基于Arduino單片機(jī)的太陽(yáng)能目標(biāo)追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳沛宇， 歐陽(yáng)華兵， 何克勁， 胡 三， 錢立松， 孟潤(rùn)心

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 201306)

太陽(yáng)能作為一種新型清潔能源，取之不盡，用之不竭。太陽(yáng)能光伏發(fā)電也將成為未來(lái)新能源開發(fā)與利用的重要方式之一[1]。由于太陽(yáng)光強(qiáng)會(huì)隨著日照時(shí)間發(fā)生變化，但在實(shí)際應(yīng)用中太陽(yáng)能電池板常常采用固定式安裝，其角度無(wú)法跟隨太陽(yáng)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大降低了太陽(yáng)能的利用效率。而采用太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)，可有效提升電池板的發(fā)電效率，研究表明：在相同的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)能系統(tǒng)比傳統(tǒng)固定式系統(tǒng)的發(fā)電效率可以提高將近30%[2]。因此，如何提高太陽(yáng)能的利用效率，設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)且高效的追蹤太陽(yáng)能系統(tǒng)是目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中亟待解決的難題之一[3]。

目前，針對(duì)太陽(yáng)能追蹤技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，主要有視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤法和光電傳感器追蹤法[2,4]。視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤法根據(jù)太陽(yáng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡按照預(yù)定程序調(diào)整追蹤裝置，按其所追蹤太陽(yáng)方位角和高度角不同，可劃分為單軸追蹤和雙軸追蹤兩種方式，前者指追蹤太陽(yáng)方位角，而雙軸追蹤同時(shí)追蹤方位角和高度角[3]，該方法能能夠根據(jù)太陽(yáng)實(shí)際運(yùn)行情況實(shí)時(shí)追蹤，但在追蹤過(guò)程中容易產(chǎn)生累積誤差且不能自動(dòng)消除，具有精度不高的特點(diǎn)。光電傳感器追蹤法則直接利用光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)光強(qiáng)度，通過(guò)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使得追蹤裝置重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光，此方法具有靈敏度高、控制器簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其不足在于受天氣影響較大，但在陰雨天氣無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的追蹤[2,4]。

為此，本文在已有太陽(yáng)能目標(biāo)追蹤系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上，針對(duì)如何提高太陽(yáng)能追光效率的問(wèn)題，采用光電傳感器與雙軸追蹤相結(jié)合方式，構(gòu)建四點(diǎn)追光模塊，通過(guò)映射法提取光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)，基于Arduino Mega單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款太陽(yáng)能雙軸自動(dòng)追蹤系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性和有效性，能夠有效提高太陽(yáng)能的利用效率。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 太陽(yáng)能追光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能雙軸自動(dòng)追蹤系統(tǒng)主要有單片機(jī)、傳感器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成[5]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。為了保證傳感器檢測(cè)信號(hào)的有效性，采用基于笛卡爾坐標(biāo)系模式將4個(gè)光敏電阻傳感器分布在4個(gè)象限內(nèi)，當(dāng)太陽(yáng)光線照射到傳感器上時(shí)，傳感器把信號(hào)送到前置放大器，經(jīng)由電壓轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)，單片機(jī)按照一定的算法，經(jīng)處理計(jì)算后將信號(hào)傳遞給電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能追蹤裝置的水平方向和豎直方向調(diào)整，最終達(dá)到電池板對(duì)太陽(yáng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)追蹤。

圖1 太陽(yáng)能追光系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 雙軸追光裝置設(shè)計(jì)

為充分提高追光效率，追光裝置采用雙軸追蹤設(shè)計(jì)方式，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括豎直軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和水平軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)兩大部分，其中豎直軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過(guò)行星齒輪減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)由一對(duì)角接觸球軸承支撐的豎直軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2(a)所示。水平軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝在豎直軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺(tái)之上，它采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，工作過(guò)程中蝸輪蝸桿減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄作周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再由連桿將曲柄與作為搖桿的太陽(yáng)能電池框架相連，如圖2(b)所示，其優(yōu)點(diǎn)在于搖桿的擺動(dòng)角度可控制在一定范圍內(nèi)以避免太陽(yáng)能電池框架因系統(tǒng)失誤導(dǎo)致過(guò)度旋轉(zhuǎn)而損毀。

