基于GPS定位算法的双轴轨迹自动太阳能追踪系统

冯 月，王利强，王啸天，张明学

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

0 引言

人类社会对自然资源的消耗将导致资源枯竭，减少对自然资源的依赖，利用太阳能等可再生能源是目前生活的迫切需求[1]。然而，太阳能的利用效率一直受限于技术水平得不到提高，所以怎样提高太阳能的利用效率成为人类利用太阳能的关键[2-4]。

近3年来，国内外许多学者对这一课题进行了研究。2018年陆军工程大学的Niu[5]等人设计了一种基于单片机的模糊PID控制策略的太阳能追踪系统；2020年华北电力大学的Zhu[6]等人设计了一种新型单轴结构太阳能跟踪系统，通过基于太阳-地球的几何关系和太阳辐射预测模型的跟踪数学表达式形成的太阳能追踪系统，是同纬度具有明显优势的系统；2020年王奔[7]等人设计了一种基于PLC的槽式光热太阳能追踪控制系统，通过自定义嵌入式编程实现高精度算法在控制器中的应用；2021年李嘉晟[8]等人设计了一种基于单片机的双轴太阳能自动追踪系统，通过采用STM32F103R8T6单片机的半遮挡式四象限光电检测法结合时钟控制法，达到追踪目的。

针对以上研究存在的问题，提出一种基于GPS算法的双轴结构的太阳能追踪系统的设计，实现了小误差的太阳能追踪，提高了太阳能的接收效率。

1 太阳位置GPS定位算法的介绍

在天文学中，对于太阳位置的确定，有一系列精度很高但是计算复杂的方法，但这些计算方法在光伏应用中过于繁琐且不适用。所以，有了针对光伏应用的简易算法，这些算法之间的复杂度和精度各不相同。为保证整个追踪装置的追踪精度以及满足太阳能追踪的需要，在此套装置中选用的Duffie[9]是在1980年提出的算法。

为了确定太阳位置，需要在天球坐标系下引入太阳磁偏角、太阳时角、天顶角和太阳方位角4个天文参数。在此实验系统中，算法的最终目标是要得到天顶角和太阳方位角的理论位置。太阳位置的具体计算过程如下：

首先，计算磁偏角。磁偏角（δ）计算方法如式（1）所示：

其中，n为每年1月1日算起的天数，例如：2013年4月1日，n就是91。带入公式（1）即得到δ为4.02°。

其次，计算时角。时角的计算如式（2）所示：

其中，H为24h制的时间，单位：h。例如：中午12点30分，H为12.5。

再计算天顶角，天顶角的计算方法如式（3）所示：

公式（3）中的φ为纬度，由GPS模块提供。

最后，计算方位角。方位角的计算方法如式（4）所示：

2 太阳能追踪实验系统搭建

2.1 机械结构概况

搭建了基于GPS算法太阳能追踪系统样机进行实验，系统样机的整体机械3D结构如图1所示，整体结构实物图如图2所示。

图1 整体机械3D结构图Fig.1 Overall mechanical 3D structure diagram

图2 太阳能追踪系统实物图Fig.2 Physical image of the solar tracking system

此装置机械结构包括：底座、控制电路、支架、竖直步进电机、水平步进电机、太阳能接收板。

底座是整个机械结构的稳定中心所在。此装置中，底座使用硬质树脂材料。其强度高、硬度大、重量足，已确保整个机械结构的重心稳定，方便打孔与其他模块连接。

太阳能接收板通过支架连接到整个装置中，呈水平向放置。

步进电机组是由竖直步进电机和水平步进电机组成的，竖直步进电机固定在支架上，转动轴连接水平步进电机。

以STC12LE5A60S2型号单片机为核心处理器件的控制电路，位于整个装置的最左侧。控制电路部分主要是控制电路的放置位置，控制电路与步进电机转动模块隔离一段距离，使电路不影响电机的转动。

2.2 机械追踪方式

此设计装置采用了双轴追踪方式，最大程度上增加太阳能接收板的接收效率。图3是双轴追踪方式的原理图。双轴追踪方式在东（E）-西（W）、南（S）-北（N）方向都有电机带动转动，实现太阳能接收板在东-西、南-北方向上同时完成追踪。双轴追踪方式中，水平轴控制太阳能接收板的俯仰角，竖直轴控制太阳能接收板的方位角。双轴追踪方式最大程度上增加了接收板接收太阳光线的效率，使用合理的控制电路可以实现追踪装置的全天候、全自动追踪，不需要人力进行调整。双轴追踪方式的控制电路设计较复杂，机械结构稳定性差，需要使用强度较高的材料。所以，在机械强度方面，装置使用铁、铝合金等硬质金属材料，能够有效保证整个机械结构的强度，满足室外太阳能追踪的需要。

