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無傳感器太陽跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

2019-12-20 05:47:24史小勇計成超
綏化學(xué)院學(xué)報 2019年12期
關(guān)鍵詞:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)天文臺方位角

史小勇 計成超

(滁州學(xué)院計算機(jī)與信息工程學(xué)院 安徽滁州 239000)

當(dāng)前新能源產(chǎn)業(yè)作為“一帶一路”建設(shè)的重點(diǎn)行業(yè)之一,面臨巨大商機(jī)。太陽能作為應(yīng)用最廣的清潔可再生能源之一,正逐步邁向中國能源轉(zhuǎn)型的改革大潮中,并成為世界新能源發(fā)展的趨勢[1]。

在太陽能高效利用技術(shù)中,光電式太陽跟蹤需要外加光傳感器獲取太陽位置,采購現(xiàn)成的光傳感器會增加系統(tǒng)硬件成本[2]。也有采用低成本的光敏電阻來檢測太陽光強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn),根據(jù)多個光敏電阻檢測最強(qiáng)光強(qiáng)的差值作為驅(qū)動信號進(jìn)行太陽跟蹤的研究[3][4]。兩種方式在使用中都容易受灰塵或者其他周圍環(huán)境的干擾而產(chǎn)生誤動作而影響其跟蹤精度[5]。

本文基于STC90C516RD+單片機(jī)提出一種簡易無傳感器的太陽跟蹤系統(tǒng),并設(shè)計了太陽位置跟蹤算法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,跟蹤精度高,為太陽能的高效利用提供了可靠借鑒。

一、視日運(yùn)動軌跡及太陽位置算法

天文學(xué)上常用地平坐標(biāo)系確定太陽在空中的具體位置坐標(biāo)。地平坐標(biāo)系以地平面為基準(zhǔn),用高度角Hs(0°<Hs<90°)和方位角Az(0°<Az<360°)描述太陽位置[6]。如圖1所示,其中高度角Hs為太陽直射光線與地平面的夾角,方位角Az為太陽直射光線在地平面上的投影線與正北方的夾角,向東為正。

圖1 地平坐標(biāo)系圖

根據(jù)觀測地的時間、經(jīng)度和緯度等信息,可以計算出任意時間點(diǎn)和地理位置的太陽位置(即高度角和方位角)[7][8],具體計算如下

太陽的高度角計算公式為:

太陽方位角計算公式為:

式中θ為太陽高度角;φ為太陽高度角;α為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?;δ為?dāng)?shù)氐奶柍嗑暎籺為太陽時角。

太陽赤緯的擬合計算公式[9]為:

N為給定日期在一年中的天數(shù),如1月1日為第1天。

N0為積日,計算公式為

floor(x)為C語言中的函數(shù),其功能是“向下取整”,即取不大于x的最大整數(shù)。

T為年份。

二、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置以STC90C516RD+為主控制器,首次使用時需手動設(shè)置時間與經(jīng)緯度信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)進(jìn)行一次跟蹤的過程為:首先根據(jù)內(nèi)置太陽位置算法,按照當(dāng)前時間以及設(shè)置經(jīng)緯度計算出太陽位置(高度角和方位角),然后將得到的太陽位置的兩個參量作為步進(jìn)電機(jī)控制參數(shù)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖

三、軟件設(shè)計

圖4 程序流程圖

系統(tǒng)開機(jī)上電,首先對各個硬件模塊進(jìn)行初始化,然后運(yùn)用位置算法計算出太陽位置并進(jìn)行首次跟蹤。首次跟蹤結(jié)束存儲當(dāng)前太陽高度角、方位角,隨后進(jìn)入自動跟蹤模式。由于太陽位置短時間內(nèi)變化并不明顯,在自動跟蹤模式下,設(shè)置固定時間間隔兩分鐘進(jìn)行1次跟蹤。具體過程為:當(dāng)兩分鐘的定時時間到達(dá)時,進(jìn)行1次太陽位置計算,取得當(dāng)前的太陽高度角和方位角,然后分別進(jìn)行高度角和方位角跟蹤。實(shí)際設(shè)計中為同時兼顧跟蹤精度和能耗,設(shè)置兩次角度差值超過1°才進(jìn)行跟蹤。另外在自動跟蹤過程中,當(dāng)系統(tǒng)判斷當(dāng)前高度角低于10°,則停止跟蹤、驅(qū)動系統(tǒng)復(fù)位進(jìn)入休眠態(tài)。具體的程序流程圖如圖4所示。

四、系統(tǒng)測試

用上文中太陽位置算法計算公式算出的太陽位置結(jié)果作為理論值,“香港天文臺”網(wǎng)站中公布的對應(yīng)太陽位置數(shù)據(jù)作為參照值。將兩者進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證跟蹤系統(tǒng)算法的精度。

選取測試時間為2019年5月2日7:00-18:00,地區(qū)經(jīng)度118.32°、地區(qū)緯度32.26°。在一天中的多個時段對系統(tǒng)計算得到太陽位置(表格中稱為“計算方位角”、“計算高度角”)與“香港天文臺”網(wǎng)站中公布的對應(yīng)太陽位置(表格中稱為“天文臺方位角”、“天文臺高度角”)進(jìn)行對比。對比結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)誤差表

通過對比發(fā)現(xiàn),跟蹤系統(tǒng)計算所得的太陽位置與“香港天文臺”公布的位置信息差值小于±0.1°,說明該太陽位置算法具有良好的跟蹤精度。

為驗(yàn)證裝置的實(shí)際跟蹤效果,提出一種“立桿測量法”[10]。實(shí)際操作過程中使用一個垂直地面的固定直桿,將其放在裝置前面。觀察直桿投影是否和高度軸驅(qū)動電機(jī)上安裝的固定桿重合,重合即代表方位角跟蹤與實(shí)際太陽位置一致。因?yàn)楦叨冉呛头轿唤堑母櫡绞酵耆嗤?,所以?shí)驗(yàn)中僅驗(yàn)證了方位角的跟蹤效果。測試發(fā)現(xiàn),該裝置可以實(shí)際有效地進(jìn)行太陽跟蹤。

五、結(jié)語

針對光電式太陽跟蹤存在的問題,本文設(shè)計了一種無傳感器的太陽跟蹤系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果表明系統(tǒng)太陽跟蹤精度高,在太陽能高效利用中具有實(shí)際應(yīng)用價值。本跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,但由于采用開環(huán)控制,步進(jìn)電機(jī)存在累計誤差,需要一段時間內(nèi)進(jìn)行校正。后續(xù)工作中考慮安裝位置傳感器設(shè)立原點(diǎn)標(biāo)志,另外結(jié)合其他太陽跟蹤方式來減小累計誤差。

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