徐炜君 原大明

(东北石油大学秦皇岛分校，河北 秦皇岛 066004)

视日轨迹太阳能反馈跟踪系统的设计与实现

徐炜君 原大明

(东北石油大学秦皇岛分校，河北 秦皇岛 066004)

为了提高太阳能发电效率，设计了一种以STC15W4K32S4单片机为核心，基于双轴跟踪机构的全天候视日轨迹太阳能反馈跟踪系统。给出系统的组成、原理、硬件模块和实现方法。实验结果表明：该系统具有较高的稳定性和可靠性，太阳能跟踪精度误差在0.25～0.50°以内，减少了系统累积误差，实现了反馈控制的目的。

太阳能跟踪系统 单片机 光强检测 双轴跟踪 反馈控制

随着能源问题的日益突出，太阳能作为一种最清洁、最环保、可永续的能源[1]，已受到了各国的重视。而在众多提高太阳能利用效率的研究方法中，太阳跟踪是一种有效的方法。实践表明，采用跟踪式方法，太阳能电池的发电效率可以提高30%以上[2]。

太阳跟踪的方法有多种，目前比较常用的方法主要有视日运动轨迹跟踪和光电跟踪[3,4]。前者根据太阳运动规律，计算出太阳能电池板应转动的角度，从而控制步进电机动作，这种跟踪方式的缺点是会产生累计误差且跟踪系统自身无法消除这些误差；后者受环境影响较大，尤其在多云或阴天时。在此，笔者采用以视日运动轨迹跟踪为主、光电跟踪为辅的跟踪方式[5]，将光电跟踪的结果反馈给视日运动轨迹跟踪，从而进行实时跟踪微调，达到闭环反馈控制的目的，避免视日运动轨迹跟踪开环控制的诸多缺点，实现全天候自动、精确的太阳跟踪。

1 系统的组成和原理

太阳能反馈跟踪系统(图1)主要由单片机控制单元、光强检测装置、步进电机驱动模块、双轴跟踪机构和太阳能电池板组成。单片机控制单元根据当前的地理位置和时间信息并结合太阳坐标模型计算出太阳的方位角γ和高度角α，然后通过α、γ值计算电机的转动参数，驱动模块根据转动参数对双轴跟踪机构的转动方向和转动角度进行调整，保证太阳光线时刻都垂直照射在太阳能电池板上，提高系统的发电效率。系统设计过程中利用光强检测装置实时检测电机动作所引起的光强变化信息，单片机控制单元根据该信息对太阳能电池板的姿态进行微调，这种反馈控制可以有效消除系统的累计误差[6]，提高系统的跟踪精度。

图1 太阳能反馈跟踪系统结构框图

2 系统硬件部分

2.1单片机控制单元

单片机控制单元是整个系统的核心，本系统选用STC15W4K32S4单片机。STC15W4K32S4单片机是STC增强型8051单片机[7]，它支持宽电源电压(2.4～5.5V)，具备在线编程与在线仿真功能，集成了大容量的程序存储器、数据存储器和EEPROM，增加了定时器、串行口等基本功能部件，集成了A/D、PCA、比较器、专用PWM模块及SPI等多功能接口部件，可极大地简化单片机应用系统的外部电路，使单片机应用系统的设计更加简洁，系统性能更加高效、可靠。

2.2光强检测装置

光强检测装置(图2)由4路GY-30型数字光强传感器模块组成。4路GY-30光强传感器模块分别位于光强检测装置XY水平面的象限点上。水平面分为东、南、西、北4个方向，将平面遮光挡板分别沿一三、二四象限的角平分线设置，同时用圆形遮光挡板将4路传感器包围在其内部，这样可以减少光线对相邻传感器的干扰。4路GY-30光强传感器模块将采集到的光强信息分别送入单片机系统中进行处理。

图2 光强检测装置结构示意图

GY-30型数字光强传感器模块主要利用BH1750FVI芯片来采集光强，BH1750FVI是一个16位的两线式串行总线接口的数字型光强传感器集成电路，其光谱灵敏度接近视觉灵敏度，可以探测1lx～65535lx范围内的光强强度变化且分辨率较高。

2.3步进电机驱动模块

单片机控制单元需要通过步进电机驱动模块来实现对步进电机的控制。为了达到太阳跟踪平稳和高精度定位的要求，本系统选用MA860H细分型两相混合式步进电机驱动器，该驱动器采用18～80V(AC)或24～110V(DC)供电，适合驱动电流小于8.0A、外径57～86mm的两相混合式步进电机。该驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动小，低速运行平稳，振动和噪音低；高速时可输出相对较高的力矩，定位精度高。

2.4双轴跟踪机构

跟踪式太阳电池板聚光增益明显优于固定式，而双轴跟踪式聚光增益又优于单轴跟踪式[8]。因此，本系统采用双轴跟踪机构(图3)，在步进电机的带动下，双轴跟踪机构在水平、俯仰两个方向运动。这样太阳能电池板可以同时跟踪太阳的高度角α和方位角γ，使太阳光线时刻垂直于太阳能电池板，从而有效提高发电效率。

图3 双轴跟踪机构结构示意图

3 系统的设计与实现

3.1太阳坐标模型

天文学上利用天球描述太阳在空中的位置，并用地平坐标系确定其具体坐标。地平坐标系以地平圈为基准，用高度角α(0°<α<90°)和方位角γ(-180°<γ<180°)确定太阳位置，其中高度角α为太阳直射光线与地平面的夹角，方位角γ为太阳直射光线在地平面上的投影线与正南方向的夹角，向西(顺时针方向)为正，向东(逆时针方向)为负。本系统通过控制双轴跟踪机构的两个旋转轴的角度来实现对方位角γ和高度角α的跟踪。

