基于DSP的太陽能雙軸跟蹤控制系統的設計

張國新，楊 勇

（中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

太陽能是用之不竭的可再生能源，采用太陽能發電可以避免對煤炭、石油、天然氣等不可再生能源的依賴，因此太陽能發電是解決當前能源危機的重要途徑之一，受到全世界的普遍重視并得到迅速發展[1]。據國際能源署預測，太陽能熱發電技術被認為是未來發電成本有望接近化石燃料發電的技術，更具良好的發展前景。本文以TMS320F2812DSP 為控制核心，采用視日運動軌跡和光電混合跟蹤兩者混合的方式，控制兩臺步進電機，來調整集熱器的高度角和方位角，來對太陽進行雙軸跟蹤。相關理論分析表明，相同條件下，對太陽進行雙軸跟蹤比采用固定跟蹤方式能量接收率提高37.4%，從而大大提高發電量，降低成本，拓寬太陽能的利用領域[2]。

1 雙軸跟蹤控制系統的設計

1.1 太陽跟蹤方式的確定

跟蹤系統按照不同的標準有不同的分法，按太陽入射光線和反射鏡主光軸的位置關系可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤；根據跟蹤方法的不同也可以分為光電跟蹤、視日運動軌跡跟蹤（程序跟蹤）和兩者混合跟蹤。

單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽，而在高度角作季節性調整。雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個方向跟蹤太陽軌跡。因此，雙軸跟蹤的效果優于單軸跟蹤。光電跟蹤裝置大多使用光敏傳感器，傳感器的按照靠近遮光板，調整遮光板的位置使遮光板對準太陽、傳感器處于陰影區，當太陽移動時，傳感器受到日光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號，經放大電路放大，由伺服機構調整角度是跟蹤裝置對準太陽完成跟蹤。光電跟蹤優點是靈敏度高，缺點是受天氣影響大，陰雨天時無法對準太陽，甚至引起執行機構的誤動作[3]。視日運動軌跡跟蹤（程序跟蹤）是根據太陽的實際運行軌跡，按預定的程序調整跟蹤裝置跟蹤太陽。這種跟蹤方式能夠全天候實時跟蹤，缺點是存在積累誤差并且自身不能消除[4]。混合跟蹤結合了兩者的優點并克服了兩者的缺點，是跟蹤達到最佳效果[5]。因此，本次設計使用雙軸跟蹤與混合跟蹤的控制方式。這種控制方式在實際應用中采用較多，國外太陽跟蹤裝置的精度最高已經達到0.01°[6]。

1.2 跟蹤系統的組成

采用兩級混合跟蹤方法。第一級采用程序按視日運動軌跡控制跟蹤，第二級采用傳感器校正跟蹤。跟蹤系統由傳感器、DSP 控制器、執行機構和集熱器以及固定連接機構組成。跟蹤系統的組成如圖1 所示。

1.3 視日運動軌跡跟蹤設計

太陽每天東升西落，站在地球表面的人能夠觀測到太陽有規律地運動。視日運動軌跡跟蹤就是利用到太陽有規律地運動，利用DSP 控制單元根據相應的公式和參數，計算出白天太陽的實時位置，在轉化為相應的脈沖發送給步進電機，以達到對太陽進行實時跟蹤的目的。

地球圍繞太陽公轉的平面稱為黃道面，地球自轉的平面稱為赤道面，兩者之間形成的夾角稱為赤緯角，用δ 表示。赤緯角每年隨陰歷陽歷的節氣而變化，在春分和秋分兩天，赤緯角δ＝0°，太陽光正午直射赤道，地球南北半球晝夜時間相等；夏至時，太陽光正午直射北回歸線，δ=23.44°；北半球晝長夜短達最大值，北極部分區域為全白晝；冬至時，太陽光正午直射南回歸線，δ=-23.44°，南半球晝長夜短達最大值，南極部分區域為全白晝。地球赤緯角的近似表達式為[7]