图3 双轴追踪方式原理图Fig.3 Schematic diagram of dual-axis tracking method

2.3 追踪控制方式

此设计采用轨迹追踪方式，使用较高的追踪精度有利于提高太阳能接收效率。轨迹追踪方式是利用已有的立体几何算法计算得到太阳的实时轨迹，微控制器根据计算得到的轨迹驱动太阳能接收板转动到指定的位置，完成太阳能追踪。此种追踪方式需要利用较多的数据，目前单片机已经具备较强的计算能力，可以满足整个设计中的计算和控制要求。

轨迹追踪通常是开环的控制系统，容易产生累积误差，追踪时间较长时会累积误差较大。对于产生累积误差的问题，此装置使用了电子罗盘和倾角传感器对太阳能接收板的位置进行实时检测，产生较大误差即进行有效修正，实现了太阳能的追踪功能。

2.4 步进电机驱动方式

此装置选择使用步进电机驱动方式，步进电机驱动可以实现单步、一定角度的控制。太阳能追踪装置步进电机的单步转动精度，已经足够太阳能追踪的需要。如果需要高精度的驱动，可以使用性能好的专用步进电机细分驱动，这样能够实现极小角度的准确控制，而且整个步进电机的带负载能力也得到提高。通过挑选对比，此装置最终选择使用了L297、L298组合专用步进电机驱动电路，提高追踪装置的追踪精度和软件简单化，能实现对二相、四相等不同型号步进电机的驱动。图4是步进电机驱动示意图。

图4 步进电机驱动示意图Fig.4 Schematic diagram of stepper motor drive

3 太阳能追踪系统结构

整个追踪系统的工作流程大致可以分为获取数据并计算角度、测量实际角度并比较、控制驱动转动。

图5所示是整个系统的追踪流程图。系统上电；单片机上电复位；对电子罗盘和倾角传感器进行初始化操作；串口初始化；准备接收GPS数据；接收一次有效GPS位置数据，将接收的位置数据进行转换，转换成计算可以直接使用的数据；根据太阳位置算法，计算得到太阳的实时理论角度；单片机控制电子罗盘测量太阳能接收板的实际水平方位角，控制倾角传感器测量太阳能接收板的俯仰角度；将计算得到的理论位置与测量得到的实际太阳能接收板俯仰角和方位角进行比较，当单片机计算得到的位置信息与电子罗盘测得的太阳能接收板水平方位角有差距时，单片机发送控制信号控制竖直步进电机向正确的方向转动，直到太阳能接收板的方位角与计算值差距在误差接受范围内为止。同理，当单片机计算得到的位置信息与倾角传感器测得的太阳能接收板俯仰角有差距时，单片机发送控制信号控制水平步进电机向正确的方向转动，直到太阳能接收板的俯仰角与计算值差距在误差范围之内为止，完成一次追踪过程。

图5 系统追踪流程图Fig.5 System tracking flow chart

4 太阳轨迹算法可行性实验验证

为了验证太阳位置算法的准确性以及应用在太阳能自动追踪装置的可行性，专门做了太阳位置角度的测量和验证比较工作。

验证试验在天津市进行，当地的位置数据是北纬39°03′，东经117°17′。实验测量了当天一整天的太阳位置数据，与计算得到的位置数据做了比较。所得测量结果见表1。

表1 测量数据比较Table 1 Comparison of measurement data

由表1可得，太阳高度角的理论与测量值误差范围在0°～0.8°，方位角的理论和测量值误差范围在0°～2.2°。此种太阳能追踪算法实际测量结果与计算所得数据差距较小，在可以接受的范围之内，满足追踪需要，可以应用在本设计中。

5 结论

建立了基于GPS定位算法的太阳能自动追踪系统，以STC12LE5A60S2单片机为控制电路核心，采用双轴轨迹追踪方式，利用倾角传感器和电子罗盘测量实际接收板的角度，使整个系统构成闭环的控制系统。此装置利用GPS算法计算得到理论位置，通过比较数据调整太阳能接收板实际位置，在步进电机最小步进角度范围之内，满足追踪的需要。同时，在天津（北纬39°03′，东经117°17′）进行了实地实验，最终误差在2°以内，实验表明此装置可以追踪太阳能，提高接收效率。整个系统实现了全天候、全自动太阳追踪功能，为该自动跟踪系统以后的商业化运行提供了一定的依据。