基于GPS定位算法的雙軸軌跡自動太陽能追蹤系統

馮 月，王利強，王嘯天，張明學

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

0 引言

人類社會對自然資源的消耗將導致資源枯竭，減少對自然資源的依賴，利用太陽能等可再生能源是目前生活的迫切需求[1]。然而，太陽能的利用效率一直受限于技術水平得不到提高，所以怎樣提高太陽能的利用效率成為人類利用太陽能的關鍵[2-4]。

近3年來，國內外許多學者對這一課題進行了研究。2018年陸軍工程大學的Niu[5]等人設計了一種基于單片機的模糊PID控制策略的太陽能追蹤系統；2020年華北電力大學的Zhu[6]等人設計了一種新型單軸結構太陽能跟蹤系統，通過基于太陽-地球的幾何關系和太陽輻射預測模型的跟蹤數學表達式形成的太陽能追蹤系統，是同緯度具有明顯優勢的系統；2020年王奔[7]等人設計了一種基于PLC的槽式光熱太陽能追蹤控制系統，通過自定義嵌入式編程實現高精度算法在控制器中的應用；2021年李嘉晟[8]等人設計了一種基于單片機的雙軸太陽能自動追蹤系統，通過采用STM32F103R8T6單片機的半遮擋式四象限光電檢測法結合時鐘控制法，達到追蹤目的。

針對以上研究存在的問題，提出一種基于GPS算法的雙軸結構的太陽能追蹤系統的設計，實現了小誤差的太陽能追蹤，提高了太陽能的接收效率。

1 太陽位置GPS定位算法的介紹

在天文學中，對于太陽位置的確定，有一系列精度很高但是計算復雜的方法，但這些計算方法在光伏應用中過于繁瑣且不適用。所以，有了針對光伏應用的簡易算法，這些算法之間的復雜度和精度各不相同。為保證整個追蹤裝置的追蹤精度以及滿足太陽能追蹤的需要，在此套裝置中選用的Duffie[9]是在1980年提出的算法。

為了確定太陽位置，需要在天球坐標系下引入太陽磁偏角、太陽時角、天頂角和太陽方位角4個天文參數。在此實驗系統中，算法的最終目標是要得到天頂角和太陽方位角的理論位置。太陽位置的具體計算過程如下：

首先，計算磁偏角。磁偏角（δ）計算方法如式（1）所示：

其中，n為每年1月1日算起的天數，例如：2013年4月1日，n就是91。帶入公式（1）即得到δ為4.02°。

其次，計算時角。時角的計算如式（2）所示：

其中，H為24h制的時間，單位：h。例如：中午12點30分，H為12.5。

再計算天頂角，天頂角的計算方法如式（3）所示：

公式（3）中的φ為緯度，由GPS模塊提供。

最后，計算方位角。方位角的計算方法如式（4）所示：

2 太陽能追蹤實驗系統搭建

2.1 機械結構概況

搭建了基于GPS算法太陽能追蹤系統樣機進行實驗，系統樣機的整體機械3D結構如圖1所示，整體結構實物圖如圖2所示。

圖1 整體機械3D結構圖Fig.1 Overall mechanical 3D structure diagram

圖2 太陽能追蹤系統實物圖Fig.2 Physical image of the solar tracking system

此裝置機械結構包括：底座、控制電路、支架、豎直步進電機、水平步進電機、太陽能接收板。

底座是整個機械結構的穩定中心所在。此裝置中，底座使用硬質樹脂材料。其強度高、硬度大、重量足，已確保整個機械結構的重心穩定，方便打孔與其他模塊連接。

太陽能接收板通過支架連接到整個裝置中，呈水平向放置。

步進電機組是由豎直步進電機和水平步進電機組成的，豎直步進電機固定在支架上，轉動軸連接水平步進電機。

以STC12LE5A60S2型號單片機為核心處理器件的控制電路，位于整個裝置的最左側。控制電路部分主要是控制電路的放置位置，控制電路與步進電機轉動模塊隔離一段距離，使電路不影響電機的轉動。

2.2 機械追蹤方式

此設計裝置采用了雙軸追蹤方式，最大程度上增加太陽能接收板的接收效率。圖3是雙軸追蹤方式的原理圖。雙軸追蹤方式在東（E）-西（W）、南（S）-北（N）方向都有電機帶動轉動，實現太陽能接收板在東-西、南-北方向上同時完成追蹤。雙軸追蹤方式中，水平軸控制太陽能接收板的俯仰角，豎直軸控制太陽能接收板的方位角。雙軸追蹤方式最大程度上增加了接收板接收太陽光線的效率，使用合理的控制電路可以實現追蹤裝置的全天候、全自動追蹤，不需要人力進行調整。雙軸追蹤方式的控制電路設計較復雜，機械結構穩定性差，需要使用強度較高的材料。所以，在機械強度方面，裝置使用鐵、鋁合金等硬質金屬材料，能夠有效保證整個機械結構的強度，滿足室外太陽能追蹤的需要。

