季本山

(南通航運職業(yè)技術學院， 江蘇 南通 226010)

一種船用太陽跟蹤系統(tǒng)的設計

季本山

(南通航運職業(yè)技術學院， 江蘇 南通 226010)

為提高船舶上太陽能光伏板的光電轉(zhuǎn)換效率，充分利用太陽能，提出一種適用于船舶航行特點的太陽跟蹤系統(tǒng)設計方案。在總結陸用太陽跟蹤設計方案的基礎上，根據(jù)船舶航行機動性大、具有搖擺特性等特征，通過GPS、陀螺羅經(jīng)或磁羅經(jīng)提供的船位、時間、日期和航向信息，運用模糊控制算法完成太陽跟蹤系統(tǒng)的粗方位跟蹤，利用新型光電跟蹤傳感器實現(xiàn)方位角和高度角的精確跟蹤，形成一種雙軸船用太陽跟蹤系統(tǒng)。經(jīng)過實船測試，驗證了跟蹤系統(tǒng)的正確性與可行性，達到了設計目的，提高了太陽能的利用率。

船舶工程；太陽跟蹤；航向跟蹤；光電跟蹤；模糊控制；方位角；高度角

近年來，太陽能在船舶(尤其是沿海船舶、內(nèi)河船舶)上的運用日益廣泛，給船舶運輸企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。然而，由于船舶具有航向機動性大的特點，目前太陽能電池板只能水平固定在甲板上，這樣在一天中的任何時刻，太陽光線都無法垂直射向光伏電池平板組件，使得光電轉(zhuǎn)換效率較低，影響了太陽能的利用率。因此，設計一種太陽自動跟蹤系統(tǒng)，在優(yōu)化雙軸跟蹤系統(tǒng)的基礎上增加船舶航向跟蹤功能，使太陽能光伏平板能自動跟蹤太陽照射最大的方向，從而提高太陽能板接收太陽能照射的能力，獲得最大的光伏發(fā)電效率。

目前，國內(nèi)外陸上太陽伺服跟蹤系統(tǒng)按信號控制方式的不同可分為光電跟蹤系統(tǒng)、視日運動軌跡跟蹤系統(tǒng)、光電與視日運動軌跡相結合的跟蹤系統(tǒng)[1]；按機械控制方式的不同可分為單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)[2]。光電跟蹤系統(tǒng)采用光電傳感器，檢測太陽的高度和方位變化，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后控制太陽能電池板實時地跟蹤太陽，保證太陽能電池板與太陽光線垂直。視日運動軌跡跟蹤系統(tǒng)以太陽視日運動規(guī)律數(shù)據(jù)為基礎，由于太陽日運動變化引起的太陽高度和方位不僅與時間有關，而且與地理位置有關，因此控制器數(shù)據(jù)處理量大，計算復雜。

船舶具有航向機動性大的特點，在船舶上直接使用陸上太陽伺服跟蹤系統(tǒng)是不合適的?；诖?，在綜合考慮各種伺服跟蹤系統(tǒng)特征后，設計一種新型光電位置傳感器，在方位跟蹤上以航向跟蹤為初步調(diào)節(jié)，以光電跟蹤為精細調(diào)節(jié)；在太陽高度上采用光電跟蹤調(diào)節(jié)機構，使太陽能電池板保持與太陽光線垂直或基本垂直，從而構成適應船舶航行特點的雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)。

