馮 月，王利強(qiáng)，王嘯天，張明學(xué)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

0 引言

人類社會(huì)對(duì)自然資源的消耗將導(dǎo)致資源枯竭，減少對(duì)自然資源的依賴，利用太陽(yáng)能等可再生能源是目前生活的迫切需求[1]。然而，太陽(yáng)能的利用效率一直受限于技術(shù)水平得不到提高，所以怎樣提高太陽(yáng)能的利用效率成為人類利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵[2-4]。

近3年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)這一課題進(jìn)行了研究。2018年陸軍工程大學(xué)的Niu[5]等人設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的模糊PID控制策略的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)；2020年華北電力大學(xué)的Zhu[6]等人設(shè)計(jì)了一種新型單軸結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，通過(guò)基于太陽(yáng)-地球的幾何關(guān)系和太陽(yáng)輻射預(yù)測(cè)模型的跟蹤數(shù)學(xué)表達(dá)式形成的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)，是同緯度具有明顯優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)；2020年王奔[7]等人設(shè)計(jì)了一種基于PLC的槽式光熱太陽(yáng)能追蹤控制系統(tǒng)，通過(guò)自定義嵌入式編程實(shí)現(xiàn)高精度算法在控制器中的應(yīng)用；2021年李嘉晟[8]等人設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的雙軸太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，通過(guò)采用STM32F103R8T6單片機(jī)的半遮擋式四象限光電檢測(cè)法結(jié)合時(shí)鐘控制法，達(dá)到追蹤目的。

針對(duì)以上研究存在的問(wèn)題，提出一種基于GPS算法的雙軸結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小誤差的太陽(yáng)能追蹤，提高了太陽(yáng)能的接收效率。

1 太陽(yáng)位置GPS定位算法的介紹

在天文學(xué)中，對(duì)于太陽(yáng)位置的確定，有一系列精度很高但是計(jì)算復(fù)雜的方法，但這些計(jì)算方法在光伏應(yīng)用中過(guò)于繁瑣且不適用。所以，有了針對(duì)光伏應(yīng)用的簡(jiǎn)易算法，這些算法之間的復(fù)雜度和精度各不相同。為保證整個(gè)追蹤裝置的追蹤精度以及滿足太陽(yáng)能追蹤的需要，在此套裝置中選用的Duffie[9]是在1980年提出的算法。

為了確定太陽(yáng)位置，需要在天球坐標(biāo)系下引入太陽(yáng)磁偏角、太陽(yáng)時(shí)角、天頂角和太陽(yáng)方位角4個(gè)天文參數(shù)。在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，算法的最終目標(biāo)是要得到天頂角和太陽(yáng)方位角的理論位置。太陽(yáng)位置的具體計(jì)算過(guò)程如下：

首先，計(jì)算磁偏角。磁偏角（δ）計(jì)算方法如式（1）所示：

其中，n為每年1月1日算起的天數(shù)，例如：2013年4月1日，n就是91。帶入公式（1）即得到δ為4.02°。

其次，計(jì)算時(shí)角。時(shí)角的計(jì)算如式（2）所示：

其中，H為24h制的時(shí)間，單位：h。例如：中午12點(diǎn)30分，H為12.5。

再計(jì)算天頂角，天頂角的計(jì)算方法如式（3）所示：

公式（3）中的φ為緯度，由GPS模塊提供。

最后，計(jì)算方位角。方位角的計(jì)算方法如式（4）所示：

2 太陽(yáng)能追蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)概況

搭建了基于GPS算法太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)樣機(jī)的整體機(jī)械3D結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 整體機(jī)械3D結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall mechanical 3D structure diagram

圖2 太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Physical image of the solar tracking system

此裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：底座、控制電路、支架、豎直步進(jìn)電機(jī)、水平步進(jìn)電機(jī)、太陽(yáng)能接收板。

底座是整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定中心所在。此裝置中，底座使用硬質(zhì)樹(shù)脂材料。其強(qiáng)度高、硬度大、重量足，已確保整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重心穩(wěn)定，方便打孔與其他模塊連接。

