基于阵列式感光模块的太阳光自动跟踪系统

杨泳雪，王 记，乐建华，朱志刚，胡卫国，顾晓雷

（南京工程学院，江苏 南京211100）

太阳能是地球上清洁安全的能源之一，多年来人们对其产品的研发热度不断升温。但因受到昼夜、季节、气候、地理纬度和海拔高度等影响，太阳辐射间断而不稳定[1]，因此太阳能的利用率普遍较低，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。

由于集光平面接收的太阳辐射度与太阳光入射角（太阳光与集光平面的夹角）有关，入射角增加，接收太阳辐射度增加，进而太阳能的利用率增大，所以使太阳能利用装置的集光平面与太阳光入射角始终保持最大值（90°），是在有限的集光面积内提高装置太阳能利用率的有效方法之一。依据这一理论，国内外相继研制出了多种太阳能跟踪装置，如压差式、控放式、光电式和视日运动轨迹跟踪式等。

压差式属纯机械式，结构简单，成本低，但没有足够的工作空间，且精度较低；控放式能进行实时跟踪，使收集到的能源得以充分转化利用，成本低，但只能用于单轴跟踪，不能自动复位，因而不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，且存在跟踪过度情况；视日运动轨迹跟踪依靠计算太阳的准确位置实现跟踪，具有较高的适应性，在任何气候条件下都能实现稳定跟踪，但算法复杂，需要进行大量的实时计算，因此对现场控制器的数据处理能力和数据存储空间要求很高，除此之外，由于对位置检测的精度要求高，导致系统成本较高。与上述跟踪装置相比，光电式可实现闭环控制，对日光的跟踪精度较高，且可供选择的传感器较多，如PSD、摄像头、光敏电阻以及光电二极管等。因光敏电阻之类的廉价光电元件成本较低，因此受到普遍关注。

本文介绍一种光电式太阳光自动跟踪系统，该系统利用自行设计的光敏电阻阵列式感光模块对太阳光的入射方向进行检测。

1 系统总体设计

本文介绍的太阳光自动跟踪系统实现的基本功能是：(1)检测太阳光位置信号，获取太阳光点的位置偏差，控制执行机构中的电机带动集光平面转动，使集光平面与太阳光线垂直；(2)通过定时及天气判断，控制执行机构在夜间和阴雨天气停止工作，以节省能源、降低系统损耗；(3)白天工作过后，控制器在设定的复位时间里向执行机构发出复位指令，控制集光平面回转至初始位置并朝向东边，等待第二天的工作。系统工作原理如图1所示，该系统由检测模块、主控制器、执行机构三部分组成。

图1 系统工作原理框图

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括光点位置检测电路、集光器朝向检测电路、阴晴检测电路、主控器电路及执行机构等模块。主要硬件电路原理图如图2所示。下面分别介绍各模块设计原理。

图2 主要硬件电路原理图

2.1 检测模块

检测模块包括光点检测模块、阴晴检测模块、集光平面朝向检测模块三部分。

图3所示为光点检测模块的感光平面图，该模块主要由25个光敏电阻排列成5×5的阵列结构，分别组成U1～U25位置单元，用于检测太阳光的位置。

图3 5×5光敏电阻阵列式感光模块示意图

将上述阵列式感光模块置于一密封盒子中，在密封盒位于感光模块中心位置单元U13的正上方位置开一小孔作为通光孔，并将该密封盒安装在执行机构的托盘上，使密封盒的上下平面与托盘平面平行。

在无光线进入通光孔时，通过合理调整光敏电阻的电路参数，使无光照时U1～U25位置单元的光敏电阻输出信号相等。

当托盘正对太阳时，光点投射在U13上，此时U13的光敏电阻获得的太阳光辐射最大，其输出信号也最大；随着时间推移，太阳位置发生变化，光点位置也随之发生移动。根据光点偏移的位置，将5×5阵列式感光模块分成以下9个区域：U11、U12为上区域，U14、U15为下区域，U3、U8为左区域，U18、U23为右区域，U1、U2、U10、U9为左上区域，U19、U20、U21、U22为右上区域，U4、U5、U6、U7为左下区域，U16、U17、U24、U25为右下区域，U13为正中区域。主控制通过寻找25个输出信号的最大值，判断光点所处区域，从而控制执行机构调整集光平面的位置，使集光平面与太阳光垂直。假设当前U1单元光敏电阻输出信号最大，即光点的偏移位置为左上区域，则控制器将控制俯仰轴和水平轴的电机转动，使集光平面绕俯仰轴向北及绕水平轴向西转动，直到U13单元光敏电阻输出信号最大。

