0 引言

　　太陽能是取之不盡、用之不竭的綠色能源，近年來在發(fā)電、照明等行業(yè)已被廣泛應(yīng)用，尤其在電力、煙草、文教等領(lǐng)域。其中，太陽追蹤系統(tǒng)是太陽能應(yīng)用中的重要組件。但傳統(tǒng)的追蹤系統(tǒng)一般適用于1 000倍以下的聚光系統(tǒng)，而在自然光導(dǎo)入照明的新興領(lǐng)域，往往需要2 000倍以上的聚光倍數(shù)，現(xiàn)在的追蹤系統(tǒng)在精度等方面難以滿足要求。因此，實(shí)現(xiàn)高精度的太陽自動(dòng)追蹤顯得尤其重要。

　　當(dāng)前關(guān)于太陽自動(dòng)追蹤主要有兩種方法：一是基于太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤，二是基于光學(xué)傳感器的追蹤。本文針對以上兩種方法的缺陷，將天文算法、GPS與基于小孔的PSD傳感器相結(jié)合，利用加速度傳感器和雙軸步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整追蹤姿態(tài)[1]，實(shí)現(xiàn)了對太陽的高精度自動(dòng)追蹤。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 光學(xué)要求及設(shè)計(jì)

　　本文選取太陽光光纖照明應(yīng)用設(shè)計(jì)追蹤系統(tǒng)。該類系統(tǒng)的聚光比達(dá)到2 000倍以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他聚光應(yīng)用的倍數(shù)（比如太陽光聚光發(fā)電的500~1 000倍），對于精度的要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的系統(tǒng)要求。

　　因此，首先需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算出追蹤系統(tǒng)所需要達(dá)到的精度要求。圖1是光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)太陽光是平行光，經(jīng)過菲涅爾透鏡后聚焦到光纖表面，其聚焦倍數(shù)達(dá)到2 400倍。圖2表示了當(dāng)入射角度偏離菲涅爾透鏡的光學(xué)主軸后，光纖所采集的能量損失情況。由圖可見，當(dāng)偏離角度達(dá)到0.05°時(shí)，能量損失約為10%，達(dá)到0.1°時(shí)，能量損失將達(dá)到約25%，為了盡可能提高太陽光的收集效率，并且盡可能降低追蹤頻率帶來的功耗，綜合取優(yōu)后選取±0.05°作為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度?？紤]到太陽平均每240 s將產(chǎn)生大約1°的角度偏轉(zhuǎn)，所以將追蹤頻率設(shè)定在12 s。

圖1  光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

圖2  光纖對準(zhǔn)效率隨菲涅爾透鏡入射偏角變化曲線

　　1.2 PSD傳感器設(shè)計(jì)

　　1.2.1 PSD傳感器

　　本系統(tǒng)用的二維PSD位置傳感器具有很高的精度和靈敏度，分辨率達(dá)到1，即1的光照點(diǎn)位移即可感知。系統(tǒng)采用的金屬屏蔽罩長度為80 mm，式(1)中a表示位移分辨率：

　　可以算出，位移分辨率為1情況下，太陽偏移角度分辨率約為0.001°。本系統(tǒng)選取0.05°作為更新誤差閾值，其對應(yīng)的位移約為44 ，則傳感器完全可以滿足該精度。PSD傳感器為4路信號輸出，傳感器套在具有小孔的長方體金屬屏蔽罩里[2]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3  PSD傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.2.2 PSD信號處理電路板

　　PSD傳感器的信號處理電路板如圖4所示。電路中，PSD傳感器輸入的電流信號(PSD0~PSD3)接運(yùn)放的反向輸入端，并通過運(yùn)放轉(zhuǎn)換成輸出的電壓信號(AD0~AD3)，直接接入控制芯片的AD引腳。

圖4  PSD信號處理電路板示意圖

　　1.3 控制電路設(shè)計(jì)

　　本控制電路總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。主控芯片采用TI公司的DSP芯片，其通過串口接收GPS模塊傳來的數(shù)據(jù)，通過AD口讀取PSD傳感器檢測到的太陽光信號，對這些數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理和分析后控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并用加速度傳感器不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向和姿態(tài)，同時(shí)將當(dāng)前轉(zhuǎn)向和姿態(tài)的數(shù)據(jù)定時(shí)寫入E2PROM[3]。

圖5  控制電路總體結(jié)構(gòu)圖

2 控制及算法

　　2.1 控制程序組成

　　系統(tǒng)的控制程序主要由主程序、中斷程序以及若干子程序組成。主程序在讀取完系統(tǒng)配置信息后由一個(gè)大的循環(huán)語句組成，該循環(huán)主要讀取并解析當(dāng)前GPS信號、讀取加速度傳感器信號、寫入數(shù)據(jù)到E2PROM以及系統(tǒng)狀態(tài)的邏輯控制。中斷程序主要用于讀取PSD數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志位的變換以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。若干子程序包括各類傳感器模塊的驅(qū)動(dòng)子程序以及一些算法子程序，其中算法包括天文解析算法、PID控制以及CRC校驗(yàn)等[4]。

