一种聚光太阳能追日检测装置

黄　周, 许正望

(1 湖北工业大学 电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068; 2 湖北工业大学 太阳能高效利用湖北省协同创新中心，湖北 武汉，430068)



一种聚光太阳能追日检测装置

黄周1,2, 许正望1,2

(1 湖北工业大学 电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068; 2 湖北工业大学 太阳能高效利用湖北省协同创新中心，湖北 武汉，430068)

介绍了一种追日检测装置，其独创性在于使用由铂丝制成的热传感器来检测光照方向，克服了一般光电器件长期稳定性不佳的缺点。详细介绍了检测原理、系统结构、硬件电路设计、软件设计。实验数据表明，该装置具有检测精度高、长期稳定性好的优点，可应用于聚光太阳能发电等需要追日运行的系统中。

追日检测；聚光太阳能；高精度

目前国内外的太阳追踪控制系统主要可以分为三类[1]：1)光电跟踪方式：光电跟踪方式有较高地跟踪精度，但其也有严重的缺点。这种方式极易受到干扰光的影响，也受天气条件的影响，一旦天气由晴朗变阴暗，系统可能没有反馈信号或者反馈信号极其不稳定，而导致跟踪器无法准确地跟踪太阳，甚至会出现误动作。2)视日追踪方式：这种方式跟踪稳定，不受天气影响，但其精度不高，易产生累积误差。3)混合追踪方式：这种方式是光电追踪方式与视日追踪方式相结合而成，结合了上述两种方式的优点。但由于用于检测光照的多晶硅太阳能电池板、光电二极管或光敏电阻等光电器件稳定性不够，随着时间的推移，材料的输出特性逐步劣化，而且不同的两片材料劣化的速率并不一致，导致参数本应该相等的两片材料的参数有了较大的差距，最终导致传感器追日检测的精度越来越差。

本文分析现有技术的特点，采用混合追踪方式设计检测装置，同时针对上述缺点，改变思路，虽然目标是追踪太阳，但不是直接去检测太阳光，而是通过检测太阳辐射的热来间接地检测太阳光照方向。采用铂丝制成热传感器，并利用热传感器组成的平衡电桥来检测温度的变化，再与视日追踪方式相结合。当天气阴暗时，视日追踪方式工作，保证不间断追踪；当天气晴朗时，平衡电桥自动工作，消除视日追踪方式的累积误差。从而解决了追踪系统长期稳定性不佳的问题，实际工作中精度能保持在1°以下，若能改善实验室中条件不足带来的人为误差及机械误差，提高芯片精度及改善程序，精度还可进一步提高。

1　新的混合追踪方式

1.1视日追踪方式

视日运动轨迹跟踪为本系统的主要工作方式，通过GPS获取当地地理位置信息和当前的时间信息，再代入计算公式进行太阳高度角和方位角的计算，最后根据历史数据计算步进电机需要走的方向和步数，并驱动电机执行相应动作，从而使太阳能电池板持续面向太阳。

参照相关资料[2]计算太阳高度角α的表达式为

δ=0.006918-0.399912cosΓ+0.070257sinΓ-

0.006758cos(2Γ)+0.000907sin(2Γ)-

0.002697cos(3Γ)+0.00148sin(3Γ)

式中，φ功为观测点的地理纬度; δ角为太阳赤纬角; ω角为太阳时角。

计算太阳方位角γs的表达式为

δ=0.006918-0.399912cosΓ+0.070257sinΓ-

0.006758cos(2Γ)+0.000907sin(2Γ)-

0.002697cos(3Γ)+0.00148sin(3Γ)

1.2平衡电桥追踪方式

平衡电桥追踪方式为本系统的辅助工作方式，主要用来消除视日运动轨迹跟踪方式运行过程中产生的累积误差。每当光照条件较好的时候，通过传感器实时检测光照方向，判断视日运动轨迹跟踪的精确性，并计算出系统当前运行误差及消除误差需要偏转的方向和步数，驱动电机执行动作消除误差，并将数据记入历史数据，使视日运动轨迹跟踪始终保持高精度。

传统的混合追踪系统使用光电器件检测光照方向，由于器件的长期稳定性差，难以保证系统的长期稳定性。本系统创造性地使用铂材料制成的温度传感器检测光照方向，由于铂材料具有极佳的物理和化学稳定性，同时其电阻值与温度有非常强的相关性，使用铂材料制成的温度传感器可以准确地检测到光照的变化，而且该传感器具有光电器件所缺少的长期稳定性，能保证系统长期高精度追日。