太陽(yáng)能接收板通過(guò)支架連接到整個(gè)裝置中，呈水平向放置。

步進(jìn)電機(jī)組是由豎直步進(jìn)電機(jī)和水平步進(jìn)電機(jī)組成的，豎直步進(jìn)電機(jī)固定在支架上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接水平步進(jìn)電機(jī)。

以STC12LE5A60S2型號(hào)單片機(jī)為核心處理器件的控制電路，位于整個(gè)裝置的最左側(cè)?？刂齐娐凡糠种饕强刂齐娐返姆胖梦恢?，控制電路與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊隔離一段距離，使電路不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 機(jī)械追蹤方式

此設(shè)計(jì)裝置采用了雙軸追蹤方式，最大程度上增加太陽(yáng)能接收板的接收效率。圖3是雙軸追蹤方式的原理圖。雙軸追蹤方式在東（E）-西（W）、南（S）-北（N）方向都有電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能接收板在東-西、南-北方向上同時(shí)完成追蹤。雙軸追蹤方式中，水平軸控制太陽(yáng)能接收板的俯仰角，豎直軸控制太陽(yáng)能接收板的方位角。雙軸追蹤方式最大程度上增加了接收板接收太陽(yáng)光線的效率，使用合理的控制電路可以實(shí)現(xiàn)追蹤裝置的全天候、全自動(dòng)追蹤，不需要人力進(jìn)行調(diào)整。雙軸追蹤方式的控制電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，需要使用強(qiáng)度較高的材料。所以，在機(jī)械強(qiáng)度方面，裝置使用鐵、鋁合金等硬質(zhì)金屬材料，能夠有效保證整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，滿足室外太陽(yáng)能追蹤的需要。

圖3 雙軸追蹤方式原理圖Fig.3 Schematic diagram of dual-axis tracking method

2.3 追蹤控制方式

此設(shè)計(jì)采用軌跡追蹤方式，使用較高的追蹤精度有利于提高太陽(yáng)能接收效率。軌跡追蹤方式是利用已有的立體幾何算法計(jì)算得到太陽(yáng)的實(shí)時(shí)軌跡，微控制器根據(jù)計(jì)算得到的軌跡驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能接收板轉(zhuǎn)動(dòng)到指定的位置，完成太陽(yáng)能追蹤。此種追蹤方式需要利用較多的數(shù)據(jù)，目前單片機(jī)已經(jīng)具備較強(qiáng)的計(jì)算能力，可以滿足整個(gè)設(shè)計(jì)中的計(jì)算和控制要求。

軌跡追蹤通常是開(kāi)環(huán)的控制系統(tǒng)，容易產(chǎn)生累積誤差，追蹤時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)會(huì)累積誤差較大。對(duì)于產(chǎn)生累積誤差的問(wèn)題，此裝置使用了電子羅盤(pán)和傾角傳感器對(duì)太陽(yáng)能接收板的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，產(chǎn)生較大誤差即進(jìn)行有效修正，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的追蹤功能。

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

此裝置選擇使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)單步、一定角度的控制。太陽(yáng)能追蹤裝置步進(jìn)電機(jī)的單步轉(zhuǎn)動(dòng)精度，已經(jīng)足夠太陽(yáng)能追蹤的需要。如果需要高精度的驅(qū)動(dòng)，可以使用性能好的專用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)極小角度的準(zhǔn)確控制，而且整個(gè)步進(jìn)電機(jī)的帶負(fù)載能力也得到提高。通過(guò)挑選對(duì)比，此裝置最終選擇使用了L297、L298組合專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，提高追蹤裝置的追蹤精度和軟件簡(jiǎn)單化，能實(shí)現(xiàn)對(duì)二相、四相等不同型號(hào)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。圖4是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of stepper motor drive