太阳高度角α和方位角γ之间的函数关系为[9]：

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

式中φ——测点纬度；

δ——太阳赤纬角；

ω——时角。

一年内第n天的太阳赤纬角δ为：

时角ω为：

ω=(12-Tz)×15°

式中Tz——被测地点的真太阳时。

3.2光强检测装置辅助跟踪太阳光的原理

系统要求实现太阳光的双轴跟踪，即实现太阳高度角α和方位角γ的跟踪。方位角γ通过光强检测装置东西方向的光强传感器模块进行跟踪，而高度角α则通过南北方向的光强传感器进行跟踪。光强检测装置在安装过程中，应保证其水平面、太阳能电池板的水平面和地平面三者平行，以确保正确地跟踪太阳高度角α和方位角γ的变化。

高度角α的跟踪原理为：当南北两个方向的传感器接收到的光强强度不一致时(即α≠90°)，南北向传感器会输出两个不同的光强值，使光强差ΔL≠0；高度角α越偏离90°，ΔL的绝对值越大；根据ΔL的变化，单片机计算出步进电机的步数n，进而驱动电动机转动以调整太阳能电池板的姿态；在实际操作中，由于南北向传感器参数的不一致性，很难找到使ΔL=0的位置，因此设置一个阈值ε，当ΔL≠ε时就可以进行太阳能电池板的姿态调整。

方位角γ的跟踪原理与高度角α相同。

3.3阴天和晚上的控制

在阴天和晚上时，系统处于待命状态，太阳能电池板归位平放。系统借助光强检测装置检测到的4路光强信息判断是否为阴天。系统的时间信息由高精度时钟芯片DS12C887提供，芯片内置晶振和锂电池，无外部电源时芯片内部自供电可长达十年，因此在系统故障断电维修时无需对系统进行时间校准。单片机控制单元根据该时间信息并结合系统运行地点的太阳坐标模型计算出系统的运行时间。

3.4软件部分

系统软件部分主要以单片机为控制核心，设计控制系统的应用程序。本系统用户程序用C语言编写，采用多任务方式和模块化设计方法，各模块和子程序在主程序的调度下有序地执行各种功能。系统主程序、视日跟踪子程序和微调子程序的流程如图4所示。

4 结束语

笔者在太阳坐标模型的基础上，对视日运动轨迹跟踪进行控制优化，利用自制的光强检测装置实现了视日运动轨迹跟踪的反馈控制，克服了视日运动轨迹跟踪容易产生累计误差的缺点，提高了跟踪精度。系统以单片机为核心，可以自动判断运行的天气和时间条件，可实现全天候自动运行。驱动模块MA860H的使用，保证了系统运行的平稳性和定位精度。实验结果表明，本系统具有较高的稳定性和可靠性，跟踪精度误差在0.25～0.50°，对太阳的准确跟踪提高了太阳能的利用率，因此在太阳能发电系统中具有巨大的应用前景。

图4 程序流程

[1] 陈海刚,张秀云,李练兵.基于网络与MCGS组态软件的光伏电站监控系统[J].化工自动化及仪表,2013,40(11):1382～1385.

[2] 施云芬,王旭晖,张更宇,等.自动追踪太阳能UASB反应器的设计[J].化工自动化及仪表,2014,41(1):65～67.

[3] 张翠云,陈学永,陈仕国,等.基于PLC的双轴太阳能跟踪控制系统设计[J].福州大学学报(自然科学版),2013,41(6):1051～1055.

[4] 张丽萍,马立新,范忠,等.太阳能跟踪控制系统的设计[J].低压电器,2012,(20):30～33.

[5] 兰建军,陈杰辉,李超.光伏发电系统太阳方向检测方法研究[J].化工自动化及仪表,2015,42(1):12～15.

[6] 张新亮.一种基于双轴的太阳能自动跟踪装置[J].机械工程与自动化,2015,(1):166～167.

[7] 朱嵘涛,徐爱钧,叶传涛.STC15单片机和nRF2401的无线门禁系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2014,(6):57～60.

[8] 王民权,邹琴梅,黄文君,等.太阳电池板不同运行模式下的聚光增益[J].太阳能学报,2014,35(10):2015～2021.

[9] 王国安,米鸿涛,邓天宏,等.太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算[J].气象与环境科学,2007,30(z1):161～164.

AbstractHaving the multi-data source fusion technology adopted to analyze and correlate oilfield professional data was implemented to provide the preparation for data query and data analysis in the oilfield management. Through employing data mining-based decision-making technology, the intelligent analysis of the key data was realized to benefit the data analysis free from artificial experience; and the specialization of data customization realized by Android platform-based mobile terminal push technology can master data changes at any time. Above-said technologies-supported oilfield management system can integrate the oilfield data and each department’s business there along with an improved efficiency of operations.

Keywordsdata fusion, data mining, decision-making, terminal push, oilfield business management

DesignandImplementationofFeedbackTrackingSystemforVisualSolarEnergyTracking

XU Wei-jun, YUAN Da-ming

(QinhuangdaoCampus,NortheastPetroleumUniversity,Qinhuangdao066004,China)

In order to improve generation efficiency of the solar power, the STC15W4K32S4 MCU-cored and the dual-axis tracking mechanism-based all-weather solar feedback tracking system was designed and the system’s composition, working principle, hardware modules and implementation method were presented. The experimental results show that this system has high stability and reliability; and the error of its tracking accuracy stays at 0.25°to 0.50° along with reduced accumulative error and feedback control realized.

solar energy tracking system, MCU, light intensity detection, dual axis tracking, feedback control

(Continued from Page 854)

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.No.2OilProduction,DaqingOilfieldCo.,Ltd.,Daqing163414,China)

2016-06-21(修改稿)

TH862

A

1000-3932(2016)08-0855-04