光電位置傳感器在高精度太陽自動對準中的應用*

曲春英，卞秀芬

（海南師范大學物理與電子工程學院自動化系，海口571158）

光電位置傳感器在高精度太陽自動對準中的應用*

曲春英*，卞秀芬

（海南師范大學物理與電子工程學院自動化系，海口571158）

分析了目前太陽跟蹤方式中存在的問題，為進一步提高太陽跟蹤精度和利用率，設計了基于光電位置傳感器的太陽追光系統(tǒng)；設計了跟蹤裝置，達到了跟蹤的穩(wěn)定性；跟蹤策略上采用光電跟蹤與視日跟蹤相結合，實現(xiàn)了全天候自動跟蹤。經(jīng)試驗表明：該方法簡單，跟蹤精度高，穩(wěn)定性好。

太陽能；光電位置傳感器；自動跟蹤；單片機

為應對全球資源短缺，太陽能作為潔凈無污染的可再生能源，成為人類研究的熱點。為提高太陽能的利用率，對太陽的跟蹤是必不可少的［1］。香港大學建筑系的Hui S C M和Cheung K P［2］教授研究了太陽光角度與太陽能接受率的關系，理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%。國內外研究的跟蹤方式無外乎以下幾種：視日軌跡跟蹤系統(tǒng)，光電跟蹤系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像處理的跟蹤系統(tǒng)和混合跟蹤系統(tǒng)［3-4］。其中混合跟蹤即為視日跟蹤與光電跟蹤相結合，這種方法彌補其他方法的不足，既避免了累計誤差，也解決了陰雨天不能工作的問題，控制精度較高［5-6］。

本文從精度、性價比角度考慮，采用混合跟蹤系統(tǒng)，重點是經(jīng)過試驗選取合適的光電傳感器來對準太陽，并設計工作平臺，尋求更高跟蹤精度的太陽追光系統(tǒng)。

1　PSD傳感器的選擇

光電傳感器是一種將光信號轉換為電信號的感光元件。這里首先考慮采用四象限硅光電池，用四個光電池分布在四象限，其工作原理為：當傳感器軸線對準太陽時，由于四片定位光電池布置在四個不同的方向，四片光電池受到的輻照度產生差異，引起光電流的差異，光電流經(jīng)過運算放大器放大后引起了電壓的差異，輸入單片機進行處理，通過驅動電路驅動電機，調整跟蹤傳感器的位置［7-8］。但是由于四個光電池的實際安裝與理想的設計總會存在偏差，外加光電池的自身特性，經(jīng)過試驗無法實現(xiàn)高精度的跟蹤。

為進一步提高傳感器跟蹤精度，考慮采用光電位置傳感器PSD（Position Sensitive Device），它具有二極管陣列和CCD的定位性能外，還具有高靈敏度、高分辨率、響應速度快和電路配置簡單等優(yōu)點。作為新型器件，PSD已經(jīng)被廣泛應用在位置坐標的精確測量上［9］。保證系統(tǒng)啟用光電跟蹤時可達0.2°的跟蹤精度，可實現(xiàn)各種天氣情況下，全天候的自動跟蹤。

PSD是一種對其感光面上入射光斑重心位置敏感的光電器件。即當入射光斑落在器件感光面的不同位置時，PSD將對應輸出不同的電信號。通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光斑在PSD的位置，與入射光的強度和尺寸無光。二維PSD在方形機構上有兩對互相垂直的輸出電極。一對用來確定X方向位置坐標，另一對用來確定Y方向位置坐標，如圖1［10］所示。

