一種聚光太陽能追日檢測裝置

黃　周, 許正望

(1 湖北工業大學 電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068; 2 湖北工業大學 太陽能高效利用湖北省協同創新中心，湖北 武漢，430068)

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一種聚光太陽能追日檢測裝置

黃周1,2, 許正望1,2

(1 湖北工業大學 電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068; 2 湖北工業大學 太陽能高效利用湖北省協同創新中心，湖北 武漢，430068)

介紹了一種追日檢測裝置，其獨創性在于使用由鉑絲制成的熱傳感器來檢測光照方向，克服了一般光電器件長期穩定性不佳的缺點。詳細介紹了檢測原理、系統結構、硬件電路設計、軟件設計。實驗數據表明，該裝置具有檢測精度高、長期穩定性好的優點，可應用于聚光太陽能發電等需要追日運行的系統中。

追日檢測；聚光太陽能；高精度

目前國內外的太陽追蹤控制系統主要可以分為三類[1]：1)光電跟蹤方式：光電跟蹤方式有較高地跟蹤精度，但其也有嚴重的缺點。這種方式極易受到干擾光的影響，也受天氣條件的影響，一旦天氣由晴朗變陰暗，系統可能沒有反饋信號或者反饋信號極其不穩定，而導致跟蹤器無法準確地跟蹤太陽，甚至會出現誤動作。2)視日追蹤方式：這種方式跟蹤穩定，不受天氣影響，但其精度不高，易產生累積誤差。3)混合追蹤方式：這種方式是光電追蹤方式與視日追蹤方式相結合而成，結合了上述兩種方式的優點。但由于用于檢測光照的多晶硅太陽能電池板、光電二極管或光敏電阻等光電器件穩定性不夠，隨著時間的推移，材料的輸出特性逐步劣化，而且不同的兩片材料劣化的速率并不一致，導致參數本應該相等的兩片材料的參數有了較大的差距，最終導致傳感器追日檢測的精度越來越差。

本文分析現有技術的特點，采用混合追蹤方式設計檢測裝置，同時針對上述缺點，改變思路，雖然目標是追蹤太陽，但不是直接去檢測太陽光，而是通過檢測太陽輻射的熱來間接地檢測太陽光照方向。采用鉑絲制成熱傳感器，并利用熱傳感器組成的平衡電橋來檢測溫度的變化，再與視日追蹤方式相結合。當天氣陰暗時，視日追蹤方式工作，保證不間斷追蹤；當天氣晴朗時，平衡電橋自動工作，消除視日追蹤方式的累積誤差。從而解決了追蹤系統長期穩定性不佳的問題，實際工作中精度能保持在1°以下，若能改善實驗室中條件不足帶來的人為誤差及機械誤差，提高芯片精度及改善程序，精度還可進一步提高。

1　新的混合追蹤方式

1.1視日追蹤方式

視日運動軌跡跟蹤為本系統的主要工作方式，通過GPS獲取當地地理位置信息和當前的時間信息，再代入計算公式進行太陽高度角和方位角的計算，最后根據歷史數據計算步進電機需要走的方向和步數，并驅動電機執行相應動作，從而使太陽能電池板持續面向太陽。

參照相關資料[2]計算太陽高度角α的表達式為

δ=0.006918-0.399912cosΓ+0.070257sinΓ-

0.006758cos(2Γ)+0.000907sin(2Γ)-

0.002697cos(3Γ)+0.00148sin(3Γ)

式中，φ功為觀測點的地理緯度; δ角為太陽赤緯角; ω角為太陽時角。

計算太陽方位角γs的表達式為

δ=0.006918-0.399912cosΓ+0.070257sinΓ-

0.006758cos(2Γ)+0.000907sin(2Γ)-

0.002697cos(3Γ)+0.00148sin(3Γ)

1.2平衡電橋追蹤方式

平衡電橋追蹤方式為本系統的輔助工作方式，主要用來消除視日運動軌跡跟蹤方式運行過程中產生的累積誤差。每當光照條件較好的時候，通過傳感器實時檢測光照方向，判斷視日運動軌跡跟蹤的精確性，并計算出系統當前運行誤差及消除誤差需要偏轉的方向和步數，驅動電機執行動作消除誤差，并將數據記入歷史數據，使視日運動軌跡跟蹤始終保持高精度。

傳統的混合追蹤系統使用光電器件檢測光照方向，由于器件的長期穩定性差，難以保證系統的長期穩定性。本系統創造性地使用鉑材料制成的溫度傳感器檢測光照方向，由于鉑材料具有極佳的物理和化學穩定性，同時其電阻值與溫度有非常強的相關性，使用鉑材料制成的溫度傳感器可以準確地檢測到光照的變化，而且該傳感器具有光電器件所缺少的長期穩定性，能保證系統長期高精度追日。