1 太陽跟蹤系統(tǒng)結構設計

1.1光電跟蹤傳感器結構

船舶上安裝的太陽跟蹤系統(tǒng)在進行太陽方位和船舶航向跟蹤中，船舶航向跟蹤起主導作用，且航向調(diào)整的頻次更多。根據(jù)這一實際情況，設計太陽方位傳感器陣列時主要考慮的因素是降低成本、提高跟蹤的可靠性和穩(wěn)定性。本設計方案中，所設計的跟蹤傳感器結構見圖1，其中圖1(a)為平面圖。V1～V5為光敏電阻，其中：V1和V3為高度檢測元件，當太陽高度變化時，受遮光體影響，其電阻阻值產(chǎn)生差異；V2和V4為方位檢測元件，當太陽方位變化時，由于遮光體遮擋，其電阻阻值產(chǎn)生差異；V5為光照強度檢測元件，用于檢測陰天或夜晚的光照度。在此光電跟蹤傳感器中，因為船舶航行中會有一定搖擺，遮光體采用了正方體，試驗證明正方體遮光效果比圓柱體更好。檢測針垂直安裝在傳感器底板上，長度為10 cm，用來檢驗跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定后的跟蹤效果，如果跟蹤性能良好，檢測針在底板上應沒有或只有很短小的太陽影，即太陽能光電平板與太陽光線垂直或幾乎垂直。

(a)(b)

圖1 光電跟蹤傳感器結構圖

1.2雙軸機械跟蹤結構

由于太陽日視運動是由高度和方位決定的，因此必須在高度和方位2個自由度上對跟蹤太陽的伺服機構進行調(diào)整。不過，由于跟蹤伺服機構安裝在甲板上，船舶航行時方位跟蹤更為復雜。本設計方案中采用的雙軸跟蹤器是在HYGD-20雙軸跟蹤器[3]的基礎上改造的，高度和方位機構旋轉(zhuǎn)均由減速器和電機驅(qū)動，高度角由安裝在支柱上端的俯仰軸旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，電池板的法線相對于水平面可進行0°～90°調(diào)節(jié)；方位角由安裝在機構底盤上的方位軸旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，電池板的法線相對垂直面有0°～180°的調(diào)整范圍。2個自由方向均設有極限位置限位開關，防止在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時損壞機械或燒壞電動。

雙軸跟蹤器支柱固定在陸地上，由地球作參考點，保證電池板的方位大方向是向南的(北半球)，其余通過方位軸旋轉(zhuǎn)來跟蹤太陽。雙軸跟蹤器裝船后，方位上失去了參考點，電池板的方位大方向無法確定，為獲得參考點，在方位軸上增加了絕對光電旋轉(zhuǎn)編碼器，其與方位軸的轉(zhuǎn)速比為1∶1。由于絕對式光電旋轉(zhuǎn)編碼器是將碼盤角度直接進行數(shù)字化編碼的，且具有零點位置固定、圓形碼盤的旋轉(zhuǎn)角度與輸出編碼一一對應等特點，將其作為雙軸跟蹤器方位檢測傳感器具有合理性和科學性。絕對式編碼器的分辨率即為分辨角α，取決于碼盤上的碼道數(shù)n，兩者之間的關系為：α=360°/2n[4]。在此選擇單圈編碼器碼道數(shù)為10，并行輸出有10位，最大測量范圍為1 024，分辨角為0.35°， 編碼器數(shù)據(jù)輸出格式為格雷碼。在安裝時，將絕對式編碼器零位調(diào)到與電池板平面垂直，即零位指向北時電池板應該對著南。另外，將方位軸的旋轉(zhuǎn)調(diào)整范圍改造為0°～360°，實現(xiàn)全回轉(zhuǎn)，以適應船舶航行特點。

2 太陽跟蹤控制系統(tǒng)硬件設計

2.1光電跟蹤傳感器信號處理電路

光電跟蹤傳感器上的5個光敏電阻(V1～V5)分別承擔高度、方位和光照度信號檢測的任務。信號的處理由運算放大器LM358構成的電壓比較器完成，圖2為高度角信號處理電路，可看出，當太陽升高時，由于遮光體遮擋，V1接收的光照強度小于V3，這時運放LM358的U1A中的2號腳獲得的參考電壓高于3號腳的輸入電壓，U1A中的1號腳輸出OUT1為低電平；而在U1B中，因6號腳的輸入電壓高于5號腳上的參考電壓，7號腳輸出OUT2為高電平。OUT1為低、OUT2為高，兩信號驅(qū)動跟蹤器俯仰軸旋轉(zhuǎn)，使電池板向上翻轉(zhuǎn)，直到V1和V3光照度相同為止。方位角信號的處理電路與高度角信號相同(這里從略)。圖3為光照強度信號處理電路，陰天時因V5光照度不足，運放U3的2號腳電位高于3號腳，比較器U3A的輸出為低電平，而U3B的輸出為高電平。這時控制系統(tǒng)將跟蹤器俯仰軸旋轉(zhuǎn)，使電池板至水平，跟蹤系統(tǒng)停止工作。

