文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.016
中文引用格式： 黃杭昌，俞磊，唐曉晟，等. 高精度太陽追蹤系統研究與實現[J].電子技術應用，2016，42(8)：70-73.
英文引用格式： Huang Hangchang，Yu Lei，Tang Xiaosheng，et al. Research and implement of a high-precision solar tracking system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：70-73.
0 引言
太陽能是取之不盡、用之不竭的綠色能源，近年來在發電、照明等行業已被廣泛應用，尤其在電力、煙草、文教等領域。其中，太陽追蹤系統是太陽能應用中的重要組件。但傳統的追蹤系統一般適用于1 000倍以下的聚光系統，而在自然光導入照明的新興領域，往往需要2 000倍以上的聚光倍數，現在的追蹤系統在精度等方面難以滿足要求。因此，實現高精度的太陽自動追蹤顯得尤其重要。
當前關于太陽自動追蹤主要有兩種方法：一是基于太陽的運動軌跡追蹤，二是基于光學傳感器的追蹤。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傳感器相結合，利用加速度傳感器和雙軸步進電機實時調整追蹤姿態[1]，實現了對太陽的高精度自動追蹤。
1 系統設計
1.1 光學要求及設計
本文選取太陽光光纖照明應用設計追蹤系統。該類系統的聚光比達到2 000倍以上，遠遠高于其他聚光應用的倍數（比如太陽光聚光發電的500~1 000倍），對于精度的要求要遠遠高于傳統的系統要求。
因此，首先需要根據實際應用的光學系統計算出追蹤系統所需要達到的精度要求。圖1是光學系統的光學結構圖。假設太陽光是平行光，經過菲涅爾透鏡后聚焦到光纖表面，其聚焦倍數達到2 400倍。圖2表示了當入射角度偏離菲涅爾透鏡的光學主軸后，光纖所采集的能量損失情況。由圖可見，當偏離角度達到0.05°時，能量損失約為10%，達到0.1°時，能量損失將達到約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，綜合取優后選取±0.05°作為本系統的設計精度。考慮到太陽平均每240 s將產生大約1°的角度偏轉，所以將追蹤頻率設定在12 s。
圖1 光學系統的光學結構圖
圖2 光纖對準效率隨菲涅爾透鏡入射偏角變化曲線
1.2 PSD傳感器設計
1.2.1 PSD傳感器
本系統用的二維PSD位置傳感器具有很高的精度和靈敏度，分辨率達到1
，即1
的光照點位移即可感知。系統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°。本系統選取0.05°作為更新誤差閾值，其對應的位移約為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]。其結構示意圖如圖3所示。
圖3 PSD傳感器結構示意圖
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)接運放的反向輸入端，并通過運放轉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 控制電路設計
本控制電路總體結構如圖5所示。主控芯片采用TI公司的DSP芯片，其通過串口接收GPS模塊傳來的數據，通過AD口讀取PSD傳感器檢測到的太陽光信號，對這些數據信號進行處理和分析后控制步進電機的轉動，并用加速度傳感器不斷調整轉向和姿態，同時將當前轉向和姿態的數據定時寫入E2PROM[3]。
圖5 控制電路總體結構圖
2 控制及算法
2.1 控制程序組成
系統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配置信息后由一個大的循環語句組成，該循環主要讀取并解析當前GPS信號、讀取加速度傳感器信號、寫入數據到E2PROM以及系統狀態的邏輯控制。中斷程序主要用于讀取PSD數據、系統狀態標志位的變換以及電機驅動控制。若干子程序包括各類傳感器模塊的驅動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校驗等[4]。
2.2 系統控制流程
系統的控制流程圖如圖6所示。左右兩側各為系統的兩個狀態流程[5]。
圖6 系統控制流程圖
系統啟動并初始化配置，從E2PROM中讀取當前水平角度信息以及PSD傳感器基準值信息；接下來讀取GPS信號并解析，通過天文算法算出當前太陽的高度角以及相對南方的偏角；之后開始驅動垂直步進電機定位好高度角，驅動水平步進電機定位好水平角，直到追蹤到預期位置完成粗粒度定位。
系統在定位追蹤的過程中會不斷地讀取PSD傳感器的數值，若某一次讀到的數值處于精調范圍，則系統立即進入精粒度追蹤模式[6]，執行精粒度調整子程序。
若左右掃描過程中沒有進入精粒度調整范圍，則系統開始進入粗粒度追蹤模式，該模式主要由GPS算出太陽當前高度角和方位角，然后系統執行粗粒度定位。大約每四分鐘會定位一次，直到進入精調范圍則執行精粒度追蹤。若粗粒度追蹤時間大于預設閾值，則程序回到左右掃描的過程繼續執行。
在主程序不斷循環過程中，系統也是間隔地讀取GPS信號，若檢測到當前時間處于系統下班時間，則系統會立即執行下班復位程序。系統下班后，進入低功耗運行模式，并定期讀取當前時間信息[7]。若檢測到當前處于上班時間，系統會從低功耗模式恢復并從主程序開始處繼續執行。
3 結果及討論
本文實現了一套太陽追蹤系統，并對其運行情況以及采集出來的數據進行觀察和分析。
3.1 精粒度追蹤效果
系統的PSD傳感器采用了小孔成像的方式來感應太陽，所以其感應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間變化的情況，如圖7所示。選取精粒度追蹤下一段時間內輸出的光通量平均值作為100%的基準值，其他數值與該值的比值作為縱坐標讀數。可以看出精粒度追蹤下輸出的光功率波動幅度始終保持在1.0%以內，輸出非常穩定。
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
系統前期通過GPS數據進行太陽軌跡的粗粒度追蹤誤差相對是比較大的。本文通過實驗記錄了系統完全在粗粒度追蹤下的室內光強數據，并與精粒度追蹤下室內光強數據進行對比，如圖8所示。可以看出，一天之內，粗粒度追蹤的光照讀數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 粗粒度追蹤室內光強數據對比圖
3.3 綜合運行效果
通過對系統運行六個月以來的觀察發現，系統主要耗時集中在粗粒度定位、掃描以及粗粒度調整中。系統結合GPS進行粗粒度定位能夠以最快的速度定位到太陽大致方位，再結合PSD傳感器進行細粒度定位便能準確地追蹤太陽。
4 結論
本文設計和制作了高精度太陽追蹤系統。系統在追蹤速度和精準度方面做了很多優化，采用小孔成像方式提高了精準度，另外用GPS進行粗粒度定位也加快了系統的追蹤速度。本系統經實驗測定，完全滿足2 400倍聚光的要求[8]，可廣泛應用于太陽能相關領域。
參考文獻
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