上述感光模块巧妙地运用了PSD四象限探测器测量光点偏移的基本原理，理论精度达1.5 mm，与以往的2 mm理论精度光敏电阻跟踪器相比，精度有较大提高，但价格却比PSD四象限探测器低很多。

阴晴检测模块由一块空载电压为2 V的多晶硅太阳能电池板构成。根据实际测量，在阴雨天气里，该太阳能电池板的输出电压均值为1.31 V，而在晴天，其输出电压均值为1.96 V，因此取1.31 V作为阴雨天气判别的阈值。

朝向检测模块由HMC5883L电子罗盘构成，该模块输出的角度值可通过I2C总线直接传送给控制器，作为控制集光平面夜间复位的位置反馈信号。同时，在PC上位机获取该信号，可对系统的工作情况实现远程实时观测。

2.2 主控制器设计

该系统中主控制器的主要任务是完成光点位置、集光平面朝向、阴晴天气的数据采集和分析，并作出控制决策，控制执行机构实现相应的功能。由于ARM7系列芯片中的STM32F103RBT6内置有一个系统所需的实时时钟RTC、51路I/O和复用16路A/D资源，无需进行过多外围扩展，因此选择该芯片作为主控制器芯片。

2.3 执行机构

如图4所示，该执行机构以地平坐标系为参考系统[2]，采用高度角—方位角全跟踪方式[2]，驱动集光平面追踪太阳光的位置。该机构利用蜗杆减速电机M1和步进电机M2分别控制托盘方位角（0～180°）和俯仰角（0～90°）的变化。

图4 执行机构

考虑系统稳定性和安全性，并能够产生较大的输出转矩，该机构在水平轴上通过一对大小齿轮与电机连接，在俯仰轴上应用梯型丝杠作为推杆，使机构连接成三角形的支撑结构。这种结构一方面具有减速作用，使托盘平稳运行，同时又产生较大的力矩；另一方面蜗杆减速电机和丝杠都具有自锁功能，在实际应用中起到抗风及位置锁定作用，能够保证系统稳定、安全地运行。

由于装有感光模块并开有通光孔的密封盒和集光平面均与托盘平行安装，因此托盘转动时，集光平面随之转动，光线透过通光孔在感光模块上形成的光点位置也会发生相应变化。控制器根据光点的偏移区域控制电机的转动方向，电机带动托盘转动，直至光点投射在正中区域U13，此时集光平面正好与太阳光垂直。

3 系统控制软件设计

控制软件实现的基本功能是：(1)根据时钟提供的时间和阴晴检测电路输出的天气信息，决定是否启动执行机构工作；(2)根据光点位置信息，控制执行机构中的电机作相应转动。

若在工作时间内（白天），且天气为晴，系统将启动执行机构工作；若不在工作时间内（夜里），或天气为阴，系统将使执行机构断电停止工作，以节约能源。工作期间内，当太阳光经通光孔照射到阵列式感光模块的感光面上时，主控制器循环采集来自光点检测电路输出的太阳光点位置信息，并与U13中心位置进行比较后，输出位置偏差和方位信号，控制电机转动，使集光平面追踪太阳光。系统控制软件框图如图5所示。

4 系统测试结果

为了测试系统对太阳光的跟踪效果，采用一块6 V 1.1 W的多晶硅太阳能电池板代替集光平面安装在执行机构的托盘上进行实验，系统运行时间为6∶00～18∶00。图6为该多晶硅太阳能电池板在对太阳光实施跟踪和不实施跟踪的情况下输出电压在上述时间段内的变化曲线。

图5 系统控制程序流程图

图6 太阳能电池板输出电压折线图

从图中可看出，在6∶00～8∶00和16∶30～18∶00两个时间段内，对太阳光实施跟踪与不实施跟踪时相比，太阳能电池板的输出电压明显提高，说明在这两个时间段内对太阳光实施跟踪可显著提高太阳能的利用效率。

调查及实验显示，太阳光自动跟踪系统对提高太阳能的利用率有重要作用，具有广阔的市场前景，适用各种太阳能利用装置，如光伏发电系统、太阳能热水器、太阳灶等。在此类装置上安装太阳光跟踪系统，可较大幅度提高装置本身的太阳能利用率。

本文设计的太阳光自动跟踪系统具有稳定性好、响应速度快、成本低等特点，适合安装在车、船等流动性较强的载体上。

[1]余海.太阳能利用综述及提高其利用率的途径[J].新能源研究与利用，2004，7(3)：34-37.

[2]金晶晶.太阳光线自动跟踪装置[D].沈阳：沈阳工业大学，2007.