高精度太阳能双轴跟踪器的设计研究

Design Of High Precision Solar Dnal-axis Tracker and Its ResearchSONC Xiao.bing.ZHU Hua-bing，ZHANG Xi-jie，ZHANG Juan.LIN Kun(School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract：With the development of use of solar energy，how to improve its utilization rate is brouht into focus.This paper introducesthe control system based on two-dimensional sun tracking device.The photoelectric tracking and visual tracking methods are used inthe mechanical system.The biaxial movement is applied to its height angle and azimuth angle control，in order to achieve the free-dora of motion.Through its modeling the intuitive feel is achieved and the experimental platform is provided for the development ofsolar tracking controler，to confirm the control system reliability and feasibility.Its working principle is to use the five photosensitiveresistanoes to decide controler control mode.When there is no light，the daily motion trajectory method is used for the calculation ofthe sun's altitude and azimuth and through the single-chip stepper motor rotation is controled.When there is light，the stepper motoris drived by the use of the photoelectric control and according to the signal diference of the photosensitive resistance at the four cor·ners of the east，south，west and north，SO aS to realize the comprehensive，high precision solar trackerS design。

Key words：biaxial movement；stepper motor；photoelectric triacking；visual tracing；photosensitive resistance0 前言当今人们的环保意识越来越强，光伏发电系统的应用普遍受到各国政府重视。因为它不仅能提供用之不竭的可持续再生电能，并更好地保护人类赖以生存的环境。但其发电效率较低，发电成本相对较高仍然是制约其大规模应用的重要因素。在没有出现高效的光伏电池材料之前，研制具有实用价值的阳光随动系统以降低成本 ，是促进太阳能广泛应用的主要途径之-。据研究，双轴系统可提高发电量35%左右，单轴系统也可提高20%左右。本文采用的是双轴转动的机构原理。并且通过实际的制造 ，以得到-个真实的感受。在控制方面，近年来，太阳自动跟踪系统舵采用光电式、视日运动和综合式等方式，但都没有考虑机械机构的稳定性和突发情况，本文采用的是光电跟踪和视 日跟踪相结合的方法，并且考虑了在大风时，利用风速传感器来终止跟踪器的运动，以保证太阳跟踪器的稳定。

1 太阳能跟踪控制器的机械机构太阳能跟踪控制器设计为双轴运动来控制其两个 自由度，即-个水平方向转动的自由度和竖直方向转动的自由度，由两个步进 电动机来分别驱动。也就是对太阳能跟踪器的高度角和方位角的控制，以实现太阳能电池板的姿态使其板面尽量接近于太阳光线垂直的方向，以达到最大限度接收太阳能量的目的。

图 1是太阳能跟踪器的整体外观图，其主要由检测光照强度的光敏电阻、电池板、控制控制器高度角和方位角的两步进电动机和支撑底座组成。当安装在四周的光敏电阻所接收到的光照强度不-样时，通过运算放大器和电压调整拈来控制两电动机运动来达到跟踪的目的。反之，根据中间的光敏电阻，决定是白天还是黑夜、晴天还是阴天。通过单片机的AD转换来达到控制电动机转动的目的〃模的主要用途是为了开发太阳能跟踪控制器的作者简介：宋孝炳(1986-)，男，安徽肥东人，硕士研究生，主要从事电机-体化装备设计及制造的研究。

Machine Building Automation，)un 2013，41(2)：149-151，163 ·149·· 电气与自动化 · 宋孝炳，等 ·高精度太阳能双轴跟踪器的设计研究控制系统提供实验平台，来验证系统的真实可行性和现实可行性，因此结构上的优化和美观性可能还考虑的不周。

支撑 承制方位角步电动机图 1 双轴太阳能跟踪器的机械结构整体外观图2 太阳能跟踪控制器的硬件 系统研究图 2为整个跟踪控制器的具体原理框图。通过光电检测拈的光敏电阻所采集的信号判断工作模式，然后单片机循环检测。本文采用的是光电式和视 Et运动相结合的方法，在阴天时 ，选择视日运动轨迹跟踪，通过读取时钟拈的日历时间信息计算本地太阳的高度角和方位角，进而通过单片机发出指令驱动电动机跟踪。晴天时选择光电跟踪模式，通过光电检测拈阻值的变化，所引起的电流变化来驱动电动机转动及跟踪 。

