太陽能自動跟蹤系統(tǒng)研究

(宿遷學院 機電工程學院，江蘇 宿遷 223800)

0 引言

近年來，人們對太陽能的轉換與利用展開了廣泛的研究[1-4]。關于太陽能的研究主要集中在兩個方面：一種是研究可以提高太陽能轉化效率的新型材料；另一種是設法提高太陽能的接收效率[5]；應用太陽跟蹤裝置可有效提高太陽能的接收效率，太陽跟蹤器根據(jù)跟蹤技術分為主動式[6]、被動式和混合式[7]，主動跟蹤系統(tǒng)利用存儲器預存的經緯度參數(shù)和實時時鐘解算太陽的方位角和高度角[8]，可全天候運行且不受天氣影響，但是結構和算法復雜，且后期維護成本高；被動式跟蹤多采用傳感器探測太陽方位角[9-10]，可以在低成本的情況下獲得較高精度，但是傳感器易受天氣等情況的干擾，導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定；把以上兩種混合就是混合式跟蹤方式，具有以上兩種跟蹤方式的優(yōu)點，但系統(tǒng)會變得復雜且成本較高。基于太陽能跟蹤器的以上特點，本設計基于STM32F103C8T6單片機搭建太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，采用主動式雙軸跟蹤方式對太陽進行自動跟蹤，同時與姿態(tài)傳感器構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，在太陽能裝置出現(xiàn)較大偏差時可及時校正高度角和方位角，具有精度高、適應性強、成本低等優(yōu)點，同時安裝有風速傳感器，可以抵抗大風對太陽能裝置的影響[11]，降低太陽能設備的損毀率，大大提高的太陽能的穩(wěn)定性與環(huán)境適應性，具有廣泛的應用前景。

1 主動式雙軸跟蹤器的設計

本系統(tǒng)硬件由單片機STM32F103C8T6、GPS模塊、電機驅動器、步進電機、執(zhí)行機構、風速傳感器、電源模塊、電池板姿態(tài)模塊等構成，系統(tǒng)結構如圖1所示，單片機通過GPS模塊獲取當?shù)氐慕浘暥群蜁r間日期信息，根據(jù)經緯度和時間解算太陽方位角和高度角，將方位角和高度角轉換成一定的脈沖信號發(fā)送給步進電機，步進電機通過減速器調整太陽能跟蹤裝置的雙軸姿態(tài)角，使太陽能板對準太陽光，在實際使用中存在種種原因導致太陽高度角和方位角失準的情況，這里的太陽能電池板姿態(tài)模塊可把太陽能板的高度角和方位角發(fā)送給太陽能控制器，如存在偏差即可立即調整，以確保太陽能板時刻跟蹤太陽光；風速傳感器用來測量風速，當風速大于一定的閾值時(12 m/s)，單片機會進入中斷響應程序，控制步進電機讓太陽能跟蹤器與水平面平時，直到風速小于閾值時(12 m/s)，太陽能跟蹤器繼續(xù)主動追蹤太陽角，這里的風速的閾值設定可根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況做更改。

圖1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)圖

1.1 太陽能跟蹤器結構

采用單個太陽能放置的方式，太陽能跟蹤器為兩軸形式，可以實現(xiàn)太陽能高度角和方位角的調整，該跟蹤器結構主要由基座、固定支架、太陽能電池板、步進電機、蝸輪蝸桿減速機和電動推桿組成，如圖2所示，此外在太陽能電池板上安裝有姿態(tài)傳感器模塊，在支架上安裝有風速傳感器。

圖2 太陽能板結構

太陽能跟蹤器的具體的工作原理為：單片機根據(jù)GPS信息計算的太陽高度角和方位角，計算出跟蹤器所需要到達的角度，推導出方位角步進電機和高度角步進電機需要的脈沖數(shù)，單片機控制器發(fā)送脈沖給步進電機驅動器，步進電機驅動器驅動步進電機轉動，經過減速器調整太陽能跟蹤器轉到相應的位置。為了確保太陽能電池板是正對著太陽入射角，在太陽能電池板上安裝有姿態(tài)模塊，時刻檢測太陽能電池板的姿態(tài)角并反饋給太陽能控制器，如有超過一定的誤差范圍，則立即通過步進電機調整太陽能板姿態(tài)，為了不讓電機頻繁啟動，這里的姿態(tài)角誤差可設定為2°；為了防止太陽能電池板收到強風的沖擊損毀，在太陽能設備上裝有風速傳感器，將風速數(shù)值反饋給太陽能控制器，在風速過大時調整太陽能電池板姿態(tài)，減少太陽能電池板正對強風風向的投影面積。

