曹健寧，王 菲

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022)

在科技與經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，能源已經(jīng)成為至關(guān)重要的條件之一。然而，地球上很多不可再生資源已經(jīng)消耗殆盡，所以發(fā)現(xiàn)和利用新能源已經(jīng)成為了人們關(guān)注的重要問題。近些年，太陽能的發(fā)展越來越受到人們的關(guān)注，其清潔環(huán)保、取之不盡用之不竭等諸多優(yōu)點(diǎn)倍受人們的青睞［1］。

早在90年代初期，德國和美國等一些發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)研制出簡單的太陽能跟蹤系統(tǒng)，并且推出了太陽能廚房。不過那時(shí)的太陽能跟蹤裝置只是東西方向的單軸運(yùn)轉(zhuǎn)，南北方向只能通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，極為不便并且精度不夠，對(duì)太陽光的利用率也不高［2］。但是在2006年，Accion公司建立了西班牙最大的太陽能電站，整個(gè)裝置包含了400個(gè)太陽能跟蹤托盤，14400個(gè)太陽能電池板，能夠根據(jù)太陽的不同位置全天跟蹤太陽光，到目前為止達(dá)到了世界的先進(jìn)水平［3］。在我國，早在1992年也已經(jīng)推出了太陽灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。近些年，太陽光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國各個(gè)領(lǐng)域，國家氣象局研制的FST全自動(dòng)太陽光跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽輻射的觀測。太陽能熱水器，太陽能電池板已經(jīng)成功的進(jìn)入了個(gè)人家，為人們儲(chǔ)存熱量或者發(fā)電［4］。因此，我國的太陽能技術(shù)也已經(jīng)站在了世界的先進(jìn)水平行列。

不過，對(duì)于太陽能的利用還存在著很多不妥的地方，跟蹤精度不高，跟蹤條件受天氣的影響等很多因素降低了太陽能的利用率。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、利用率較高、長期穩(wěn)定的太陽光實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)多種天氣下的太陽光進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤，可保證較大的光電轉(zhuǎn)換率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案

太陽光跟蹤系統(tǒng)主要是由光電轉(zhuǎn)化模式和太陽光運(yùn)行軌道跟蹤模式兩種跟蹤系統(tǒng)組成，可加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高太陽光利用率。晴天時(shí)，先啟動(dòng)太陽光軌道跟蹤，使裝置大致對(duì)準(zhǔn)太陽光的方向，達(dá)到探測器的跟蹤范圍。再啟動(dòng)光電跟蹤，對(duì)太陽光進(jìn)行精確定位。陰天時(shí)，系統(tǒng)啟用太陽光軌道跟蹤模式繼續(xù)跟蹤，當(dāng)天氣陰轉(zhuǎn)晴時(shí)，系統(tǒng)又再次轉(zhuǎn)入光電跟蹤。

該系統(tǒng)的光電跟蹤系統(tǒng)主要是用四象限探測器做為接收裝置，以C8051F040單片機(jī)作為核心，將接收到的太陽光光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后，進(jìn)行放大、濾波，輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，由單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的跟蹤運(yùn)轉(zhuǎn)。圖1是該系統(tǒng)的基本原理框圖。

圖1 系統(tǒng)基本原理圖

太陽運(yùn)行軌道跟蹤模式根據(jù)太陽運(yùn)行軌跡來跟蹤太陽光，太陽軌跡位置由被測地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來確定。在經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)后，如果采用太陽光軌道跟蹤有4種參數(shù)是最為重要的。分別是太陽赤緯角δ，太陽時(shí)角ψ，太陽高度角H和太陽方位角T。

在設(shè)定跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后，前兩種參數(shù)有固定的公式可以很容易的計(jì)算出具體數(shù)值，后兩種參數(shù)太陽的高度角和方位角是由控制系統(tǒng)按照太陽的地平坐標(biāo)公式自動(dòng)運(yùn)算，然后太陽每分鐘角度變化的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹瑱C(jī)中，由單片機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)太陽光進(jìn)行高度和方位雙軸的跟蹤。天黑后，系統(tǒng)自動(dòng)停止跟蹤。

2 探測器的選擇

光電跟蹤模式中，傳感器的選擇極為重要，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤精度和準(zhǔn)確性。我們選用GT111型四象限光電探測器，其本身為N型設(shè)計(jì)，密封陶瓷封裝，擁有六只管腳，一只接地，一只接偏壓，另外四只管腳分別接四象限探測器的四個(gè)光敏二極管。它具有光敏面積大、響應(yīng)速度快、可靠性高、精確度較高等優(yōu)點(diǎn)，十分適用于本系統(tǒng)［5］。

2.1 四象限探測器的工作原理

四象限探測器是由四個(gè)性能完全相同的光敏電阻按照直角坐標(biāo)的要求排列成四個(gè)象限坐落在一個(gè)芯片上，當(dāng)太陽光照射其表面時(shí)，每個(gè)象限所受到的光照面積的大小與每個(gè)象限中光敏電阻所輸出的電流的大小是成正比的，當(dāng)四個(gè)象限光照強(qiáng)度相同時(shí)，四個(gè)光敏電阻所輸出的電流信號(hào)是相同的。當(dāng)四個(gè)象限的光照強(qiáng)度不同時(shí)，四個(gè)象限的光敏電阻所輸出的電信號(hào)就會(huì)有明顯的差異［6］。由此可以推斷出目標(biāo)方位并進(jìn)行跟蹤。

2.2 光斑半徑取值范圍的研究

光斑的大小和四象限探測器有效面積的大小直接影響探測器輸出電流變化，并形成有效測量范圍，如果光斑的取值不當(dāng)，探測器不能有效的利用太陽光，那么會(huì)直接影響系統(tǒng)對(duì)太陽光跟蹤的精度和準(zhǔn)確性［7］。下面對(duì)光斑的取值范圍做一下討論。

