei，Tang Xiaosheng,，et al. Research and implement of a high-precision solar tracking system[J].Application of Electronic Technique,，2016，42(8)：70-73.
0 引言
太陽能是取之不盡,、用之不竭的綠色能源，近年來在發(fā)電,、照明等行業(yè)已被廣泛應(yīng)用,，尤其在電力、煙草,、文教等領(lǐng)域,。其中，太陽追蹤系統(tǒng)是太陽能應(yīng)用中的重要組件,。但傳統(tǒng)的追蹤系統(tǒng)一般適用于1 000倍以下的聚光系統(tǒng),，而在自然光導(dǎo)入照明的新興領(lǐng)域，往往需要2 000倍以上的聚光倍數(shù),，現(xiàn)在的追蹤系統(tǒng)在精度等方面難以滿足要求,。因此，實(shí)現(xiàn)高精度的太陽自動追蹤顯得尤其重要,。
當(dāng)前關(guān)于太陽自動追蹤主要有兩種方法：一是基于太陽的運(yùn)動軌跡追蹤,，二是基于光學(xué)傳感器的追蹤。本文針對以上兩種方法的缺陷,，將天文算法,、GPS與基于小孔的PSD傳感器相結(jié)合，利用加速度傳感器和雙軸步進(jìn)電機(jī)實(shí)時調(diào)整追蹤姿態(tài)[1],，實(shí)現(xiàn)了對太陽的高精度自動追蹤,。
1 系統(tǒng)設(shè)計
1.1 光學(xué)要求及設(shè)計
本文選取太陽光光纖照明應(yīng)用設(shè)計追蹤系統(tǒng)。該類系統(tǒng)的聚光比達(dá)到2 000倍以上,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他聚光應(yīng)用的倍數(shù)（比如太陽光聚光發(fā)電的500~1 000倍）,，對于精度的要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的系統(tǒng)要求。
因此，首先需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)計算出追蹤系統(tǒng)所需要達(dá)到的精度要求,。圖1是光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖,。假設(shè)太陽光是平行光，經(jīng)過菲涅爾透鏡后聚焦到光纖表面,，其聚焦倍數(shù)達(dá)到2 400倍,。圖2表示了當(dāng)入射角度偏離菲涅爾透鏡的光學(xué)主軸后，光纖所采集的能量損失情況,。由圖可見,，當(dāng)偏離角度達(dá)到0.05°時，能量損失約為10%,，達(dá)到0.1°時,，能量損失將達(dá)到約25%，為了盡可能提高太陽光的收集效率,，并且盡可能降低追蹤頻率帶來的功耗,，綜合取優(yōu)后選取±0.05°作為本系統(tǒng)的設(shè)計精度?？紤]到太陽平均每240 s將產(chǎn)生大約1°的角度偏轉(zhuǎn),，所以將追蹤頻率設(shè)定在12 s。
圖1 光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖
圖2 光纖對準(zhǔn)效率隨菲涅爾透鏡入射偏角變化曲線
1.2 PSD傳感器設(shè)計
1.2.1 PSD傳感器
本系統(tǒng)用的二維PSD位置傳感器具有很高的精度和靈敏度,，分辨率達(dá)到1
,，即1
的光照點(diǎn)位移即可感知。系統(tǒng)采用的金屬屏蔽罩長度為80 mm,，式(1)中a表示位移分辨率：
可以算出,，位移分辨率為1
情況下，太陽偏移角度分辨率約為0.001°,。本系統(tǒng)選取0.05°作為更新誤差閾值,，其對應(yīng)的位移約為44 
，則傳感器完全可以滿足該精度,。PSD傳感器為4路信號輸出,，傳感器套在具有小孔的長方體金屬屏蔽罩里[2]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,。
圖3 PSD傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
1.2.2 PSD信號處理電路板
PSD傳感器的信號處理電路板如圖4所示。電路中,，PSD傳感器輸入的電流信號(PSD0~PSD3)接運(yùn)放的反向輸入端,，并通過運(yùn)放轉(zhuǎn)換成輸出的電壓信號(AD0~AD3)，直接接入控制芯片的AD引腳,。
圖4 PSD信號處理電路板示意圖
1.3 控制電路設(shè)計
本控制電路總體結(jié)構(gòu)如圖5所示,。主控芯片采用TI公司的DSP芯片，其通過串口接收GPS模塊傳來的數(shù)據(jù)，通過AD口讀取PSD傳感器檢測到的太陽光信號,，對這些數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理和分析后控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動,，并用加速度傳感器不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向和姿態(tài)，同時將當(dāng)前轉(zhuǎn)向和姿態(tài)的數(shù)據(jù)定時寫入E2PROM[3],。
圖5 控制電路總體結(jié)構(gòu)圖
2 控制及算法
2.1 控制程序組成