本装置中，将细铂丝在耐热的细棒上绕制成螺线型，使其具有较大的电阻值以限制电流，并增加感温能力。制成的温度传感器根据具体情况可以为直型、圆弧型或其他合适的形状，使用4只传感器布置于光斑的四周。在一般聚光太阳能系统中，4只传感器可直接布置于光伏芯片四周；在具有二次匀光器的系统中，4只传感器布置于二次匀光器的上部。通过适当调整，使光斑与4只传感器刚好相切为初始工作状态，以直型传感器为例(图1)。

图 1　传感器布置图

其中传感器A、C相对布置，在电路中将它们与合适的精密电阻接成平衡电桥的形式，用于测量南北方向的追踪误差；传感器B、D相对布置，用于测量东西方向的追踪误差。

图 2　南北方向检测原理

检测原理如图2所示，其中2个黑块为检测南北方向偏差的传感器A和C，圆形为光斑，在正常情况下，两个传感器受到的光照强度相等(图2a)；如果在运行过程中发生偏北的误差(图2b)，则光斑有一部分照在传感器A上，同时也远离了传感器C，这样A受到的光照强度增大很多，同时C受到的光照强度减小，A的阻抗增加而C的阻抗减小，则电桥失去平衡，向后面的放大电路输出偏差信号，经过放大、A/D转换后，控制器根据偏差可知偏离正中的方向和大小，即可发送控制脉冲驱动电机向合适的方向转动一个合适的角度。东西方向的检测使用传感器B和D，追踪方法与此类似。

由上述分析可知，只要追日发生了偏差，传感器就可以检测到该偏差，控制器即可根据偏差的大小和方向控制执行机构，偏差得以减小直至消除。

2　系统总体方案设计

根据上述跟踪方式的分析，设计了一套基于ARM[3]的聚光太阳能追日系统[4]，控制系统硬件部分主要包括ARM处理器模块、GPS模块、电机及驱动器。整个跟踪控制系统硬件如图3所示。

图 3　系统硬件框图

2.1执行机构

为了能够在不同的太阳高度角和方位角都能够跟踪太阳，获得最多的太阳能，需要双轴追踪，采用两个电机对装置的方向进行控制，一个电机控制太阳能电池板东西方向随日升日落转动，另一个电机控制太阳能电池板南北方向随季节更替转动。该跟踪装置使用两台两相混合式步进电机，型号为57HS11242A4JD11，再配上两个减速比为1/60的减速器，以及底座固定支架和圆形托盘组成整个执行机构部分(图4)。

图 4　传动机构实物图

2.2信号检测电路

系统设计了包含平衡电桥、差分放大、电平移动的信号检测电路，其中一路信号检测的完整电路见图5，该电路用来检测南北方向偏差，东西方向偏差检测电路与此图一致。

图 5　检测电路原理图

图5中，R4为10 Ω的可调电位器，安装时通过调整此电位器使电桥达到平衡，可消除由于2个传感器参数不一致、传感器安装不一致等问题带来的偏差，简化安装过程；R4的上下半边和R2、R6组成平衡电桥，R2、R6分别是两个检测传感器，光照强度一致时它们的阻值相等，电桥平衡，输出信号为0，光照强度不一致时它们的阻值发生变换，从电桥输出偏差信号；AD620为高稳定性、高精度的仪表放大器，通过它将偏差信号放大，安装调试时可使用R23调整其放大倍数至合适的值。

由于后续ARM内部A/D转换器只能转换正电压，在AD620之后增加了一级电平移动电路，使用OP07给AD620输出信号加上固定的1.5 V。从OP07的6脚输出的信号VOUT直接送到ARM，由ARM进行A/D转换，并根据转换的数据进行相应的判断和处理。

2.3软件设计

系统运行过程中，主要有三个动作：视日运动轨迹跟踪、平衡电桥跟踪消除累计误差、夜晚系统回位。

其中视日运动轨迹跟踪为主要工作模式，一方面根据GPS读取的数据计算太阳位置，另一方面根据历史数据确定系统当前指向，比较两者的差值确定系统需要转动的方向和角度，再换成发给步进电机方向和脉冲信号，并输出。

当天气情况良好的时候，平衡电桥跟踪方式启动工作，控制器通过A/D读取放大电路放大的误差信号，对视日运动轨迹跟踪的结果进行评估，若有误差则控制电机减小直至消除误差，并将误差修正动作的数据交给视日运动轨迹跟踪部分作为历史数据使用，这样可以消除视日运动轨迹跟踪的累积误差，保证系统能长期高精度追日。