圖2 高度角信號處理電路

圖3 光照強度信號處理電路

2.2電動機伺服電路

海寶是2010年上海世博會的吉祥物，以漢字“人”字為核心創(chuàng)意，體現(xiàn)出中國文化的特色。海寶的造型是漢字“人”和現(xiàn)代卡通形象的結合體。他有海浪般的頭發(fā)、卡通化的表情、又大又圓的眼睛、圓潤的身體，高高豎起的大拇指和站穩(wěn)地面的大腳，全身是象征生命的海藍色，充滿想象力，這個形象可愛、個性、活潑，是中國對世界人民的盛情邀請，也象征了逐步發(fā)展和潛力無限的中國?！叭恕笔侵袊娜?，也是世界的人。文字把人類社會的原始階段和文明階段區(qū)分開來，文字可以記錄語言、交流信息、積累知識，從而形成文化。漢字是中國幾千年來特有的文字文化，它與卡通形象的結合加快了中國文化的傳播。

本設計方案的跟蹤器驅(qū)動電機采用永磁直流電動機，由蓄電池供電，驅(qū)動芯片采用H橋MC33186[5]驅(qū)動芯片。MC33186的主要技術參數(shù)有：工作電源電壓為5～28 V、連續(xù)輸出電流5 A，最大輸出電流6.5 A，輸出電流gt;8 A時短路保護動作等。該芯片最常用的使用方式是將COD和DI1接地，DI2接高電平時，利用IN1和IN2的電平控制使OUT1和OUT2輸出不同極性的電壓，從而使永磁直流電動機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。圖4為MC33186的典型應用，IN1輸入高電平、IN2輸入低電平時，OUT1通過晶體管接到電源正極，OUT2通過晶體管接到電源負極，電動機正向運轉(zhuǎn)；相反，N1輸入低電平、IN2輸入高電平時，OUT1通過晶體管接到電源負極，OUT2通過晶體管接到電源正極，電動機反向運轉(zhuǎn)。

圖4 MC33186芯片典型應用電路

2.3系統(tǒng)控制主電路

太陽跟蹤控制系統(tǒng)以單片機為核心，整體框圖見圖5，主電路見圖6。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)輸出數(shù)據(jù)根據(jù)NMEA0183協(xié)議，通過RS485接口(主電路中J02)為跟蹤控制系統(tǒng)提供時間、日期和經(jīng)緯度信息；陀螺羅經(jīng)(或磁羅經(jīng)傳感器)輸出數(shù)據(jù)根據(jù)NMEA0183協(xié)議，通過另一個RS485接口(主電路J03)為系統(tǒng)提供船舶航向信號；2個MX485接口芯片分別由P2口的P2.4和P2.5置高電位實現(xiàn)GPS和陀螺羅經(jīng)數(shù)據(jù)信號的分時接收；太陽能電池板相對船首的位置信號由十位光電旋轉(zhuǎn)編碼器通過主電路J04提供；方位角、高度角、光強度、風速信號經(jīng)過主電路中的J01從P0口提供相關信號。風速信號經(jīng)過J06送P3口的P3.4和P3.5。所有輸入信號經(jīng)過單片機處理后，由P2口的P2.0～P2.3經(jīng)J05控制H橋MC33186驅(qū)動模塊，從而控制方位角電機和高度角電機驅(qū)動方位軸、俯仰軸的轉(zhuǎn)動。