本裝置中，將細鉑絲在耐熱的細棒上繞制成螺線型，使其具有較大的電阻值以限制電流，并增加感溫能力。制成的溫度傳感器根據具體情況可以為直型、圓弧型或其他合適的形狀，使用4只傳感器布置于光斑的四周。在一般聚光太陽能系統中，4只傳感器可直接布置于光伏芯片四周；在具有二次勻光器的系統中，4只傳感器布置于二次勻光器的上部。通過適當調整，使光斑與4只傳感器剛好相切為初始工作狀態，以直型傳感器為例(圖1)。

圖 1　傳感器布置圖

其中傳感器A、C相對布置，在電路中將它們與合適的精密電阻接成平衡電橋的形式，用于測量南北方向的追蹤誤差；傳感器B、D相對布置，用于測量東西方向的追蹤誤差。

圖 2　南北方向檢測原理

檢測原理如圖2所示，其中2個黑塊為檢測南北方向偏差的傳感器A和C，圓形為光斑，在正常情況下，兩個傳感器受到的光照強度相等(圖2a)；如果在運行過程中發生偏北的誤差(圖2b)，則光斑有一部分照在傳感器A上，同時也遠離了傳感器C，這樣A受到的光照強度增大很多，同時C受到的光照強度減小，A的阻抗增加而C的阻抗減小，則電橋失去平衡，向后面的放大電路輸出偏差信號，經過放大、A/D轉換后，控制器根據偏差可知偏離正中的方向和大小，即可發送控制脈沖驅動電機向合適的方向轉動一個合適的角度。東西方向的檢測使用傳感器B和D，追蹤方法與此類似。

由上述分析可知，只要追日發生了偏差，傳感器就可以檢測到該偏差，控制器即可根據偏差的大小和方向控制執行機構，偏差得以減小直至消除。

2　系統總體方案設計

根據上述跟蹤方式的分析，設計了一套基于ARM[3]的聚光太陽能追日系統[4]，控制系統硬件部分主要包括ARM處理器模塊、GPS模塊、電機及驅動器。整個跟蹤控制系統硬件如圖3所示。

圖 3　系統硬件框圖

2.1執行機構

為了能夠在不同的太陽高度角和方位角都能夠跟蹤太陽，獲得最多的太陽能，需要雙軸追蹤，采用兩個電機對裝置的方向進行控制，一個電機控制太陽能電池板東西方向隨日升日落轉動，另一個電機控制太陽能電池板南北方向隨季節更替轉動。該跟蹤裝置使用兩臺兩相混合式步進電機，型號為57HS11242A4JD11，再配上兩個減速比為1/60的減速器，以及底座固定支架和圓形托盤組成整個執行機構部分(圖4)。

圖 4　傳動機構實物圖

2.2信號檢測電路

系統設計了包含平衡電橋、差分放大、電平移動的信號檢測電路，其中一路信號檢測的完整電路見圖5，該電路用來檢測南北方向偏差，東西方向偏差檢測電路與此圖一致。

圖 5　檢測電路原理圖

圖5中，R4為10 Ω的可調電位器，安裝時通過調整此電位器使電橋達到平衡，可消除由于2個傳感器參數不一致、傳感器安裝不一致等問題帶來的偏差，簡化安裝過程；R4的上下半邊和R2、R6組成平衡電橋，R2、R6分別是兩個檢測傳感器，光照強度一致時它們的阻值相等，電橋平衡，輸出信號為0，光照強度不一致時它們的阻值發生變換，從電橋輸出偏差信號；AD620為高穩定性、高精度的儀表放大器，通過它將偏差信號放大，安裝調試時可使用R23調整其放大倍數至合適的值。

由于后續ARM內部A/D轉換器只能轉換正電壓，在AD620之后增加了一級電平移動電路，使用OP07給AD620輸出信號加上固定的1.5 V。從OP07的6腳輸出的信號VOUT直接送到ARM，由ARM進行A/D轉換，并根據轉換的數據進行相應的判斷和處理。

2.3軟件設計

系統運行過程中，主要有三個動作：視日運動軌跡跟蹤、平衡電橋跟蹤消除累計誤差、夜晚系統回位。

其中視日運動軌跡跟蹤為主要工作模式，一方面根據GPS讀取的數據計算太陽位置，另一方面根據歷史數據確定系統當前指向，比較兩者的差值確定系統需要轉動的方向和角度，再換成發給步進電機方向和脈沖信號，并輸出。

當天氣情況良好的時候，平衡電橋跟蹤方式啟動工作，控制器通過A/D讀取放大電路放大的誤差信號，對視日運動軌跡跟蹤的結果進行評估，若有誤差則控制電機減小直至消除誤差，并將誤差修正動作的數據交給視日運動軌跡跟蹤部分作為歷史數據使用，這樣可以消除視日運動軌跡跟蹤的累積誤差，保證系統能長期高精度追日。

