無傳感器太陽跟蹤控制系統設計

史小勇 計成超

（滁州學院計算機與信息工程學院 安徽滁州 239000）

當前新能源產業作為“一帶一路”建設的重點行業之一，面臨巨大商機。太陽能作為應用最廣的清潔可再生能源之一，正逐步邁向中國能源轉型的改革大潮中,并成為世界新能源發展的趨勢[1]。

在太陽能高效利用技術中，光電式太陽跟蹤需要外加光傳感器獲取太陽位置，采購現成的光傳感器會增加系統硬件成本[2]。也有采用低成本的光敏電阻來檢測太陽光強最強點，根據多個光敏電阻檢測最強光強的差值作為驅動信號進行太陽跟蹤的研究[3][4]。兩種方式在使用中都容易受灰塵或者其他周圍環境的干擾而產生誤動作而影響其跟蹤精度[5]。

本文基于STC90C516RD+單片機提出一種簡易無傳感器的太陽跟蹤系統，并設計了太陽位置跟蹤算法。系統結構簡單，跟蹤精度高，為太陽能的高效利用提供了可靠借鑒。

一、視日運動軌跡及太陽位置算法

天文學上常用地平坐標系確定太陽在空中的具體位置坐標。地平坐標系以地平面為基準，用高度角Hs(0°＜Hs＜90°)和方位角Az(0°＜Az＜360°)描述太陽位置[6]。如圖1所示，其中高度角Hs為太陽直射光線與地平面的夾角，方位角Az為太陽直射光線在地平面上的投影線與正北方的夾角，向東為正。

圖1 地平坐標系圖

根據觀測地的時間、經度和緯度等信息，可以計算出任意時間點和地理位置的太陽位置（即高度角和方位角）[7][8]，具體計算如下

太陽的高度角計算公式為：

太陽方位角計算公式為：

式中θ為太陽高度角；φ為太陽高度角；α為當地的地理緯度；δ為當地的太陽赤緯；t為太陽時角。

太陽赤緯的擬合計算公式[9]為：

N為給定日期在一年中的天數，如1月1日為第1天。

N0為積日，計算公式為

floor(x)為C語言中的函數，其功能是“向下取整”，即取不大于x的最大整數。

T為年份。

二、總體結構設計

本裝置以STC90C516RD+為主控制器，首次使用時需手動設置時間與經緯度信息。系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

系統進行一次跟蹤的過程為：首先根據內置太陽位置算法，按照當前時間以及設置經緯度計算出太陽位置（高度角和方位角），然后將得到的太陽位置的兩個參量作為步進電機控制參數驅動步進電機，實現對太陽的跟蹤。系統實物如圖3所示。

圖3 系統實物圖

三、軟件設計

圖4 程序流程圖

系統開機上電，首先對各個硬件模塊進行初始化，然后運用位置算法計算出太陽位置并進行首次跟蹤。首次跟蹤結束存儲當前太陽高度角、方位角，隨后進入自動跟蹤模式。由于太陽位置短時間內變化并不明顯，在自動跟蹤模式下，設置固定時間間隔兩分鐘進行1次跟蹤。具體過程為：當兩分鐘的定時時間到達時，進行1次太陽位置計算，取得當前的太陽高度角和方位角，然后分別進行高度角和方位角跟蹤。實際設計中為同時兼顧跟蹤精度和能耗，設置兩次角度差值超過1°才進行跟蹤。另外在自動跟蹤過程中，當系統判斷當前高度角低于10°，則停止跟蹤、驅動系統復位進入休眠態。具體的程序流程圖如圖4所示。

四、系統測試

用上文中太陽位置算法計算公式算出的太陽位置結果作為理論值，“香港天文臺”網站中公布的對應太陽位置數據作為參照值。將兩者進行對比分析，驗證跟蹤系統算法的精度。

選取測試時間為2019年5月2日7：00-18：00，地區經度118.32°、地區緯度32.26°。在一天中的多個時段對系統計算得到太陽位置（表格中稱為“計算方位角”、“計算高度角”）與“香港天文臺”網站中公布的對應太陽位置（表格中稱為“天文臺方位角”、“天文臺高度角”）進行對比。對比結果如表1所示。

表1 實驗誤差表

通過對比發現，跟蹤系統計算所得的太陽位置與“香港天文臺”公布的位置信息差值小于±0.1°，說明該太陽位置算法具有良好的跟蹤精度。

為驗證裝置的實際跟蹤效果，提出一種“立桿測量法”[10]。實際操作過程中使用一個垂直地面的固定直桿，將其放在裝置前面。觀察直桿投影是否和高度軸驅動電機上安裝的固定桿重合，重合即代表方位角跟蹤與實際太陽位置一致。因為高度角和方位角的跟蹤方式完全相同，所以實驗中僅驗證了方位角的跟蹤效果。測試發現，該裝置可以實際有效地進行太陽跟蹤。

五、結語

針對光電式太陽跟蹤存在的問題，本文設計了一種無傳感器的太陽跟蹤系統。實驗測定結果表明系統太陽跟蹤精度高，在太陽能高效利用中具有實際應用價值。本跟蹤系統結構簡單，但由于采用開環控制，步進電機存在累計誤差，需要一段時間內進行校正。后續工作中考慮安裝位置傳感器設立原點標志，另外結合其他太陽跟蹤方式來減小累計誤差。