圖5 跟蹤控制系統(tǒng)框圖

3 太陽跟蹤系統(tǒng)控制軟件設計

根據(jù)船舶航行狀態(tài)的特征，要使太陽跟蹤系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，必須解決方位角跟蹤問題。分析太陽日運動規(guī)律可知，太陽方位在視時上午10時前和下午14時后一般每小時在15°以下變化，而在視時上午10時后和下午14時變化較快，一般每小時有30°甚至40°的變化；太陽的方位和相對航向的變化總是連續(xù)、緩慢、有規(guī)律的。在設計程序時，方位角跟蹤以航向為初步跟蹤，以光電跟蹤為精確跟蹤。雙軸跟蹤機構底座固定到船舶甲板上之后，太陽能電池板平面與光電旋轉(zhuǎn)編碼器零線垂直，而光電旋轉(zhuǎn)編碼器零線平行船舶首尾線并指向船首，這樣太陽能電池板平面和船首(即航向)就建立了方位上的關聯(lián)。通過船舶航向旋轉(zhuǎn)方位電機可以使光電旋轉(zhuǎn)編碼器零線指向真北，這時太陽能電池板平面指向南，在地球的北半球能保證太陽光線直射的基本方向。但是，利用光電跟蹤傳感器對太陽方位進行跟蹤的動態(tài)范圍小，以北半球為例，如果總以光電旋轉(zhuǎn)編碼器零線指北為基準確定電池板的一個基本方向，那么，每次船舶改向后，光電跟蹤的調(diào)整方位范圍會很大，這樣光電跟蹤的效率就會降低，跟蹤穩(wěn)定性就會變差。為找出船舶改向后光電旋轉(zhuǎn)編碼器零線指向基準，在指北(北半球時)的基礎上，利用模糊控制算法，根據(jù)時間、日期計算出當時太陽方位的修正量，確定一個新的光電旋轉(zhuǎn)編碼器零線指向基準，確保船舶改向后光電跟蹤方位角調(diào)節(jié)范圍很小或為零，提高跟蹤效率和可靠性。

圖6 跟蹤控制系統(tǒng)主電路

在同一地理位置，太陽方位的變化不僅與時間有關，而且與日期有關，分析太陽方位年變化規(guī)律和時變化規(guī)律，建立模糊控制規(guī)則。將太陽年方位變化率CE作為模糊集合的論域，并取為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，模糊子集為[NL，NM，NS，Z0，PS，PN，PL]；將太陽時方位變化量E作為誤差輸入量，設E和CE的隸屬度函數(shù)為三角形狀(見圖7)，建立二維模糊控制器。根據(jù)太陽方位變化制定模糊控制規(guī)則(見表1)，并計算得到模糊控制查詢表；單片機程序通過查表的方式完成模糊控制算法，得到太陽方位的修正量Ae。

圖7 隸屬函數(shù)曲線圖

跟蹤系統(tǒng)從陀螺羅經(jīng)串行數(shù)據(jù)輸出接口或磁羅經(jīng)傳感器的信號序列的$-HDT[7]語句中提取出船舶的真航向，方位角跟蹤電機以與真航向相反的方向旋轉(zhuǎn)，使光電編碼器的零線轉(zhuǎn)至航向值上，即-TC(北半球時)。這樣，船舶航向改變后，太陽跟蹤系統(tǒng)將光電旋轉(zhuǎn)編碼器的零線調(diào)整為A=-TC+At+Aλ+Ae，此時電池板平面應與太陽光線垂直或基本垂直，船舶航向穩(wěn)定后再通過光電傳感器進行方位角精確跟蹤。

表1 模糊控制規(guī)則

船舶在夜間航行時，航行燈或探照燈的干擾會使跟蹤系統(tǒng)誤動作，通過從GPS輸出序列信號的GPRMC語句中獲取UTC時間信號，并將其轉(zhuǎn)換為區(qū)時(或船時)來確定跟蹤系統(tǒng)的工作時間段，保證系統(tǒng)只在白天起動，在夜晚、光照強度傳感器檢測為陰天或檢測到風力gt;12 m/s時停止工作，使太陽能電池板旋轉(zhuǎn)呈水平態(tài)。