具體程序流程見圖6。

圖 6　程序流程圖

3　實際運行實驗

3.1理論精度計算

由于系統以步進電機進行驅動，控制步進電機運動的最小單位就是一個脈沖，追蹤精度受到一個脈沖帶來的變化的限制，計算如下：

由于采用的步進電機的步距角為1.8°，同時步進電機配有減速比為1/60的減速器，所以最終一個脈沖對應的輸出轉動角度[6]θ=1.8°/60=0.03°

當發出一個脈沖后，機構轉動0.03°，因此，本系統可以以0.03°精度進行角度調整，即其理論追蹤精度0.03°，即使考慮傳感器、機構等方面的影響，系統追日精度也可以保持在1°以內。

3.2實驗情況

本裝置制作完成后，實際連續運行20 d，并測量了系統追日誤差[7]，數據繪圖見圖7。

圖 7　追日誤差隨時間變化曲線

從圖7曲線可以看出，系統追日誤差很小，始終保持在1°以下表明系統運行穩定、精度高。從曲線變化趨勢也可以看出，隨著時間的增長，誤差略有增加。由于時間有限，沒有更長時間的數據說明系統長期運行精度變化情況，但本系統為閉環控制系統，根據鉑材料的特性基本可推定系統具有長期高精度運行的能力。

3.3誤差分析

由前述分析可知，使用視日運動軌跡跟蹤方式有累積誤差的問題，但其誤差可由平衡電橋跟蹤予以消除，故系統誤差主要由平衡電橋跟蹤方式帶來。

誤差來源主要有：

1)傳感器參數不一致。由于鉑絲制作的傳感器目前為手工制成，還不能保證兩個傳感器的參數一致。如圖5，若R2和R6的阻值不完全相等，即鉑絲的長度不完全相等，則在環境溫度變化的情況下，兩個阻值變化量不相等，將帶來非光照變化引起的輸出信號變化，使檢測精度下降；而且R2和R6的阻值不完全相等時，為了保持電橋平衡，在調試中R4上下兩段的阻值也不會相等，在環境穩定變化時也會產生信號的變化。若以后采集精密加工手段制作傳感器，使兩個傳感器使用的鉑絲精確相等則可避免這個問題。

2)放大倍數不穩定。R23的阻值控制了AD620的放大倍數，當環境溫度變化時，R23的阻值變化，則AD620的放大倍數變化，導致其輸出的信號發生額外的變化，從而影響系統追日精度，在高精度要求的系統中可采用溫度補償等手段消除這種影響。

4　總結

本文研究的聚光太陽能跟蹤裝置為實現高精度、高可靠性的跟蹤，采用視日運動軌跡跟蹤方式和鉑熱電阻平衡電橋電路相結合的方式，建立了地平坐標系下的雙軸太陽跟蹤裝置，避免了采用光電跟蹤方式跟蹤不穩定的影響，使光伏芯片最佳地對準太陽。在此基礎上，為了完成控制要求并盡可能降低系統成本，完成了基于STM32F407ZGT6控制器的硬件設計和軟件設計，最后完成了太陽跟蹤系統的搭建、聯機調試。目前該系統運行正常，操作方便，穩定可靠。經過調試運行表明，系統可長時間保持追蹤精度在1°以內，可應用于聚光太陽能發電等需要追日檢測的系統中。

[1]周江坤. 聚光太陽能嵌入式跟蹤控制系統的研究[D].武漢：武漢理工大學圖書館,2013.

[2]韓玥. 太陽能追日系統的設計與實現[D].長春：長春工業大學圖書館,2013.

[3]張洋,劉軍. 原子教你玩stm32(庫函數版)[M].北京：北京航空航天出版社,2013.

[4]侯文濤.新能源行業:聚光太陽能(CPV)將成為2010的冉冉之星[J].股市動態分析,2010(11):48.

[5]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社 ,2013，8(7)：438-444.

[6]黃劍波,樸仁官. 一種高精度全天候太陽跟蹤儀的設計[J].長春理工大學學報(自然科學版),2010(3)：4-7.

[責任編校： 張巖芳]

A Kind of Concentrating Solar-tracking Detector

HUANG Zhou1, 2, XU Zhengwang1, 2

(1SchoolofElectrical&ElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

This paper presents a kind of concentrating solar-tracking detector. Its originality lies in the use of thermal sensors which are made of platinum wires to detect the direction of the sun shine. That can overcome the shortcomings of photoelectric devices which generally have poor long-term stability. The detection principle, the system architecture, the hardware and software design are presented in details. Experimental results show that the device has a high precision and good long-term stability. This kind of detector can be applied to the systems which needs solar-tracking, such as the concentrating solar power.

solar-tracking detect; concentrating solar; high precision

2015-10-09

黃周(1990-)， 男， 湖北黃陂人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為嵌入式ARM

1003-4684(2016)04-0057-04

X382

A