3 太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)追蹤系統(tǒng)的工作流程大致可以分為獲取數(shù)據(jù)并計(jì)算角度、測(cè)量實(shí)際角度并比較、控制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5所示是整個(gè)系統(tǒng)的追蹤流程圖。系統(tǒng)上電；單片機(jī)上電復(fù)位；對(duì)電子羅盤(pán)和傾角傳感器進(jìn)行初始化操作；串口初始化；準(zhǔn)備接收GPS數(shù)據(jù)；接收一次有效GPS位置數(shù)據(jù)，將接收的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計(jì)算可以直接使用的數(shù)據(jù)；根據(jù)太陽(yáng)位置算法，計(jì)算得到太陽(yáng)的實(shí)時(shí)理論角度；單片機(jī)控制電子羅盤(pán)測(cè)量太陽(yáng)能接收板的實(shí)際水平方位角，控制傾角傳感器測(cè)量太陽(yáng)能接收板的俯仰角度；將計(jì)算得到的理論位置與測(cè)量得到的實(shí)際太陽(yáng)能接收板俯仰角和方位角進(jìn)行比較，當(dāng)單片機(jī)計(jì)算得到的位置信息與電子羅盤(pán)測(cè)得的太陽(yáng)能接收板水平方位角有差距時(shí)，單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)控制豎直步進(jìn)電機(jī)向正確的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到太陽(yáng)能接收板的方位角與計(jì)算值差距在誤差接受范圍內(nèi)為止。同理，當(dāng)單片機(jī)計(jì)算得到的位置信息與傾角傳感器測(cè)得的太陽(yáng)能接收板俯仰角有差距時(shí)，單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)控制水平步進(jìn)電機(jī)向正確的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到太陽(yáng)能接收板的俯仰角與計(jì)算值差距在誤差范圍之內(nèi)為止，完成一次追蹤過(guò)程。

圖5 系統(tǒng)追蹤流程圖Fig.5 System tracking flow chart

4 太陽(yáng)軌跡算法可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證太陽(yáng)位置算法的準(zhǔn)確性以及應(yīng)用在太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤裝置的可行性，專門做了太陽(yáng)位置角度的測(cè)量和驗(yàn)證比較工作。

驗(yàn)證試驗(yàn)在天津市進(jìn)行，當(dāng)?shù)氐奈恢脭?shù)據(jù)是北緯39°03′，東經(jīng)117°17′。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了當(dāng)天一整天的太陽(yáng)位置數(shù)據(jù)，與計(jì)算得到的位置數(shù)據(jù)做了比較。所得測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)比較Table 1 Comparison of measurement data

由表1可得，太陽(yáng)高度角的理論與測(cè)量值誤差范圍在0°～0.8°，方位角的理論和測(cè)量值誤差范圍在0°～2.2°。此種太陽(yáng)能追蹤算法實(shí)際測(cè)量結(jié)果與計(jì)算所得數(shù)據(jù)差距較小，在可以接受的范圍之內(nèi)，滿足追蹤需要，可以應(yīng)用在本設(shè)計(jì)中。

5 結(jié)論

建立了基于GPS定位算法的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，以STC12LE5A60S2單片機(jī)為控制電路核心，采用雙軸軌跡追蹤方式，利用傾角傳感器和電子羅盤(pán)測(cè)量實(shí)際接收板的角度，使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。此裝置利用GPS算法計(jì)算得到理論位置，通過(guò)比較數(shù)據(jù)調(diào)整太陽(yáng)能接收板實(shí)際位置，在步進(jìn)電機(jī)最小步進(jìn)角度范圍之內(nèi)，滿足追蹤的需要。同時(shí)，在天津（北緯39°03′，東經(jīng)117°17′）進(jìn)行了實(shí)地實(shí)驗(yàn)，最終誤差在2°以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)表明此裝置可以追蹤太陽(yáng)能，提高接收效率。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全天候、全自動(dòng)太陽(yáng)追蹤功能，為該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)以后的商業(yè)化運(yùn)行提供了一定的依據(jù)。