一种基于耦合追踪策略的太阳追踪系统设计

田辉　曼茂立　苏晨阳　刘帅

摘 要：基于耦合的太阳追踪策略文章开发了一套单片机控制下的双轴太阳追踪系统。追踪过程中首先采用视日轨迹追踪法对太阳位置进行初步跟踪，此后依靠自主设计的光敏传感器对追踪过程进行精确调整；执行机构通过涡轮蜗杆传动及丝杠螺母传动分别实现在方向角及高度角方向对太阳的追踪，该系统可实现1度的太阳追踪精度，可为提高太阳能利用率提供有效解决方案。

关键词：视日轨迹追踪；光敏传感器；单片机；双轴

前言

随着能源问题的日益严峻，对以太阳能为代表的可再生资源的研究与开发不断受到国内外专家学者及相关企业的关注[1]。虽然太阳能资源总量巨大，然而限于其能量密度较低、间歇性强等特点给太阳能资源的开发带来了巨大的挑战。随着太阳自动跟踪系统的应用，太阳能资源的利用效率得到了显著提升。研究发现采用单轴追踪系统效率可提升达20%，而采用双轴追踪系统效率提升可超过30%[2]。限制太阳能利用效率进一步提升的主要因素在于太阳轨迹追踪策略的精度及稳定性，文章基于耦合的太阳追踪策略设计一种高精度的太阳自适应跟踪系统。

1 系统总体设计

文章所设计的太阳自适应追踪系统主要由太阳追踪系统、控制系统及执行机构组成。首先通过对太阳轨迹的实时求解以及光电传感器的精确修正，得到电池板理论最佳朝向。控制系统基于单片机根据电池板当前朝向及理论最佳朝向的相对关系，获得驱动相应步进电机运行的脉冲信号进而通过传动系统带动电池板调整到最佳朝向。追踪策略是影响整个系统精度的主要因素，文章通过视日轨迹追踪法与光电追踪法相结合的追踪策略来保证系统的整体精度，通过常用的单片机stm32作为控制核心分别对控制太阳高度角方向及方位角方向的步进电机进行控制实现太阳的实时追踪。图1给出了系统运行的总体流程。

2 太阳追踪系统设计

文章采用视日轨迹追踪法[3，4]及光电追踪法[5，6]的耦合策略对太阳运行轨迹进行追踪，此耦合方法既保证操作运行的简洁性又可实现闭环控制，可有效地实现太阳轨迹的精确追踪。

2.1 视日轨迹追踪

视日轨迹追踪法是根据日地之间的相关运动规律，采用一定的天文算法对太阳位置进行求解而实现对太阳跟踪的一种方法。相对于地球可用方位角 及高度角 两个参数描述太阳的具体位置，其函数关系[3]如方程（1）所示：

式中：？鬃表示研究点所处纬度；？啄表示赤纬角；？棕表示太阳时角。

研究点所处纬度？鬃及太阳时角？棕均是固定的，而由于日地复杂的轨道运动特点需要对赤纬角？啄进行实时修正。在以往的研究中学者们提出了一系列高效求解赤纬角的方法，如Cooper、Lamm、Michalsky、Bourges等学者提出的求解方法，基于对各算法计算精度及计算资源消耗的对比分析，文章采用Bourges算法。

2.2 光电追踪

为了保证太阳追踪精度文章开发一种基于光敏电阻的筒式光电追踪传感器，其结构简图如图2所示。

筒形遮光罩顶部中心开有直径为D的圆孔，光线可沿此孔透射入遮光罩底部的光敏电阻上。文章采用4个光敏电阻进行探测，通过受光及非受光电阻的电位差产生驱动信号，从而控制电池板的精确追踪。此传感器的搜索范围受遮光罩高度L，光敏电阻大小以及光敏电阻间径向距离R影响。为保证光电传感器与视日轨迹追踪法连续运行，光电传感器的搜索范围应介于目标追踪精度与视日轨迹追踪精度之间。选择通用的？准5mm光敏电阻，太阳的目标追踪精度设为1度，则遮光罩高度L及光敏电阻径向距离R可分别取：230mm、8mm，并取遮光罩顶端孔直径D=10mm。如图3所示为光电传感器内光敏电阻的电路图。

2.3 单片机追踪控制

系统对太阳的自动追踪分两步进行：首先根据公式（2）所示规律实时计算所在地区的太阳高度角及方位角，通过与上一时刻高度角及方位角的比较而获得完成当前时刻追踪所需的调整量，从而可基于传动部分的传动特性计算出两个步进电机所需的脉冲数。第二步通过光电传感器追踪实现整个追踪过程的闭环控制。如图3所示，当电池板与太阳光线不垂直时光敏电阻5和光敏电阻6两端所形成的电势差将驱动步进电机带动电池板沿方向角方向旋转，同理光敏电阻4和光敏电阻7两端所形成的电势差将驱动步进电机带动电池板沿高度角方向旋转，从而对第一步追踪进行精确闭环校正，以实现±1度的追踪精度。

我国北方地区太阳相对地球运动1度的时间约为5分钟，所以文章开发的控制系统每5分钟对电池板的朝向进行一次调整。内置的时钟系统可根据当地日出及日落的时间控制追踪系统的启闭。

3 传动系统设计

如图4所示，太阳追踪系统的传动部分由底部的蜗轮蜗杆传动及顶部的丝杠螺母传动实现。方位角方向的运动由底部涡轮蜗杆传动实现，步进电机驱动下蜗杆轴带动涡轮轴旋转，从而实现上端平台沿着涡轮轴水平旋转。高度角方向的运动由顶部丝杠螺母传动实现，步进电机驱动丝杠的旋转驱动螺母运动带动铰链上的电池板改变倾斜角度。针对实际需要方位角方向设置可旋转180度，高度角方向可在15度-75度范围内调整，以满足我国北方地区的太阳追踪要求。两种传动形式均具有良好的自锁性能，可使得太阳能电池板在运行过程中免受风等外力的影响而改变朝向，保证电池板的位置精度。

4 结束语

文章开发了一套双轴太阳自动跟踪系统，该系统基于stm32单片机对步进电机进行控制，分别驱动涡轮蜗杆及丝杠螺母使得太阳能电池板水平的沿高度角方向旋转180度，高度角方向调整60度。追踪过程首先基于理论公式进行视日轨迹追踪，再通过自行设计的光电传感器对太阳位置做进一步闭环校正。本系统可保证太阳追踪精度在 1度范围内，可为太阳能的大规模高效利用提供可行方案。

参考文献

[1]Zemin Jiang. Reflections on Energy Issues in China[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science），2008（03）：257-274.

[2]张善文.太阳光线双轴智能跟踪系统研究[D].扬州大学，2011，4.

[3]杜春旭，王普，马重芳，等.一种高精度太阳位置算法[J].新能源及工艺，2010（2）：41-45.

[4]陆博.光伏系统中德高精度太阳跟踪方法研究[D].河南师范大学，2012，4.

[5]杨培环.高精度太阳跟踪传感器与控制器的研究[D].武汉理工大学，2010，4.

[6]王志超，韩东，徐贵力，等.一种新型太阳跟踪器的设计[J].传感器与微系统，2009，28（2）：91-94.

[7]王东江.刘亚军.太阳跟踪自动化控制系统设计[J].数字技术及应用，2010（07）：19-26.

[8]毛桂生.太阳能电池板自动追踪系统的研究[D].华南理工大学，2010.