圖2 光斑直徑與四象限探測器的半徑相同

如圖2所示［8］，當(dāng)光斑處于l時(shí)，探測器沒有電流輸出。當(dāng)光斑向右移動(dòng)時(shí)，探測器電流輸出漸漸增大。當(dāng)光斑移動(dòng)到2時(shí)，此時(shí)的電流輸出最大。當(dāng)光斑過了2處繼續(xù)向右移動(dòng)，那么二、三象限的照射面積就開始減少，電流輸出也同時(shí)開始減少，一、四象限內(nèi)負(fù)值電流開始增加，當(dāng)光斑移動(dòng)到3處時(shí)，光斑照射在四個(gè)象限的面積相等，探測器這時(shí)輸出為零，誤差值為零。如果再向右移動(dòng)，一、四象限的照射面積就會(huì)大于二、三象限的照射面積，電流輸出值為負(fù)值。直到光斑移動(dòng)到4處，一個(gè)完整的光斑就照射在一、四象限，探測器的電流輸出達(dá)到負(fù)的最大值。當(dāng)光斑繼續(xù)向遠(yuǎn)端移動(dòng)，探測器的輸出電流逐漸變小，移至5處探測器輸出為零。

圖3、圖4［8］分別是光斑直徑小于和大于四象限探測器半徑的示意圖，不難看出這兩種情況在2-3，5-6范圍內(nèi)都有一段直線，都沒有充分的利用太陽光，所以跟蹤的靈敏度都被很大程度上的降低了。

綜上所述，當(dāng)光斑直徑等于探測器的半徑時(shí)時(shí)，即充分利用了光照能量，又獲得較大的有效測量輸出電流變化的范圍，所以是最佳的選擇。

圖3 光斑直徑小于四象限探測器的半徑

圖4 光斑直徑大于四象限探測器的半徑

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件電路主要是由放大電路、濾波電路、單片機(jī)C8051F040、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)、LED顯示、按鍵、時(shí)鐘等所組成。首先設(shè)計(jì)出硬件電路的原理框圖。如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框圖

在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，選取的單片機(jī)是C8051F040，其本身具有可靠性高、運(yùn)算速度快、擴(kuò)展功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足于本系統(tǒng)的要求。我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)接收裝置，將接收到的太陽光形成一個(gè)直徑與四象限探測器半徑相等的圓形光斑，原因前面已經(jīng)進(jìn)行了分析，這里不再重復(fù)。當(dāng)太陽光照到探測器上時(shí)，探測器會(huì)輸出四路微弱的光電流，要用放大器將信號(hào)放大。

由于在探測器輸出的信號(hào)中存在著電壓的紋波、光響應(yīng)度、感光面積、暗電流和結(jié)電容等參數(shù)，這會(huì)直接影響到單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，導(dǎo)致單片機(jī)不能輸出精確的信號(hào)。所以，在將信號(hào)放大后我們需要一個(gè)低通濾波器，在信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之前，處理掉電壓的紋波，保證電路的正確運(yùn)行。

信號(hào)進(jìn)入C8051F040單片機(jī)。經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，給出太陽的方位角和高度角的電壓偏差信號(hào)(也就是太陽光斑偏離中心的距離)，通過單片機(jī)控制步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使兩個(gè)角度的電壓偏差值趨于零，這樣就會(huì)達(dá)到太陽光實(shí)時(shí)跟蹤的目的。存貯芯片我們選用的是AT24C32，它可以保存每一時(shí)刻探測器輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)。如果發(fā)生突然斷電這種意外，該芯片仍然可以保存斷電前一刻的太陽方位角和太陽高度角的數(shù)值，以便再次正常工作時(shí)可以用來作比較，計(jì)算兩次的角度差值，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，能夠精確的跟蹤太陽光。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示為系統(tǒng)的軟件流程圖。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

接通電源之后，系統(tǒng)會(huì)判定是否在正常的工作時(shí)間段內(nèi)，如果是夜晚則該系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)束。如果是白天，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行初始化，這里包括看門狗電路。系統(tǒng)先進(jìn)行太陽光軌道跟蹤，單片機(jī)自動(dòng)計(jì)算太陽的高度角、方位角，對(duì)太陽進(jìn)行粗定位，使其達(dá)到光電跟蹤的范圍。隨后系統(tǒng)進(jìn)行光電跟蹤模式，將接收到的微弱光電流進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換、放大、濾波，輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，給出控制信號(hào)來控制步進(jìn)機(jī)對(duì)太陽的方位和高度進(jìn)行精確的跟蹤。

5 結(jié)語

本文提出了一種太陽光實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光電跟蹤和太陽光軌道跟蹤兩種跟蹤模式。光電跟蹤部分以單片機(jī)C8051F040為控制核心，通過四象限光電探測器對(duì)太陽光進(jìn)行接收裝換，由處理電路進(jìn)行放大、濾波，最后由單片機(jī)輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。太陽光軌道跟蹤則是由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算太陽的高度角、方位角等相關(guān)參數(shù)，對(duì)太陽進(jìn)行定位，由控制系統(tǒng)根據(jù)太陽每一時(shí)刻的角度變化來發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)太陽光跟蹤。兩種跟蹤模式相互補(bǔ)充，不需要過多的控制，運(yùn)行穩(wěn)定，跟蹤精度高。可廣泛應(yīng)用于地下建筑、無窗建筑、礦業(yè)和勘探等場合，為提高太陽光利用率提供了重要的依據(jù)。

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