圖3 雙軸追蹤方式原理圖Fig.3 Schematic diagram of dual-axis tracking method

2.3 追蹤控制方式

此設計采用軌跡追蹤方式，使用較高的追蹤精度有利于提高太陽能接收效率。軌跡追蹤方式是利用已有的立體幾何算法計算得到太陽的實時軌跡，微控制器根據計算得到的軌跡驅動太陽能接收板轉動到指定的位置，完成太陽能追蹤。此種追蹤方式需要利用較多的數據，目前單片機已經具備較強的計算能力，可以滿足整個設計中的計算和控制要求。

軌跡追蹤通常是開環的控制系統，容易產生累積誤差，追蹤時間較長時會累積誤差較大。對于產生累積誤差的問題，此裝置使用了電子羅盤和傾角傳感器對太陽能接收板的位置進行實時檢測，產生較大誤差即進行有效修正，實現了太陽能的追蹤功能。

2.4 步進電機驅動方式

此裝置選擇使用步進電機驅動方式，步進電機驅動可以實現單步、一定角度的控制。太陽能追蹤裝置步進電機的單步轉動精度，已經足夠太陽能追蹤的需要。如果需要高精度的驅動，可以使用性能好的專用步進電機細分驅動，這樣能夠實現極小角度的準確控制，而且整個步進電機的帶負載能力也得到提高。通過挑選對比，此裝置最終選擇使用了L297、L298組合專用步進電機驅動電路，提高追蹤裝置的追蹤精度和軟件簡單化，能實現對二相、四相等不同型號步進電機的驅動。圖4是步進電機驅動示意圖。

圖4 步進電機驅動示意圖Fig.4 Schematic diagram of stepper motor drive

3 太陽能追蹤系統結構

整個追蹤系統的工作流程大致可以分為獲取數據并計算角度、測量實際角度并比較、控制驅動轉動。

圖5所示是整個系統的追蹤流程圖。系統上電；單片機上電復位；對電子羅盤和傾角傳感器進行初始化操作；串口初始化；準備接收GPS數據；接收一次有效GPS位置數據，將接收的位置數據進行轉換，轉換成計算可以直接使用的數據；根據太陽位置算法，計算得到太陽的實時理論角度；單片機控制電子羅盤測量太陽能接收板的實際水平方位角，控制傾角傳感器測量太陽能接收板的俯仰角度；將計算得到的理論位置與測量得到的實際太陽能接收板俯仰角和方位角進行比較，當單片機計算得到的位置信息與電子羅盤測得的太陽能接收板水平方位角有差距時，單片機發送控制信號控制豎直步進電機向正確的方向轉動，直到太陽能接收板的方位角與計算值差距在誤差接受范圍內為止。同理，當單片機計算得到的位置信息與傾角傳感器測得的太陽能接收板俯仰角有差距時，單片機發送控制信號控制水平步進電機向正確的方向轉動，直到太陽能接收板的俯仰角與計算值差距在誤差范圍之內為止，完成一次追蹤過程。

圖5 系統追蹤流程圖Fig.5 System tracking flow chart

4 太陽軌跡算法可行性實驗驗證

為了驗證太陽位置算法的準確性以及應用在太陽能自動追蹤裝置的可行性，專門做了太陽位置角度的測量和驗證比較工作。

驗證試驗在天津市進行，當地的位置數據是北緯39°03′，東經117°17′。實驗測量了當天一整天的太陽位置數據，與計算得到的位置數據做了比較。所得測量結果見表1。

表1 測量數據比較Table 1 Comparison of measurement data

由表1可得，太陽高度角的理論與測量值誤差范圍在0°～0.8°，方位角的理論和測量值誤差范圍在0°～2.2°。此種太陽能追蹤算法實際測量結果與計算所得數據差距較小，在可以接受的范圍之內，滿足追蹤需要，可以應用在本設計中。

5 結論

建立了基于GPS定位算法的太陽能自動追蹤系統，以STC12LE5A60S2單片機為控制電路核心，采用雙軸軌跡追蹤方式，利用傾角傳感器和電子羅盤測量實際接收板的角度，使整個系統構成閉環的控制系統。此裝置利用GPS算法計算得到理論位置，通過比較數據調整太陽能接收板實際位置，在步進電機最小步進角度范圍之內，滿足追蹤的需要。同時，在天津（北緯39°03′，東經117°17′）進行了實地實驗，最終誤差在2°以內，實驗表明此裝置可以追蹤太陽能，提高接收效率。整個系統實現了全天候、全自動太陽追蹤功能，為該自動跟蹤系統以后的商業化運行提供了一定的依據。