圖1　二維PSD結構

二維PSD輸出與入射光電位置的關系為：

式中X1，X2，Y1，Y2表示各信號的輸出電流（光生電流），Px，Py表示入射光點的位置坐標（坐標原點在光敏面中心），L表示PSD器件光敏有效區(qū)域邊長。

2　提高系統(tǒng)精度的關鍵設計

為了避免傳感器受到外界雜光的干擾，使追光的準確性和穩(wěn)定性變差，這里采用圓筒遮光的方案如圖2所示。

圖2　太陽對準裝置

作為感光元件的PSD傳感器置于底座的中心，套上不透光的遮光圓筒，并將凸透鏡置于圓筒的頂部，透過的光會在凸透鏡的匯聚作用下照射在PSD上，光強調整機構采用一個步進電機控制一個帶有不同大小孔徑的圓盤，用來調節(jié)采集光信號光孔的大小，這個根據(jù)單片機采集的光強電壓大小來控制的，當電壓值大于規(guī)定值時就像孔徑小的一方旋轉，旋轉角度是固定的，孔徑在圓盤上也是按照等間距安排的。機械跟蹤部分不在此贅述。

3　追光系統(tǒng)硬件設計

考慮到系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能，選用Cygnal公司生產的C805IF021單片機主控芯片。C8051F021有8位端口組織的32個數(shù)字I/O引腳，端口P0、Pl、P2和P3既可以按位尋址也可以按字節(jié)尋址。所有引腳都耐5 V電壓，都可以被配置為漏極開路或推挽輸出方式和弱上拉［11］。可以確保系統(tǒng)的跟蹤精度，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3　追光系統(tǒng)硬件框圖

PSD產生的微弱光電流，經(jīng)過I/V變換，產生的電壓信號經(jīng)MAX197放大，然后輸給單片機，單片機根據(jù)采集的信號對步進電機加以控制，進而實現(xiàn)對太陽的自動跟蹤。同時根據(jù)采集的PSD的光強信號的大小確定開啟光電跟蹤還是視日跟蹤。視日跟蹤采用時鐘芯片DS1302，通過讀取當前時間，計算出太陽的高度、角度位置，單片機控制電機，實現(xiàn)日歷查詢跟蹤。CH451實現(xiàn)對鍵盤的控制和數(shù)碼管的驅動采用數(shù)碼管顯示當前時間。

當檢測到陰雨天氣時啟動視日運動軌跡跟蹤，實時的跟蹤太陽的運行，出現(xiàn)太陽光后并達到光強的跟蹤范圍時，重新啟動光電跟蹤。根據(jù)光強的大小可以實現(xiàn)光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤方式之間的切換，從而達到高精度的對太陽進行跟蹤。

4　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件總流程圖如圖4所示。開機之后，首先進行上電復位，進行系統(tǒng)初始化，初始化完成后，系統(tǒng)首先判斷是白天還是黑夜，如果是黑夜系統(tǒng)進入等待狀態(tài)，如果是白天系統(tǒng)啟動視日運動軌跡跟蹤，視日運動軌跡跟蹤完成后進入到光電跟蹤的視場范圍之內，根據(jù)采集的PSD的光強信號的大小判斷啟用哪種跟蹤方式，達到光電跟蹤的光強時啟動光電跟蹤，如果沒有達到光電跟蹤時，繼續(xù)運行視日運動軌跡跟蹤。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

5　實驗結果

驗證系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性需要設計試驗裝置，本系統(tǒng)采用的方法是在室外將太陽追光裝置和長1 m的直尺安裝在一起，保持在同一水平面上，且都與水平面垂直。通過測量直尺產生的影子長度來驗證跟蹤精度。設影子長度為h（mm），則有太陽的跟蹤誤差為：

根據(jù)系統(tǒng)要求，光電跟蹤要達到0.2°的精度，h的取值范圍應該小于等于3.5 mm。經(jīng)過反復多次實驗，下面給出其中一組測量數(shù)據(jù)，如表1所示。