1.2 轉向機構設計

太陽能設備的精確轉向是太陽能自動跟蹤系統(tǒng)精度的關鍵部件，本設計的太陽能跟蹤器的轉向系統(tǒng)是利用步進電機加蝸輪蝸桿減速器實現(xiàn)的。方位角的調節(jié)由步進電機驅動蝸輪蝸桿減速機完成轉向，步進電機的輸出軸與蝸桿相連接，蝸輪蝸桿減速機的蝸輪作為輸出軸，輸出軸經過法蘭太陽能電池板背面的連接板相連接；蝸輪蝸桿減速機具有體積小、結構緊湊、減速比大等優(yōu)點，同時蝸輪蝸桿中蝸桿的導程角小于摩擦角時，蝸桿傳動可實現(xiàn)自鎖，使太陽能電池板可以很穩(wěn)定的固定在特定的方位角，不會發(fā)生反向轉動。方位角轉向系統(tǒng)中采用的方位角步進電機選擇型號為J-5718HB5401，2相，步距角1.8°，靜力矩3.1 N·m；蝸輪蝸桿減速器選用型號為NMRV030，減速比為1:50，方位角的轉向機構如圖3所示。

圖3 方位角轉向機構

高度角的調節(jié)采用電動推桿實現(xiàn)，電動推桿又叫直線驅動器，電動機經齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母。把電機的旋轉運動變成直線運動，利用電動機正反轉完成推桿動作；與液壓桿和氣缸相比，電動推桿的伸縮長度控制更加精確，操作簡單，可以實現(xiàn)遠距離控制、集中控制，電動推桿由驅動電機、減速齒輪、螺桿、螺母、導套、推桿、彈簧、外殼、微動控制開關等組成，電動推桿內部結構如圖4所示。

圖4 電動推桿結構圖

電動推桿驅動電機為42型步進電機，電動推桿推力為500 N，速度為24 mm/s，行程為100 mm，推桿全部收回時為全長為205 mm，全部伸出后全長為305 mm，電動推桿內部使用了絲杠螺母，具有大減速比和自鎖效應，確保太陽能電池板可以穩(wěn)定的固定在特定的高度角上。太陽能電池板的高度角(α角)的調節(jié)是通過電動推桿的伸縮來改變的。如圖5所示，三角形的另外為310 mm和106.5 mm，電動推桿長度的變化范圍在205～305 mm之間，根據(jù)余弦定理可計算出高度角α。

(1)

式中，L為電動推桿長度，這個長度是指電動推桿總長度。

則太陽能板高度角α范圍是[9.6°，79.2°]，太陽能板與水平面的夾角的取值范圍為[10.8，80.4]，要想實現(xiàn)太陽能板正對太陽，那么太陽能板與地面的夾角和太陽高度角互余即可，及兩角相加等于90°；在太陽高度角為[0，9.6]范圍內變化時，由于電動推桿的行程達到最大時，長度最多是305 mm，此時太陽能板與水平面的夾角最大能達到80.4°，故太陽高度角在[0，9.6]范圍內變化時，太陽能板與地面夾角一直保持80.4°不變，即太陽能控制器不做任何角度調整；雖然太陽能電池板沒有完全正對太陽入射角，但此時太陽輻射能量比較小，對太陽能設備能量轉化率的影響幾乎可以忽略不計。

圖5 電動推桿機構圖

1.3 視日運動軌跡跟蹤原理

GPS模塊是本系統(tǒng)追蹤視日軌跡的數(shù)據(jù)端。系統(tǒng)啟動后，控制器獲取GPS模塊提供的經度、緯度、海拔和 UTC時間(世界協(xié)調時間)信息，然后根據(jù)這些信息解算太陽高度角和方位角[12]，高精度的太陽高度角和方位角的計算過程比較復雜，需要的計算量大且計算時間長，而本太陽能設備對太陽高度角和方位角的精度要求不是很高，采用如下的計算方式即可滿足太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的使用要求：

首先根據(jù)GPS提供的時間信息計算日角θ：

(2)

(3)

式中,N為日數(shù)，就是從每年1月1日開始計的天數(shù)；N0為校正系數(shù)；Y為年份；INT為取整函數(shù)。

計算太陽赤緯角φ則是以年為周期，取值范圍是-23.5°≦φ≦ +23.5°，赤緯角φ求解方式：

φ=0.372 3+23.256 7sinθ+0.114 9

sinθ-0.171 2sin3θ-0.758cosθ+

0.365 6cos2θ+0.020 1cos3θ

(4)

太陽能設備所在地區(qū)雖然都是采用北京時間，但是所在地的經度和北京時間的標準經度大部分都不一致，所以需要計算太陽能設備所在地區(qū)的時角φ：

(5)

(6)

Tc=0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ

-7.0924cosθ-0.6882cos2θ

(7)

式中,h為北京時間的小時；m為北京時間的分鐘；Td為地方時；Tc為時差；J為經度(太陽能設備所處經度)。

太陽高度角H計算：

H=asin(sinWsinφ+cosWcosφcosφ)