單片機通過J04接口讀取光電旋轉(zhuǎn)編碼器的十位太陽能電池板位置信號，再用公式計算的方法把格雷碼轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，確定太陽能電池板相對船首角度。其算法是將二進制數(shù)Ci與格雷碼Ri之間的關系表示為：Cn=Rn；Cn-1=Rn⊕Rn-1；Cn-2=Rn⊕Rn-1⊕Rn-2；…；C1=Rn⊕Rn-1⊕Rn-2⊕…⊕R1；C0=Rn⊕Rn-1⊕Rn-2⊕… ⊕R1⊕R0。

太陽跟蹤系統(tǒng)控制程序流程圖見圖8。

圖8 太陽跟蹤控制程序流程圖

4 實測數(shù)據(jù)與驗證

將太陽跟蹤系統(tǒng)安裝在實船上進行試驗，注意光電旋轉(zhuǎn)編碼器的零線位置與船首線的相對位置。經(jīng)過實測，在陰天、夜晚和大風狀態(tài)下都能使電池板置于水平。船舶航向機動時，跟蹤系統(tǒng)的方位角調(diào)整響應時間lt;3 s；由于采用了模糊控制算法，船舶改向后光電傳感器的方位角控制量很小，保證了光電跟蹤的方位控制精度，方位跟蹤精度達到了1°。由于船舶橫搖周期短，船舶橫搖時高度角跟蹤有振蕩現(xiàn)象，在高度角信號處理中增加了延時控制，克服了高度角跟蹤的振蕩，高度精度也達到了1°。用檢測桿檢查，跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定后檢測桿的影子長度≤0.2 cm。太陽光線幾乎垂直照射到太陽能光伏板上，船用太陽跟蹤系統(tǒng)達到了設計的要求。

5 結 語

設計太陽跟蹤系統(tǒng)時，首次提出適用于船舶航行狀態(tài)的太陽能跟蹤控制關鍵技術，最大限度地提高了太陽能的利用率。該系統(tǒng)具有結構簡單、控制可靠、跟蹤精度高、維護方便的特點。

[1] 陸仲達，田群宏，張金龍.一種太陽方位跟蹤器控制系統(tǒng)的設計[J]. 魯東大學學報：自然科學版， 2012(28)： 18-22.

[2] 舒志兵，湯世松，趙李霞. 高精度雙軸伺服太陽能跟蹤系統(tǒng)的設計應用[J]. 伺服控制， 2010(4)：31-33.

[3] HYGD-20雙軸自動跟蹤器聚光太陽能發(fā)電站說明書[K].山東華藝陽光太陽能產(chǎn)業(yè)的有限公司,2008.

[4] 孟揚, 張偉, 程君業(yè). 編碼器基礎及應用[J]. 國內(nèi)外機電一體化技術, 2007(1): 36-38.

[5] Motorola Inc.MC33186 Automotive H-Bridge Driver[EB/OL].[2010-04-05].

[6] 趙志禮，孟慶輝，張松濤，等.基于單片機的GPS定位信息處理[J]. 電子測試，2009(10)：45-48.

[7] 黃凌.船舶偏航報警及航向記錄儀的設計及實現(xiàn)[D]. 南京：南京理工大學，2007.

DesignofSun-TrackingSystemforShips

JIBenshan

(Nantong Shipping College, Nantong 226010, China)

A sun-tracking system is proposed to make full use of solar energy so as to improve the photoelectric conversion efficiency of solar photovoltaic panels onboard ships. The design is different from land sun-tracking designs because it must deal with maneuvering and swaying of ships. A twin screw ship sun-tracking system is designed working in coarse-fine mode. The coarse tracking of sun azimuth is performed by fuzzy control algorithm according to date, time, the position from GPS, and the heading from the gyro or magnetic compass, and the fine tracking of the sun giving azimuth and elevation angle is achieved by a new type of photoelectric tracking sensor. The design is verified through ship trial, which shows noticeable improvement of solar energy utilization.

ship engineering; untracking; course tracking; photoelectric tracking; fuzzy control; azimuth; elevation angle

2014-08-29

季本山(1961—)，男，江蘇如東人，教授，碩士生導師，從事船港電及其自動化教學與研究。E-mail:jbs@ntsc.edu.cn

1000-4653(2014)04-0100-05

TM615

A