圖2 太陽(yáng)能雙軸追光裝置

連桿尺寸設(shè)計(jì)采用了CAD技術(shù)，根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)極限位置公式，結(jié)合Solidworks軟件尺寸驅(qū)動(dòng)原理[6-7]，將曲柄旋轉(zhuǎn)中心、搖桿旋轉(zhuǎn)中心及其另一端活動(dòng)鉸鏈的相對(duì)位置按實(shí)際裝配尺寸畫出并加以尺寸和位置約束，再將表示太陽(yáng)能電池框架的搖桿分別旋轉(zhuǎn)至理想的最大、最小角度位置后分別測(cè)量搖桿活動(dòng)鉸鏈到曲柄旋轉(zhuǎn)中心距離，經(jīng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)極限位置計(jì)算公式計(jì)算后即可獲得出曲柄長(zhǎng)度和連桿長(zhǎng)度。最終搭建的太陽(yáng)能目標(biāo)追蹤系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能目標(biāo)追蹤系統(tǒng)實(shí)物圖

1.3 追光模塊方案的改進(jìn)

為了有效提高太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)的能源利用率，設(shè)計(jì)合理的追光模式是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前常用的追光方法主要有四點(diǎn)追光法和五點(diǎn)追光法[8-9]。五點(diǎn)追光法將位于原點(diǎn)處與其他位于4個(gè)象限的光敏電阻傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)分別計(jì)算得出太陽(yáng)光方位，實(shí)現(xiàn)追光。而四點(diǎn)追光法則去掉原點(diǎn)處光敏電阻傳感器，直接將4個(gè)象限的檢測(cè)數(shù)據(jù)比較計(jì)算，最終達(dá)到追光目的，其算法相對(duì)較為簡(jiǎn)單，且容易在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。

實(shí)驗(yàn)前期分別采用上述2種方案對(duì)追光裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用五點(diǎn)追光法后發(fā)現(xiàn)追光效果不明顯，其原因在于4個(gè)象限光敏電阻曝光率始終低于原點(diǎn)處光敏電阻曝光率，降低了追光敏感度。采用四點(diǎn)追光法則出現(xiàn)當(dāng)光源位于追光模塊坐標(biāo)軸線附近時(shí)，很難比較出最強(qiáng)光線位于軸線那一側(cè)，導(dǎo)致追光裝置的左右搖擺。

為解決上述問(wèn)題，在四點(diǎn)追光法的基礎(chǔ)上對(duì)其改進(jìn)，增加了當(dāng)相鄰兩象限內(nèi)光敏電阻電路數(shù)據(jù)相似時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)判定算法。

1.4 追光控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)追光系統(tǒng)的有效控制，提高控制系統(tǒng)的靈活性，本項(xiàng)目提出了采用Arduino單片機(jī)對(duì)追光系統(tǒng)進(jìn)行控制，其總體實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。

圖4 Arduino單片機(jī)總體控制方案

整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括Arduino單片機(jī)、光敏電阻模塊、電壓檢測(cè)模塊、紅外模塊、電源模塊、繼電器模塊、OLED顯示屏模塊、電動(dòng)機(jī)模塊等部分。系統(tǒng)總體控制思路：通過(guò)光敏電阻模塊對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，由電壓檢測(cè)模塊處理后，輸入Arduino單片機(jī)控制單元處理，處理后再經(jīng)由繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)弱電到強(qiáng)電轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)追光系統(tǒng)的追光裝置的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到太陽(yáng)光強(qiáng)最強(qiáng)的目標(biāo)追蹤功能。

2 系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)

2.1 追光模塊的原理及其算法設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證這種方法追光的可行性與準(zhǔn)確性，在原先實(shí)驗(yàn)用的四點(diǎn)追光法基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能追光模塊結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示(1為安裝孔，2為光敏電阻，3為隔板，4為基座)；其實(shí)物如圖5(b)所示。

圖5 太陽(yáng)能追光模塊

追光模塊中各光敏電阻電路測(cè)量光線強(qiáng)度的方法是間接測(cè)量電壓值[10]，以電路中常值電阻兩端電壓值間接表示光線強(qiáng)弱，光線強(qiáng)度采集電路如圖6所示，采用了映射法，即將光敏電阻與一個(gè)常值電阻串聯(lián)接入電壓為U0的電源，用電壓傳感器測(cè)量常值電阻兩端電壓，電壓傳感器反饋出的信號(hào)并非常值電阻兩端電壓值UR，而是與電壓值UR成正比的模擬量a。該方法的好處在于無(wú)需測(cè)出具體電壓值，只需直接采用模擬量a代替當(dāng)前太陽(yáng)光強(qiáng)值。