系統(tǒng)的控制程序主要由主程序,、中斷程序以及若干子程序組成。主程序在讀取完系統(tǒng)配置信息后由一個大的循環(huán)語句組成,，該循環(huán)主要讀取并解析當(dāng)前GPS信號,、讀取加速度傳感器信號、寫入數(shù)據(jù)到E2PROM以及系統(tǒng)狀態(tài)的邏輯控制,。中斷程序主要用于讀取PSD數(shù)據(jù),、系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志位的變換以及電機(jī)驅(qū)動控制。若干子程序包括各類傳感器模塊的驅(qū)動子程序以及一些算法子程序,，其中算法包括天文解析算法,、PID控制以及CRC校驗等[4]。
2.2 系統(tǒng)控制流程
系統(tǒng)的控制流程圖如圖6所示,。左右兩側(cè)各為系統(tǒng)的兩個狀態(tài)流程[5],。
圖6 系統(tǒng)控制流程圖
系統(tǒng)啟動并初始化配置，從E2PROM中讀取當(dāng)前水平角度信息以及PSD傳感器基準(zhǔn)值信息,；接下來讀取GPS信號并解析,，通過天文算法算出當(dāng)前太陽的高度角以及相對南方的偏角；之后開始驅(qū)動垂直步進(jìn)電機(jī)定位好高度角,，驅(qū)動水平步進(jìn)電機(jī)定位好水平角,，直到追蹤到預(yù)期位置完成粗粒度定位。
系統(tǒng)在定位追蹤的過程中會不斷地讀取PSD傳感器的數(shù)值,，若某一次讀到的數(shù)值處于精調(diào)范圍,，則系統(tǒng)立即進(jìn)入精粒度追蹤模式[6]，執(zhí)行精粒度調(diào)整子程序,。
若左右掃描過程中沒有進(jìn)入精粒度調(diào)整范圍,，則系統(tǒng)開始進(jìn)入粗粒度追蹤模式，該模式主要由GPS算出太陽當(dāng)前高度角和方位角,，然后系統(tǒng)執(zhí)行粗粒度定位,。大約每四分鐘會定位一次，直到進(jìn)入精調(diào)范圍則執(zhí)行精粒度追蹤,。若粗粒度追蹤時間大于預(yù)設(shè)閾值,，則程序回到左右掃描的過程繼續(xù)執(zhí)行。
在主程序不斷循環(huán)過程中,，系統(tǒng)也是間隔地讀取GPS信號,，若檢測到當(dāng)前時間處于系統(tǒng)下班時間,，則系統(tǒng)會立即執(zhí)行下班復(fù)位程序。系統(tǒng)下班后,，進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式,，并定期讀取當(dāng)前時間信息[7]。若檢測到當(dāng)前處于上班時間,，系統(tǒng)會從低功耗模式恢復(fù)并從主程序開始處繼續(xù)執(zhí)行,。
3 結(jié)果及討論
本文實(shí)現(xiàn)了一套太陽追蹤系統(tǒng)，并對其運(yùn)行情況以及采集出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和分析,。
3.1 精粒度追蹤效果
系統(tǒng)的PSD傳感器采用了小孔成像的方式來感應(yīng)太陽,，所以其感應(yīng)靈敏度和追蹤精度是很高的。首先觀察精粒度追蹤下輸出光功率隨著時間變化的情況,，如圖7所示,。選取精粒度追蹤下一段時間內(nèi)輸出的光通量平均值作為100%的基準(zhǔn)值，其他數(shù)值與該值的比值作為縱坐標(biāo)讀數(shù),?？梢钥闯鼍６茸粉櫹螺敵龅墓夤β什▌臃仁冀K保持在1.0%以內(nèi)，輸出非常穩(wěn)定,。
圖7 精粒度追蹤下輸出光功率變化圖
3.2粗粒度追蹤效果
系統(tǒng)前期通過GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽軌跡的粗粒度追蹤誤差相對是比較大的,。本文通過實(shí)驗記錄了系統(tǒng)完全在粗粒度追蹤下的室內(nèi)光強(qiáng)數(shù)據(jù)，并與精粒度追蹤下室內(nèi)光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,，如圖8所示,。可以看出,，一天之內(nèi),，粗粒度追蹤的光照讀數(shù)的連線軌跡效果整體與精粒度追蹤曲線保持一致，并保持大約340流明的光照強(qiáng)度差值,。誤差的一致性說明天文解析算法的可靠性,，所以利用GPS進(jìn)行太陽軌跡的粗粒度定位可以迅速的找到太陽大致位置。
圖8 粗粒度追蹤室內(nèi)光強(qiáng)數(shù)據(jù)對比圖
3.3 綜合運(yùn)行效果
通過對系統(tǒng)運(yùn)行六個月以來的觀察發(fā)現(xiàn),，系統(tǒng)主要耗時集中在粗粒度定位,、掃描以及粗粒度調(diào)整中。系統(tǒng)結(jié)合GPS進(jìn)行粗粒度定位能夠以最快的速度定位到太陽大致方位,，再結(jié)合PSD傳感器進(jìn)行細(xì)粒度定位便能準(zhǔn)確地追蹤太陽,。
4 結(jié)論
本文設(shè)計和制作了高精度太陽追蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)在追蹤速度和精準(zhǔn)度方面做了很多優(yōu)化,，采用小孔成像方式提高了精準(zhǔn)度,，另外用GPS進(jìn)行粗粒度定位也加快了系統(tǒng)的追蹤速度。本系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗測定,，完全滿足2 400倍聚光的要求[8],，可廣泛應(yīng)用于太陽能相關(guān)領(lǐng)域。
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