式中，δ—太陽赤緯角，0°角位置點在每日正午，-23.44°≤δ≤23.44°；n—一年中的第n 天，一月一日時n=1。該公式在太陽能熱發電計算中精確度是足夠的，全年誤差平均值為1.71%；在春分δ=0°點計算值相對誤差為1.72%，夏至時基本無誤差；秋分點δ=0°計算值誤差為4.3%，冬至的極值點誤差為0.02%。

根據地平坐標系的計算方法，在地球任意一點位置處，要確定太陽的位置，只要確定太陽的高度角和方位角，太陽和地球之間的相對位置就確定了。太陽高度角定義為地球任意一點位置和太陽的連線與水平面投影線之間的夾角，用αs表示，以地平圈向天頂方向為正，地平圈以下為負。太陽高度角計算表達式為[7]

式中，αs—太陽高度角；φ—地理緯度 （-90°≤φ≤90°）；δ—太陽赤緯角 （-23.45°≤φ≤23.45°）；ω—太陽時角，因為地球每24h 自轉1 圈，所以每15°為1h；且正午時ω=0°，上午時ω＞0°，下午時ω＜0°，則ω 可由下式計算得到：

式中： t—北京時間 （h）。

現實中由于太陽在一年中的時角運動很復雜，日常生活中的鐘表時間采用平均太陽時t（簡稱平太陽時），即太陽沿著周年運動的平均速率。真太陽時t0與平太陽時之差即稱為時差，在工程計算中就會存在時差問題。因此，必須采用真太陽時，以達到實際計算中的精度要求。為了得到準確的真太陽時，可以根據定時標準來校正時差值，我國區域的時差e 確定如下[8]：

式中，Lloc—當地經度。這樣，太陽時角ω 為：

太陽方位角定義為地球任意一點位置處和太陽的連線在水平面投影線與正南方向的夾角，用γS表示，以正南方向向東為負，向西為正，太陽方位角計算表達式為：

為了精確跟蹤太陽的位置，除了要計算出太陽的實時位置之外，還需要知道具體某天的日出時角ω1和日落時角ω2。由于日出日落時，太陽高度角αs=0°，由式（2）得：

又由于上午時ω＞0°，下午時ω＜0°，可得到日出和日落時角的表達式為：

再根據式（6）可以得到日出時間T1和日落時間T2為：

1.4 光電傳感器跟蹤設計

雙軸跟蹤控制系統的光電傳感器的俯視圖如圖2 所示。其中4 個光電傳感器A、B、C、D 封裝在集熱器底部的上下左右四個方位，集熱器底部距離頂部有一定的高度可遮擋斜射進來的陽光，圖中陰影部分為太陽光直射的區域，當陽光沒有全部射到集熱器上的陰影區域時，A、B、C、D四個傳感器中的一個或幾個會被陽光照射而產生偏差信號，從而控制步進電機來對集熱器的位置進行調整[9]。

圖2 光電傳感器俯視圖Fig.2 The vertical view of photoelectric sensor

1.5 控制系統的電路設計

太陽能雙軸跟蹤控制系統采用TMS320F2812 數字信號處理器（DSP）作為核心控制器。它集成了事件管理器、A/D 轉換模塊、SCI 通信接口、SPI 外設接口、e-CAN 總線通信模塊、看門狗電路、通用數字I/O 口、多通道緩沖接口、外部中斷接口等多種功能模塊，具有精度高、速度快、集成度高等特點。由于太陽能雙軸跟蹤控制系統需要對太陽的高度角和方位角做大量的運算，同事也需要對太陽進行實時、準確的跟蹤，所以本次設計采用TMS320F2812DSP 作為控制器。

本次設計的太陽能雙軸跟蹤控制系統要求DSP 在運算時要與實際時間同步，這樣才能準確的判斷太陽的高度角與方位角，所以需要在DSP 控制器上加一個實時時鐘芯片，以保證控制器的系統時間與實際時間完全一致。本次設計選用了實時時鐘芯片X1226，圖3 所示為實時時鐘的硬件原理圖，其具有時鐘和日歷的功能，時鐘通過時、分、秒寄存器來跟蹤，日歷通過日期、星期、月和年寄存器來跟蹤，并具有自動閏年修正功能，擁有強大的雙報警功能，精度可到1s，晶振選用32.768kHz。X1226 的存儲器屬于SRAM 結構，因此必須要配有電池，以保證時間信息不丟失[10]。