图 2 跟踪控制器的原理框图2.1 单片机控制器单片机控制器 是此设计的关键部件，它完成 A/D转换、被检测信号转换、电压输出、信号分析处理等功能。

单片机 芯 片采用 Cygnal公 司 的 C8051F017，它 与80C51的指令完全兼容，具有标准 80C52的所有部件，内部还带有4路 10位A/D转换器、32K片内Flash程序存储器、2 304B的数据存储器、2路l2位D/A转换器、22个中断源、可编程计数器阵列、支持 IIC和 SPI总线接口。

它具有低功能等待和停机方式及片内看门狗定时器(WDT)，易于实现低功耗抗干扰设计。

2.2 光电检测拈现有的太阳能自动跟踪控制器无外乎两种：1)使用- 只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器，构成光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电动机的停、转；2)使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电动机的正反转。由于-年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。这里介绍的是将 4个完全相同的光敏电阻分别置于太阳光接收器的东西南北方向，负责检测这四个方 向的光源强度。如果太阳光垂直照射在太阳能电池板板上，东西(南北)两个光敏电阻所接收到的太 阳强度相同，其阻值完全相同，此时电动机不转动。当太阳光方 向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少 ，再经过运算放大电路和信号调整芯片输出电压，从而驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。

图3是光电拈检测的俯视图，其由5只光敏电阻组成 。正中央-只，旁边四只围成-圈。

图3 光电拈检测俯视图左右 2只光敏电阻(A、B)检测太阳方位角的变化，上下两只(c、D)检测太阳高度角的变化。中间 1只用于检测环境亮度判断白天还是晚上，晴天还是阴天。电源电压经过光敏电阻和运算放大器进入单片机的ADX拈。使用该装置 ，不必担心第二天早晨它能否 自动退回。早晨太阳升起时 ，垂直遮阳板两侧的光照度不可能正好相等，这样 ，上述控制电路就会控制电动机，从而驱动接收装置向东旋转，直至太阳能接收装置对准太阳为止。

2.3 视 日运动轨迹跟踪当四周的光敏电阻的阻值没有变化时，电动机是不会转动的，中间的光敏电阻开始起主导的作用。也就是转化为视 日运动轨迹的跟踪控制。其就是根据相应的公式和参数计算出太阳的位置，然后通过单片机发出指令给步进电动机，去驱动太阳跟踪装置，以达到对太阳能控制器的实时控制。在天体学中，太阳的位置通过下列球面三角公式精确计算 J：光线与地平面的夹角为太阳高度角sina sinqbsin$cosqbcoscosto (1)太阳光线在地平面的投影与南北方向的夹角为方位角sinycos6sinto/cosa (2)式(1)，(2)中y为当地地理纬度，6为太阳赤纬角，.150. htp：fZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajouma1.net·cn《机械制造与自动化》· 电气与自动化 · 宋孝炳，等 ·高精度太阳能双轴跟踪器的设计研究为太阳时角。当地纬度y可以由天文参数得到；太阳赤纬角是太阳光线与地球赤道面的夹角，-年中，太阳赤纬每天都在变化，-年中第 n天的太阳赤纬：正午时，时角 ∞0，每小时时角为 l5。，上午为正，下： 2㈩- 15(t-12)t>12COSOJ0-tantan8 (6)ccJ。为 Et出或 日落时角 ，日出时角为正，日落时角为负。日出日落时间由式(4)计算。根据地理纬度 、太阳赤纬角及观测时间，利用上述公式就可以求出任何地区、任何季节的太阳高度角、方位角和日照时间。只要输入当地地理位置与时间信息就可以确定此时此刻的太阳位置。