　　2.2 系統(tǒng)控制流程

　　系統(tǒng)的控制流程圖如圖6所示。左右兩側(cè)各為系統(tǒng)的兩個(gè)狀態(tài)流程[5]。

圖6  系統(tǒng)控制流程圖

　　系統(tǒng)啟動(dòng)并初始化配置，從E2PROM中讀取當(dāng)前水平角度信息以及PSD傳感器基準(zhǔn)值信息；接下來讀取GPS信號并解析，通過天文算法算出當(dāng)前太陽的高度角以及相對南方的偏角；之后開始驅(qū)動(dòng)垂直步進(jìn)電機(jī)定位好高度角，驅(qū)動(dòng)水平步進(jìn)電機(jī)定位好水平角，直到追蹤到預(yù)期位置完成粗粒度定位。

　　系統(tǒng)在定位追蹤的過程中會(huì)不斷地讀取PSD傳感器的數(shù)值，若某一次讀到的數(shù)值處于精調(diào)范圍，則系統(tǒng)立即進(jìn)入精粒度追蹤模式[6]，執(zhí)行精粒度調(diào)整子程序。

　　若左右掃描過程中沒有進(jìn)入精粒度調(diào)整范圍，則系統(tǒng)開始進(jìn)入粗粒度追蹤模式，該模式主要由GPS算出太陽當(dāng)前高度角和方位角，然后系統(tǒng)執(zhí)行粗粒度定位。大約每四分鐘會(huì)定位一次，直到進(jìn)入精調(diào)范圍則執(zhí)行精粒度追蹤。若粗粒度追蹤時(shí)間大于預(yù)設(shè)閾值，則程序回到左右掃描的過程繼續(xù)執(zhí)行。

　　在主程序不斷循環(huán)過程中，系統(tǒng)也是間隔地讀取GPS信號，若檢測到當(dāng)前時(shí)間處于系統(tǒng)下班時(shí)間，則系統(tǒng)會(huì)立即執(zhí)行下班復(fù)位程序。系統(tǒng)下班后，進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式，并定期讀取當(dāng)前時(shí)間信息[7]。若檢測到當(dāng)前處于上班時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)從低功耗模式恢復(fù)并從主程序開始處繼續(xù)執(zhí)行。

3 結(jié)果及討論

　　本文實(shí)現(xiàn)了一套太陽追蹤系統(tǒng)，并對其運(yùn)行情況以及采集出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和分析。

　　3.1 精粒度追蹤效果

　　系統(tǒng)的PSD傳感器采用了小孔成像的方式來感應(yīng)太陽，所以其感應(yīng)靈敏度和追蹤精度是很高的。首先觀察精粒度追蹤下輸出光功率隨著時(shí)間變化的情況，如圖7所示。選取精粒度追蹤下一段時(shí)間內(nèi)輸出的光通量平均值作為100%的基準(zhǔn)值，其他數(shù)值與該值的比值作為縱坐標(biāo)讀數(shù)。可以看出精粒度追蹤下輸出的光功率波動(dòng)幅度始終保持在1.0%以內(nèi)，輸出非常穩(wěn)定。

圖7  精粒度追蹤下輸出光功率變化圖

　　3.2粗粒度追蹤效果

　　系統(tǒng)前期通過GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽軌跡的粗粒度追蹤誤差相對是比較大的。本文通過實(shí)驗(yàn)記錄了系統(tǒng)完全在粗粒度追蹤下的室內(nèi)光強(qiáng)數(shù)據(jù)，并與精粒度追蹤下室內(nèi)光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖8所示。可以看出，一天之內(nèi)，粗粒度追蹤的光照讀數(shù)的連線軌跡效果整體與精粒度追蹤曲線保持一致，并保持大約340流明的光照強(qiáng)度差值。誤差的一致性說明天文解析算法的可靠性，所以利用GPS進(jìn)行太陽軌跡的粗粒度定位可以迅速的找到太陽大致位置。

圖8  粗粒度追蹤室內(nèi)光強(qiáng)數(shù)據(jù)對比圖

　　3.3 綜合運(yùn)行效果

　　通過對系統(tǒng)運(yùn)行六個(gè)月以來的觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)主要耗時(shí)集中在粗粒度定位、掃描以及粗粒度調(diào)整中。系統(tǒng)結(jié)合GPS進(jìn)行粗粒度定位能夠以最快的速度定位到太陽大致方位，再結(jié)合PSD傳感器進(jìn)行細(xì)粒度定位便能準(zhǔn)確地追蹤太陽。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)和制作了高精度太陽追蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)在追蹤速度和精準(zhǔn)度方面做了很多優(yōu)化，采用小孔成像方式提高了精準(zhǔn)度，另外用GPS進(jìn)行粗粒度定位也加快了系統(tǒng)的追蹤速度。本系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，完全滿足2 400倍聚光的要求[8]，可廣泛應(yīng)用于太陽能相關(guān)領(lǐng)域。

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