通過試驗可得，設計的太陽追光系統(tǒng)達到了0.2°的高精度要求，且具備長期工作的穩(wěn)定性。

為了盡可能提高跟蹤精度，可從機械裝置部分入手，傳動齒輪的選擇，控制電機的選擇［12-14］；另外安裝時盡可能保持裝置與水平面垂直。

表1　系統(tǒng)跟蹤誤差

6　結束語

（1）本文設計了一高精度的太陽自動對準系統(tǒng)，采用PSD光電位置傳感器，設計出了實驗裝置和實驗方法，跟蹤策略是光電跟蹤與視日跟蹤相結合。經(jīng)過測試，系統(tǒng)可進行全天跟蹤，跟蹤精度不低于0.2°。

（2）系統(tǒng)性價比高，加工簡單，安裝方便。

（3）系統(tǒng)精確地對準太陽，有效地提高能量的接收率，適用于光伏利用、光熱利用中各種需要太陽追蹤的場合。

［1］John T Agee，Adisa A Jimoh.Control of a 3 kW Polar-Axis Solar Power Platform with Nonlinear Measurements［J］.Solar Energy，2010（432）：43-67.

［2］Hui S C M，Cheung K P.Developing a Web-Based Learning Environment for Building Energy Efficiency and Solar Design in Hong Kong［C］//Sises Solar World Congress，Jerusalem，1999，4-9.

［3］王林軍，卲磊，門靜，等.太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.中國農機化學報，2014，35（1）：283-286.

［4］路瑤，何秋生，苑偉華，等.太陽跟蹤方法綜述［J］.自動化技術與應用，2014，33（5）：1-4.

［5］Zawadaki A，Covemty J.Paraboloidal Dish Solarconcentrators for Multi-Megawatt Power Generation［C］//Beijing：Solar World Congress，2007：31-34.

［6］Mihajlo Firak.Comparative Analysis of the Solar Dish Electricity Production［J］.Thermal Science，2005，（9）：69-83.

［7］劉巍，王志超，沈峘，等.太陽自動跟蹤裝置的研究與設計［J］.水電能源科學，2009，27（2）：215-218.

［8］李芳，郭建強，何婷婷，等.四象限探測器光電跟蹤伺服系統(tǒng)的研究［J］.現(xiàn)代電子技術，2013，36（11）：109-122.

［9］張新，高勇，安濤，等.PSD光電位置傳感器的實現(xiàn)及SOI結構研究［J］.西安理工大學學報，2005，21（3）：236-240.

［10］王志超，韓東，徐貴力，等.一種新型太陽跟蹤器的設計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（2）：91-94.

［11］王志超.太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中太陽跟蹤器的研究［D］.南京：南京航空航天大學，2009.

［12］向平，程建民.碟式太陽能跟蹤裝置的結構設計和動力分析［J］.機械設計與制造，2009（6）：17-19.

［13］張瑜，路博.一種高精度的太陽跟蹤方法［J］.可再生能源，2012，30（2）：103-106.

［14］尤力，周建江.用于碟式太陽能聚光器的太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研制［J］.信息化研究，2011，37（1）：9-11.

曲春英（1979-），女，吉林省公主嶺人，海南師范大學，副教授，碩士。研究方向為傳感器檢測技術、太陽能利用技術，quchunying123@163.com。

Application of Photoelectric Position Sensor in High Precision Automatic Sun Tracker*

QU Chunying*，BIAN Xiufen
（Department of Automation，College of Physics&Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou 571158，China）

To improve the utilization rate of solar energy，the current problems of sun tracking is analyzed，the solar spotlight system is developed based on photoelectric position sensor；the tracking device is designed to achieve stability；tracking strategy adopts photoelectric tracking combined with calendar-reckoning，and all-weather automatic tracking was realized.Experimental results show the method is simple，and it has high tracking precision，good stability.

solar energy；photoelectric position sensor；automatic tracking；single chip microcomputer

TK513.5

A

1005-9490（2016）05-1145-04

項目來源：國家自然科學基金項目（51466002）；海南師范大學建設物理學碩士點項目（20140092102）

2015-09-23修改日期：2015-10-26

EEACC:7230C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.025