文獻標識碼： 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)研究與實現(xiàn)[J].電子技術應用,，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)已被廣泛應用,，尤其在電力,、煙草、文教等領域,。其中,，太陽追蹤系統(tǒng)是太陽能應用中的重要組件。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)，而在自然光導入照明的新興領域,，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,，實現(xiàn)高精度的太陽自動追蹤顯得尤其重要,。
當前關于太陽自動追蹤主要有兩種方法：一是基于太陽的運動軌跡追蹤，二是基于光學傳感器的追蹤,。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傳感器相結合,，利用加速度傳感器和雙軸步進電機實時調整追蹤姿態(tài)[1],，實現(xiàn)了對太陽的高精度自動追蹤。
1 系統(tǒng)設計
1.1 光學要求及設計
本文選取太陽光光纖照明應用設計追蹤系統(tǒng),。該類系統(tǒng)的聚光比達到2 000倍以上,，遠遠高于其他聚光應用的倍數(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遠高于傳統(tǒng)的系統(tǒng)要求,。
因此,，首先需要根據(jù)實際應用的光學系統(tǒng)計算出追蹤系統(tǒng)所需要達到的精度要求。圖1是光學系統(tǒng)的光學結構圖,。假設太陽光是平行光,，經(jīng)過菲涅爾透鏡后聚焦到光纖表面，其聚焦倍數(shù)達到2 400倍,。圖2表示了當入射角度偏離菲涅爾透鏡的光學主軸后,，光纖所采集的能量損失情況。由圖可見,，當偏離角度達到0.05°時,，能量損失約為10%,，達到0.1°時,，能量損失將達到約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)的設計精度?？紤]到太陽平均每240 s將產生大約1°的角度偏轉,，所以將追蹤頻率設定在12 s。
圖1 光學系統(tǒng)的光學結構圖
圖2 光纖對準效率隨菲涅爾透鏡入射偏角變化曲線
1.2 PSD傳感器設計
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,，分辨率達到1
,，即1
的光照點位移即可感知。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],。其結構示意圖如圖3所示。
圖3 PSD傳感器結構示意圖
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)接運放的反向輸入端，并通過運放轉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 控制電路設計
本控制電路總體結構如圖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)信號進行處理和分析后控制步進電機的轉動,，并用加速度傳感器不斷調整轉向和姿態(tài),，同時將當前轉向和姿態(tài)的數(shù)據(jù)定時寫入E2PROM[3]。
圖5 控制電路總體結構圖
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)標志位的變換以及電機驅動控制,。若干子程序包括各類傳感器模塊的驅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中讀取當前水平角度信息以及PSD傳感器基準值信息；接下來讀取GPS信號并解析,，通過天文算法算出當前太陽的高度角以及相對南方的偏角,；之后開始驅動垂直步進電機定位好高度角,，驅動水平步進電機定位好水平角，直到追蹤到預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)值處于精調范圍，則系統(tǒng)立即進入精粒度追蹤模式[6],，執(zhí)行精粒度調整子程序,。
若左右掃描過程中沒有進入精粒度調整范圍，則系統(tǒng)開始進入粗粒度追蹤模式,，該模式主要由GPS算出太陽當前高度角和方位角,，然后系統(tǒng)執(zhí)行粗粒度定位。大約每四分鐘會定位一次,，直到進入精調范圍則執(zhí)行精粒度追蹤,。若粗粒度追蹤時間大于預設閾值，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)行下班復位程序,。系統(tǒng)下班后，進入低功耗運行模式,，并定期讀取當前時間信息[7],。若檢測到當前處于上班時間，系統(tǒng)會從低功耗模式恢復并從主程序開始處繼續(xù)執(zhí)行,。
3 結果及討論
本文實現(xiàn)了一套太陽追蹤系統(tǒng),，并對其運行情況以及采集出來的數(shù)據(jù)進行觀察和分析。
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太陽,，所以其感應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輸出的光通量平均值作為100%的基準值,，其他數(shù)值與該值的比值作為縱坐標讀數(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,，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,。本文通過實驗記錄了系統(tǒng)完全在粗粒度追蹤下的室內光強數(shù)據(jù)，并與精粒度追蹤下室內光強數(shù)據(jù)進行對比,，如圖8所示,?？梢钥闯觯惶熘畠?，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 粗粒度追蹤室內光強數(shù)據(jù)對比圖
3.3 綜合運行效果
通過對系統(tǒng)運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,、掃描以及粗粒度調整中,。系統(tǒng)結合GPS進行粗粒度定位能夠以最快的速度定位到太陽大致方位，再結合PSD傳感器進行細粒度定位便能準確地追蹤太陽,。
4 結論
本文設計和制作了高精度太陽追蹤系統(tǒng),。系統(tǒng)在追蹤速度和精準度方面做了很多優(yōu)化，采用小孔成像方式提高了精準度,，另外用GPS進行粗粒度定位也加快了系統(tǒng)的追蹤速度,。本系統(tǒng)經(jīng)實驗測定，完全滿足2 400倍聚光的要求[8],，可廣泛應用于太陽能相關領域,。
參考文獻
[1] Li Zhimin，Liu Xinyue,，Tang Runsheng.Optical performance of vertical single-axis tracked solar panels[J].Renewable Energy,，2011，36(1)：64-68.
[2] LYNCH W A,，SALAMEH Z M.Simple electro-optically controlled dual-axis sun tracker[J].Solar Energy,，1990，45(2)：65-69.
[3] MOUSAZADEH H,，KEYHANI A,，JAVADI A，et al.A review of principle and sun-tracking methods for maximizing solar systems output[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,，2009,，13(8)：1800-1818.
[4] REDA I，ANDREAS A.Solar position algorithm for solar radiation applications[J].Solar Energy,，2004,，76(5)：577-589.
[5] LIU B，JORDAN R.Daily insolation on surfaces tilted towards equator[J].ASHRAE J(United States),，1961,，10：53.
[6] 鄒建，姬興,，杜海濤.一種新型的太陽自動跟蹤系統(tǒng)研究[J].光電子技術,，2010,，30(3)：159-163.
[7] Clifford Eastwood.Design of a novel passive solar tracker[J].Solar，2004,，77(3)：269-280.
[8] Henrik Lund.Renewable strategy for sustainable development[J].Energy,，2007，66(2)：919.