圖6 光線強(qiáng)度采集電路

為解決1.3中兩種追光方法在實(shí)驗(yàn)時(shí)存在的問(wèn)題，本文提出只采用4個(gè)光敏電阻構(gòu)成追光模塊，通過(guò)對(duì)比兩組光敏電阻電路檢測(cè)數(shù)據(jù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的追光功能。其工作原理為：以不透光十字隔板組成的軸線為平面坐標(biāo)系，以將追光模塊劃分為4個(gè)象限，當(dāng)太陽(yáng)光沿追光模塊前某個(gè)方向照射時(shí)，太陽(yáng)光線最強(qiáng)處于該平面坐標(biāo)系的某個(gè)現(xiàn)象內(nèi)或軸線上，則相應(yīng)象限內(nèi)光敏電阻傳感器可被太陽(yáng)光照射，其余象限內(nèi)的光敏電阻則因太陽(yáng)光被隔板遮擋不能被照射到。據(jù)此，通過(guò)獲取4個(gè)象限光敏電阻間的檢測(cè)值，再對(duì)其分析處理就能確定追蹤裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

以水平軸追光為例，遵循如下邏輯：當(dāng)?shù)冖瘛ⅱ蛳笙薜臏y(cè)量值之和大于第Ⅲ、Ⅳ象限測(cè)量值之和時(shí)，說(shuō)明太陽(yáng)光線最強(qiáng)處于第Ⅰ、Ⅱ象限內(nèi)，應(yīng)控制水平軸電動(dòng)機(jī)將追光裝置向上翻轉(zhuǎn)直到接近太陽(yáng)直射角為止；反之，則控制水平軸電動(dòng)機(jī)向上翻轉(zhuǎn)。豎直軸電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)也采用同樣控制方案，即第Ⅰ、Ⅳ象限測(cè)量值之和大于第Ⅱ、Ⅲ象限測(cè)量值之和時(shí)，豎直軸電動(dòng)機(jī)向左翻轉(zhuǎn)；反之，則向右翻轉(zhuǎn)。由于光敏電阻傳感器的阻值有5%以內(nèi)的誤差[13]，且在安裝時(shí)會(huì)有位置誤差，為了保證算法的正確有效性，在算法中引入敏感系數(shù)k，k值越大則追光敏感度越高，其詳細(xì)水平軸追蹤算法流程如圖7所示。

圖7 水平軸追蹤算法流程

2.2 追光電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)追光模塊的有效控制，本項(xiàng)目采用ArduinoMega單片機(jī)作為控制模塊，該單片機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是靈活、接口多、成本低、性價(jià)比高等[11]。“H橋”電路是常用控制直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的方法，通過(guò)控制4個(gè)三極管改變電流方向達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的[12-13]，采用3個(gè)繼電器替代4個(gè)三極管對(duì)1個(gè)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，兩組這樣的電路即可實(shí)現(xiàn)追光系統(tǒng)的雙軸驅(qū)動(dòng)，其詳細(xì)接線如圖8所示。繼電器選用SRD-DC12V-SL-C型繼電器。

圖8 直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)接線圖

單片機(jī)通過(guò)弱電信號(hào)控制繼電器的開閉，實(shí)現(xiàn)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)[14]，因?yàn)槔^電器選用的型號(hào)為低電平觸發(fā)，通過(guò)3個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)電動(dòng)機(jī)的左右轉(zhuǎn)動(dòng)及停止。由圖8電動(dòng)機(jī)接線可以得出電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)的條件是1號(hào)繼電器信號(hào)為0，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的3個(gè)繼電器信號(hào)分別為1、1、0，而點(diǎn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的3個(gè)繼電器信號(hào)分別為1、0、1。根據(jù)電路圖可以分析得出在1號(hào)繼電器信號(hào)為1接通時(shí)2、3號(hào)繼電器必須互鎖[15]，即不能同時(shí)通電或斷電，否則會(huì)對(duì)短路，為了避免這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要在電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)切換之間多增設(shè)一個(gè)步驟，該步驟為1號(hào)繼電器信號(hào)為0，處于失電狀態(tài)。

2.3 顯示模塊

采用顯示模塊主要目的是顯示與維護(hù)。本項(xiàng)目采用了OLED顯示屏模塊，該模塊采用I2C通信協(xié)議，要將SDA雙向數(shù)據(jù)線、SCL時(shí)鐘信號(hào)線與單片機(jī)對(duì)應(yīng)的接口連接即可實(shí)現(xiàn)通信，具體連接方式如圖9所示。

圖9 OLED顯示屏模塊與單片機(jī)連接

通過(guò)電壓傳感器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量，通過(guò)單片機(jī)采集所得的模擬量，反饋到顯示模塊中。不需要將得到的模擬量轉(zhuǎn)換為電壓顯示輸出，只需作為一個(gè)值以方便檢測(cè)。當(dāng)電路出現(xiàn)問(wèn)題，或者系統(tǒng)非正常工作時(shí)，可以通過(guò)查看顯示模塊，檢查出現(xiàn)問(wèn)題所在的電路，易于故障排除，節(jié)省檢查電路時(shí)間[13]。在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，可檢測(cè)當(dāng)時(shí)環(huán)境光具體數(shù)值，以便數(shù)據(jù)采集，確定適合的敏感系數(shù)K值。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