具体程序流程见图6。

图 6　程序流程图

3　实际运行实验

3.1理论精度计算

由于系统以步进电机进行驱动，控制步进电机运动的最小单位就是一个脉冲，追踪精度受到一个脉冲带来的变化的限制，计算如下：

由于采用的步进电机的步距角为1.8°，同时步进电机配有减速比为1/60的减速器，所以最终一个脉冲对应的输出转动角度[6]θ=1.8°/60=0.03°

当发出一个脉冲后，机构转动0.03°，因此，本系统可以以0.03°精度进行角度调整，即其理论追踪精度0.03°，即使考虑传感器、机构等方面的影响，系统追日精度也可以保持在1°以内。

3.2实验情况

本装置制作完成后，实际连续运行20 d，并测量了系统追日误差[7]，数据绘图见图7。

图 7　追日误差随时间变化曲线

从图7曲线可以看出，系统追日误差很小，始终保持在1°以下表明系统运行稳定、精度高。从曲线变化趋势也可以看出，随着时间的增长，误差略有增加。由于时间有限，没有更长时间的数据说明系统长期运行精度变化情况，但本系统为闭环控制系统，根据铂材料的特性基本可推定系统具有长期高精度运行的能力。

3.3误差分析

由前述分析可知，使用视日运动轨迹跟踪方式有累积误差的问题，但其误差可由平衡电桥跟踪予以消除，故系统误差主要由平衡电桥跟踪方式带来。

误差来源主要有：

1)传感器参数不一致。由于铂丝制作的传感器目前为手工制成，还不能保证两个传感器的参数一致。如图5，若R2和R6的阻值不完全相等，即铂丝的长度不完全相等，则在环境温度变化的情况下，两个阻值变化量不相等，将带来非光照变化引起的输出信号变化，使检测精度下降；而且R2和R6的阻值不完全相等时，为了保持电桥平衡，在调试中R4上下两段的阻值也不会相等，在环境稳定变化时也会产生信号的变化。若以后采集精密加工手段制作传感器，使两个传感器使用的铂丝精确相等则可避免这个问题。

2)放大倍数不稳定。R23的阻值控制了AD620的放大倍数，当环境温度变化时，R23的阻值变化，则AD620的放大倍数变化，导致其输出的信号发生额外的变化，从而影响系统追日精度，在高精度要求的系统中可采用温度补偿等手段消除这种影响。

4　总结

本文研究的聚光太阳能跟踪装置为实现高精度、高可靠性的跟踪，采用视日运动轨迹跟踪方式和铂热电阻平衡电桥电路相结合的方式，建立了地平坐标系下的双轴太阳跟踪装置，避免了采用光电跟踪方式跟踪不稳定的影响，使光伏芯片最佳地对准太阳。在此基础上，为了完成控制要求并尽可能降低系统成本，完成了基于STM32F407ZGT6控制器的硬件设计和软件设计，最后完成了太阳跟踪系统的搭建、联机调试。目前该系统运行正常，操作方便，稳定可靠。经过调试运行表明，系统可长时间保持追踪精度在1°以内，可应用于聚光太阳能发电等需要追日检测的系统中。

[1]周江坤. 聚光太阳能嵌入式跟踪控制系统的研究[D].武汉：武汉理工大学图书馆,2013.

[2]韩玥. 太阳能追日系统的设计与实现[D].长春：长春工业大学图书馆,2013.

[3]张洋,刘军. 原子教你玩stm32(库函数版)[M].北京：北京航空航天出版社,2013.

[4]侯文涛.新能源行业:聚光太阳能(CPV)将成为2010的冉冉之星[J].股市动态分析,2010(11):48.

[5]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社 ,2013，8(7)：438-444.

[6]黄剑波,朴仁官. 一种高精度全天候太阳跟踪仪的设计[J].长春理工大学学报(自然科学版),2010(3)：4-7.

[责任编校： 张岩芳]

A Kind of Concentrating Solar-tracking Detector

HUANG Zhou1, 2, XU Zhengwang1, 2

(1SchoolofElectrical&ElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

This paper presents a kind of concentrating solar-tracking detector. Its originality lies in the use of thermal sensors which are made of platinum wires to detect the direction of the sun shine. That can overcome the shortcomings of photoelectric devices which generally have poor long-term stability. The detection principle, the system architecture, the hardware and software design are presented in details. Experimental results show that the device has a high precision and good long-term stability. This kind of detector can be applied to the systems which needs solar-tracking, such as the concentrating solar power.

solar-tracking detect; concentrating solar; high precision

2015-10-09

黄周(1990-)， 男， 湖北黄陂人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为嵌入式ARM

1003-4684(2016)04-0057-04

X382

A