(8)

式中,H為高度角；W為緯度；φ為赤緯角；φ為時角；根據(jù)太陽高度角H=0可以計算出日出時間T1和日落時間T2，則滿足T1

太陽方位角A計算：

(9)

(10)

式中,A為方位角，上午時角φ<0，正午時角φ=0，下午時角φ>0。

2 跟蹤系統(tǒng)軟件構成

基于STM32F103C8T6單片機搭建太陽能自動控制系統(tǒng)，利用單片機讀取GPS模塊的經緯度信息和GPS的時間信息，根據(jù)時間判斷是否白天，如果是晚上則繼續(xù)讀取GPS模塊信息，如果白天則根據(jù)視日軌跡跟蹤原理解算出太陽高度角和方位角；根據(jù)太陽的方位角和高度角信息，驅動太陽能裝置的方位角電機和高度角電機運動，實現(xiàn)太陽能電池板對太陽的跟蹤。太陽角是時刻變化的，如果要實現(xiàn)對太陽角的實時跟蹤，需要頻繁驅動電機，對電機壽命和設備的穩(wěn)定性不利，故利用單片機計時，每5分鐘驅動設備對太陽跟蹤一次，這樣使得太陽能設備的穩(wěn)定性和電機的壽命得以提高，降低電機的啟動頻率也有利于降低能量損耗，間接地提高了太陽能發(fā)電的效率。為了確保太陽能電池板是正對著太陽入射角，在太陽能電池板上安裝有姿態(tài)模塊，時刻檢測太陽能電池板的姿態(tài)角，反饋給太陽能控制器，如有超過一定的誤差范圍，則立即通過步進電機調整太陽能板姿態(tài)，為了不讓電機頻繁啟動，這里的姿態(tài)角誤差可設定為2°；此外考慮到太陽能設備所處野外天氣情況的復雜性，主要是風速過大會造成太陽能板的損壞，在太陽能設備上安裝有風速傳感器，單片機讀取風速傳感器的風速信息，當風速大于閾值(12 m/s)時啟動防損中斷程序，單片機控制太陽能板“放平”，由于高度角電機的推桿長度的影響，這時的太陽能板的放平是指與水平面的夾角為10.8°，這個角度比較小，完全可以實現(xiàn)實現(xiàn)太陽能設備的抗風特性。系統(tǒng)軟件的總體流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的流程圖

3 實驗

根據(jù)視日運動軌跡跟蹤原理，在經度118.3緯度33.93(宿遷)對2018年6月6日太陽高度角和方位角進行解算，太陽高度角的變化范圍是0～78.7°之間，正午之前太陽高度角逐漸增大，正午之后太陽高度角逐漸減小，太陽高度角變化曲線如圖7(a)實線所示；太陽方位角采用360°表示，在正午時刻方位角為180°，白天(即日出和日落時間之間)太陽方位角的變化范圍在62.5°～297°之間，太陽方位角如圖7(b)曲線所示。

圖7 太陽高度角和方位角

根據(jù)視日運動軌跡原理計算出的當前太陽高度角和方位角，單片機發(fā)送相應的脈沖控制步進電機，經過減速器控制轉向系統(tǒng)實現(xiàn)高度角和方位角的調整，利用姿態(tài)傳感器(MPU6050)對太陽能板的姿態(tài)角進行測量并反饋給單片機，利用姿態(tài)傳感器實測的太陽的高度角如圖7a虛線(星號)所示，實測的太陽方位角如圖7b虛線(星號)所示；顯示模塊顯示任一時刻理論計算角度和姿態(tài)模塊實測角度信息，同時也顯示GPS模塊提供的位置信息和海拔信息，如圖8所示，根據(jù)顯示的計算角度和姿態(tài)角度進行分析，可以進一步提高太陽能跟蹤系統(tǒng)的精度。

圖8 計算與實測角度對比顯示

4 結論

本設計基于STM32F103C8T6單片機搭建太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，采用主動式雙軸跟蹤方式對太陽進行自動跟蹤，同時與姿態(tài)傳感器構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，在太陽能裝置出現(xiàn)較大偏差時可及時校正高度角和方位角，具有精度高、適應性強、成本低等優(yōu)點，實驗結果顯示太陽跟蹤器可有效跟蹤太陽角，精度可達到2°左右，電動推桿的工作范圍有限導致跟蹤器在日出和日落時不能有效跟蹤太陽角，但日出日落時太陽輻射很小，故對于太陽能轉化效率的影響很小。太陽能自動追蹤系統(tǒng)安裝有風速傳感器，可以根據(jù)風速調整太陽能電池板的姿態(tài)，以降低大風對太陽能裝置的載荷，降低太陽能設備的損毀率，大大提高的太陽能的穩(wěn)定性與環(huán)境適應性，具有廣泛的應用前景。