裝配好的太陽(yáng)能目標(biāo)追蹤裝置如圖10所示。

圖10 太陽(yáng)能目標(biāo)追蹤裝置

實(shí)驗(yàn)硬件控制系統(tǒng)裝置如圖11所示。為了保證系統(tǒng)工作的可靠性，將所裝配好的太陽(yáng)能追蹤裝置分別在環(huán)境光源較弱的室內(nèi)和環(huán)境光源較強(qiáng)天氣晴朗的室外等兩個(gè)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖11 追蹤裝置的硬件控制系統(tǒng)

在室內(nèi)，通過(guò)采用燈光模擬光源，追蹤裝置追光十分敏感，能夠迅速對(duì)最強(qiáng)光源的位置作出判斷。當(dāng)燈光位于裝置前方不同位置時(shí)，太陽(yáng)能電板所在平面和燈光的入射光源近似天氣晴朗的室外裝置保持垂直狀態(tài)，當(dāng)燈光移動(dòng)時(shí)，太陽(yáng)能電板也跟隨光源轉(zhuǎn)動(dòng)，直到近似保持垂直狀態(tài)為止。

在環(huán)境光源較強(qiáng)天氣晴朗的室外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)光線越強(qiáng)追蹤系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)越不敏感，其主要原因是光敏電阻與光照強(qiáng)度間呈反比例關(guān)系，為此在光敏電阻上覆蓋一層均勻的有色玻璃，降低了直射入光敏電阻的太陽(yáng)光強(qiáng)，達(dá)到了與光強(qiáng)較弱的室內(nèi)同樣的目的，大大提高了系統(tǒng)的靈活性。

實(shí)驗(yàn)時(shí)先測(cè)得太陽(yáng)光位于追光裝置的Ⅰ、Ⅱ象限內(nèi)，此時(shí)OLED顯示屏如下圖12所示，其中數(shù)字1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限內(nèi)黃敏電阻電路的a值，數(shù)字5所表示的是位于追光裝置原點(diǎn)處供參考的光敏電阻電路a值，本實(shí)驗(yàn)中不起作用。

圖12 室外追光實(shí)驗(yàn)檢測(cè)圖

由上圖可知：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限內(nèi)光敏電阻電路的a值分別是433、463、27、105，根據(jù)2.1所述算法，敏感系數(shù)選取k=0.8，可計(jì)算得出:

(a1+a2)=433+463=896>

0.8×(a3+a4)=0.8×(27+105)=105.6

按照理論分析，太陽(yáng)位置應(yīng)該位于Y軸正半軸附近，追光裝置應(yīng)該只向上翻轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)：將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊開啟，待程序初始后水平軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，裝置向上翻轉(zhuǎn)一定角度后直至正對(duì)太陽(yáng)角度后停止，追光完成。上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證理論與實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)結(jié)果的一致性。

由于在不同應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)追光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度要求不同，如普通追光太陽(yáng)能發(fā)電裝置為了降低能耗和機(jī)械損耗對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)精度要求較低，而一些需準(zhǔn)確跟蹤光源的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)D(zhuǎn)動(dòng)精度要求較高，故敏感系數(shù)k的取值也應(yīng)有所不同。

為了保證太陽(yáng)能支架只有當(dāng)光強(qiáng)出現(xiàn)一定程度的變化時(shí)才轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是一直運(yùn)動(dòng)，節(jié)省電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)能源，提高系統(tǒng)效率，為追光裝置確定合適的K值非常必要。以追光太陽(yáng)能電池支架在晴朗白天發(fā)電工作環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)，追光裝置法平面與太陽(yáng)方位角分別成10°、20°、30°左右，分別取敏感度系數(shù)K為0.1～1.0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得靈敏度k與追光精度關(guān)系表，如表1所示，據(jù)此可知：當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)精度為20°時(shí)，推薦k值為0.8。

表1 靈敏度k與追光精度關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于Arduino單片機(jī)的太陽(yáng)能目標(biāo)追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)將光電傳感器和雙軸追蹤相融合，主要對(duì)太陽(yáng)能目標(biāo)追蹤系統(tǒng)進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究了光電追蹤模塊的控制方法，能穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能目標(biāo)的快速追蹤，價(jià)格相對(duì)便宜，性價(jià)比較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)光線較弱時(shí)，系統(tǒng)靈敏性非常高；而在太陽(yáng)光強(qiáng)度較大的環(huán)境中，靈敏性有所降低，但通過(guò)配合均勻有色玻璃減光或采用靈敏度范圍更大的傳感器能夠大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，有效增強(qiáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)而提高系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用效率，在一定程度上可推動(dòng)太陽(yáng)能的發(fā)展和普及。