2.4 步进电动机及驱动器该太阳能跟踪器选用 56BYG系列两相/四相混合式步进电动机 ]，步距角为 1.8。，要满足高精度要求 ，必须提供电动机步距角度的分辨率，因此选用 Ts-220系列高性能步进电动机细分驱动器作为控制电路。驱动器选用原装驱动拈 ，纯正弦波电流细分控制方式，具有很强的抗干扰能力 ，控制信号与内部电路实现光电隔离，并具有精度高、可靠性好、电动机噪声低等特点。

3 太阳能跟踪器的软件设计该跟踪器软件采用 C8051F017单片机 C语言编程，选用 Uvision编译器 ，主要包括主程序、光电跟踪子程序、视 日运动轨迹跟踪子程序、风速中断子程序等。

3.1 太阳光照跟踪主程序主程序初始化单片机相关功能拈，循环检测光电检测拈的信号，判断当前工作是光电跟踪还是视日运动轨迹跟踪控制方式，进而驱动步进电动机控制太阳能装置始终正对太阳 J。其主程序流程如图 4所示。

叵 图4 主程序流程图Machine Building Automatbn， 2013，41(2)：149151，1633.2 光电跟踪子程序光电检测拈探测太阳位置，由于阻值的变化，以达到对电动机上下偏置 电流的变化 ，再通过 C8051F017的ADC引脚把检测到的信息送入单片机，经过 A/D转换通过的信号差值判断太阳能装置是否正对太阳，直到调整太阳能利用装置对准太阳，再返回主程序。光电跟踪子程序流程如图5所示。

图5 光电跟踪子程序流程3.3 视日运动跟踪子程序所谓视日跟踪就是跟踪太 阳的高度角和方位角。虽然太阳的位置时刻都在变化，但其运行具有严格的规律性 ]。在地平坐标中，太阳的位置可由高度角 与方位角 来确定 ：sin sin6sin co cos cos (1)cos ：(sinasin-sint$)/cosocosgb (2)式中：6为太阳赤纬角； 为当地的纬度角；∞为时角太阳赤纬角与时角由本地时间确定，而对于确定的地点，本地的纬度角也是确定的，因此只要输入当地相关地理位置与时间信息就可确定此时刻的太阳位置，以达到对太阳的实时跟踪。视日运动轨迹跟踪子程序流程如图6所示。

f开始ll输入当时参数：经度、纬度、年、月、时、分、秒I太阳高度角计算、方位角计算Il I驱动步进电动机1转动 驱动步进电动机2转动 I(调整高度角到位： ， 、 、调整方位角到位l返回主程序图 6 视 日运动子程序流程图(下转第 163页)· 151·· 电气与自动化 · 廖恩荣 ·多代理(Multi-Agent)术在电力系统控制中的应用Restructuring and Power Technologies(DRPT2004)April 2004Hong Kong。

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收稿日期：2012-02-14(上接第 151页)3.4 风速中断子程序风速传感器响应中断子程序是有大风来时，单片机接收风速传感器的高速脉冲，达到规定的脉冲数响应中断，太阳电池板放平以保护电池板组件 ，图 7为大风响应子程序框图，太阳能电池板有两个 自由度 ，控制机构分别对 、Y两方向进行调整，当跟踪器转到尽头时，由于跟踪装置装了限位触感器 ，到限位触点时 自动切断脉冲输出，电动机停止动作，起硬件保护作用。

否4 结语图 7 大风中断子程序流程图高精度双轴自动太阳能跟踪器，在机构设计方面，通过M achine Building Automation， n 2013， 41(2)：159～163实际的操作，来验证实验方案的可靠性和真实可行性，并且结构简单，对以后的推广及普及具有重要的利用价值。其控制系统的基本原理是利用光敏电阻检测光照的强度，从而控制电动机的转动。在晴天光照强度足够的情况下，系统会根据光电跟踪拈产生的调整量调节控制器；在阴天时，处于中央的光敏电阻开始起主导作用，采用视日运动跟踪的方法，提高了跟踪精度，避免了因为环境误差所引起的干扰问题。并且在大风时，可以通过单片机的中断作用，调节控制器达到自我保护的位置，具有-定的人l生化。