傳感器的檢測電路如圖4 所示，光電二極管A 和B檢測太陽高度，光電二極管C 和D檢測太陽的方位。當太陽光垂直照射到集熱器表面時，A 和B 接受的太陽輻射強度相同，經比較器后輸出信號為零；當太陽光偏離集熱器主軸時，A 和B 接受的太陽輻射強度不同，經比較器后輸出偏差信號，經模數轉換成數字信號，根據偏差信號的正負和大小決定執行機構的轉向和轉動角度。信號差除以最小分辨率就得到步進電機需要運行的步數。

圖3 實時時鐘的硬件原理圖Fig.3 Principle diagram of real-time clock hardware

2 系統軟件設計

太陽能雙軸跟蹤控制系統采用的控制器為數字信號處理器（DSP），DSP 主要完成的任務是控制步進電機脈沖信號的產生和分配，包括： 計算太陽運行軌跡及太陽角度差，發出一級調整信號；計算處理傳感器偏差信號，發出二級校正信號。DSP 使用的編程語言為C 語言，根據上述跟蹤原理及參數的計算算法，具體過程如下： 首先DSP 通過讀取系統時間及當地的經緯度計算出當天的赤緯角、日出時間、日落時間。然后將日出和日落時間與系統時間進行比較，判斷出此時太陽的狀態，如果還沒有日出，則繼續等待；如果已經日落，則結束本次控制；如果在日出與日落之間，則開始對太陽進行跟蹤。跟蹤過程分為一級跟蹤和二級跟蹤，首先需要DSP 計算出此時的方位角和高度角，通過運算轉化為所需要的脈沖來對太陽進行一級跟蹤，然后傳感器系統開始檢測集熱器與太陽光的偏差，通過計算轉化成相應的脈沖來控制集熱器完成二級跟蹤。控制系統程序流程圖如圖5所示。

圖4 傳感器檢測電路圖Fig.4 Sensor detection circuit

3 結束語

本文介紹了一種太陽能雙軸跟蹤控制系統，該系統采用一級視日運動軌跡 （程序控制） 跟蹤和二級傳感器校正跟蹤結合的控制方式對太陽進行全天候實時跟蹤，從而提高了發電效率。系統以TMS320F2812DSP 作為核心控制器，通過理論計算出太陽的實時位置并轉化為脈沖來驅動跟蹤裝置跟蹤太陽完成一級跟蹤，再通過傳感器校正發出的

偏差信號來校正跟蹤裝置完成二級跟蹤，該自動控制系統的準確性高，可靠性強，即使在天氣變化復雜的情況下也能正常工作，有利于提高太陽能的利用效率。

圖5 控制系統程序流程圖Fig.5 Program flowchart of the control system

[1] 紀軍，何雅玲.太陽能熱發電系統基礎理論與關鍵技術戰略研究[J].中國科學基金，2009，6.

[2] 秦興盛，陳曉榮，聶道林.基于STM32 的太陽能雙軸跟蹤控制系統[J].信息技術，2013，4.

[3] 鄭小年，黃巧燕.太陽跟蹤方法及應用能源技術[J].2003，4.

[4] 陳維，等.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].能源工程，2003，3.

[5] Roth P,Georgiev A,Boudinov H.Design and construction of a system for sun-tracking.In:Renewable Energy,v29,n 3，March，2004.

[6] 王尚文.雙軸跟蹤碟式太陽能集熱器的研究[D].華中科技大學，2007.

[7] 王炳忠，等.幾種太陽位置計算方法的比較研究[J].太陽能學報，2001，4.

[8] 黃湘，王志峰，等.太陽能熱發電技術[M].中國電力出版社，2013.

[9] 黃素逸，等.太陽能熱發電原理及技術[M].中國電力出版社，2012.

[10] 顧衛鋼.手把手教你學DSP[M].北京航空航天大學出版社，2011.