張洗玉，寧鐸

(1.廣西科技師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣西來(lái)賓 546199；2.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安 710021)

0 前言

隨著能源危機(jī)的不斷加劇，各國(guó)對(duì)可再生能源太陽(yáng)能的開發(fā)利用日益重視。但是由于太陽(yáng)方位固有的時(shí)變性、能量密度小等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了其推廣應(yīng)用。通過(guò)聚光方式提高太陽(yáng)能密度是一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，太陽(yáng)能聚光應(yīng)用領(lǐng)域一般都需要利用高精度雙軸全自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)來(lái)提高太陽(yáng)能利用率且其跟蹤角誤差必須小于0.2°。同時(shí)需要特別關(guān)注聚光區(qū)域太陽(yáng)光線的均勻分布性，避免由于聚光區(qū)域受熱不均所引起的不良后果。相比于太陽(yáng)能光伏發(fā)電、光熱發(fā)電模式，太陽(yáng)光聚光照明對(duì)系統(tǒng)的跟蹤精度和跟蹤魯棒性能有更嚴(yán)格的要求。

目前國(guó)際主流的太陽(yáng)光跟蹤方法有視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法、光電跟蹤法、視日光電切換跟蹤法、圖像信息追蹤法。考慮到太陽(yáng)能聚光照明應(yīng)用場(chǎng)合的環(huán)境復(fù)雜性以及系統(tǒng)自保護(hù)性與可靠性要求，在高精度全自動(dòng)跟蹤方案中選取光電跟蹤法。針對(duì)上述現(xiàn)狀，提出一種基于液壓傳動(dòng)的新型雙軸二級(jí)粗細(xì)調(diào)定位太陽(yáng)聚光照明全自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，同時(shí)利用多傳感器數(shù)據(jù)融合來(lái)增加系統(tǒng)在惡劣天氣時(shí)的跟蹤穩(wěn)定性和抗干擾性。

1 太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)工作機(jī)制

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于液壓傳動(dòng)的太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)主要包括菲涅爾透射式點(diǎn)聚光透鏡聚光模塊、雙軸粗細(xì)調(diào)陽(yáng)光自跟蹤模塊、液壓式跟蹤機(jī)械云臺(tái)、多傳感器自保護(hù)模塊、光伏電池板、LED燈具，其總體框圖如圖1所示，其中,陽(yáng)光傳感器、聚光設(shè)備、太陽(yáng)能電池板均安裝在云臺(tái)面板上。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

主控制器STM32F103ZET6獲取溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、限位傳感器等多傳感器所測(cè)量的外界實(shí)時(shí)環(huán)境信息，利用多傳感器數(shù)據(jù)融合增加系統(tǒng)在外界天氣惡劣時(shí)的跟蹤穩(wěn)定性和抗干擾性。當(dāng)外界環(huán)境符合系統(tǒng)工作要求時(shí)，先根據(jù)陽(yáng)光方位傳感器光電式跟蹤粗略搜索太陽(yáng)光方位，在確定太陽(yáng)大致位置后，STM32控制液壓式跟蹤機(jī)械云臺(tái)，自動(dòng)精準(zhǔn)尋找陽(yáng)光并使得跟蹤角度小于0.1°，保證太陽(yáng)光垂直照射機(jī)械平臺(tái)的采光板，有效控制菲涅爾透鏡像點(diǎn)彌散斑現(xiàn)象且使其匯聚陽(yáng)光具有高效性、實(shí)時(shí)性。其中，菲涅爾透鏡、光伏電池板、二級(jí)定位陽(yáng)光跟蹤傳感器均位于同一機(jī)械云臺(tái)，通過(guò)直徑為100 mm的菲涅爾透鏡將陽(yáng)光匯聚成2 mm高亮光斑，利用塑料光導(dǎo)纖維將光斑導(dǎo)入特定區(qū)域照明，當(dāng)處于夜晚、陰天、雨天或外界陽(yáng)光強(qiáng)度較弱時(shí)(基于時(shí)鐘芯片判斷白天和夜晚，根據(jù)陽(yáng)光方位傳感器確定外界陽(yáng)光實(shí)時(shí)強(qiáng)度)，利用機(jī)械云臺(tái)上的光伏電池板驅(qū)動(dòng)終端LED照明燈具實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)性照明。

1.2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)要適應(yīng)野外或室外長(zhǎng)時(shí)間復(fù)雜的工作環(huán)境，且在外界特殊惡劣天氣下能可靠穩(wěn)定運(yùn)行，故需要在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)力、抗振動(dòng)的方面加大設(shè)計(jì)力度及增加防雨、防塵模塊，同時(shí)追蹤云臺(tái)需具有自保護(hù)功能，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。該跟蹤系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇大地平面作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，以太陽(yáng)高度角和方位角為目標(biāo)，運(yùn)行時(shí)間以時(shí)鐘芯片設(shè)定為準(zhǔn)。建立驅(qū)動(dòng)力矩足夠大、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍較廣的二維雙軸太陽(yáng)光追蹤體系。在東西方向(與地面垂直)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸是水平軸，U形支架上南北方向轉(zhuǎn)動(dòng)的軸是垂直軸，水平軸和垂直軸相垂直，太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)能在東西、南北不同方向上調(diào)整其角度，從而保證菲涅爾透鏡聚光模塊最大面積、最大角度采光。

圖2 太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

主控核心STM32驅(qū)動(dòng)由液壓缸和液壓電子馬達(dá)所組成的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行陽(yáng)光方位追蹤，其中系統(tǒng)中液壓站通過(guò)電磁閥控制供油方向，分別向液壓缸、液壓馬達(dá)輸送液壓油。固定在追蹤底座上的油箱的電子馬達(dá)帶動(dòng)液壓泵抽取油箱中的液壓油進(jìn)行加壓，加壓后的液壓油經(jīng)過(guò)電磁閥后進(jìn)行分壓：一部分輸送到液壓馬達(dá)處，通過(guò)沖擊葉片帶動(dòng)擺動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而轉(zhuǎn)動(dòng)的擺動(dòng)軸帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)追蹤云臺(tái)水平維度平穩(wěn)、勻速地水平(360°)轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓油通過(guò)液壓馬達(dá)出油管回到油箱；另一部分液壓油再次通過(guò)電磁閥進(jìn)行分壓，分壓后的液壓油通過(guò)輸油管輸送到對(duì)稱分布在主軸兩邊的液壓缸，帶動(dòng)液壓缸同時(shí)上升或下降，使追蹤云臺(tái)上采光板在垂直維度上進(jìn)行上下(180°)翻轉(zhuǎn)，再通過(guò)液壓缸的出油管將液壓油輸送回油箱,控制液壓缸的伸縮。此外，可以通過(guò)控制節(jié)流閥來(lái)控制液壓油輸送到液壓馬達(dá)或液壓缸處，實(shí)現(xiàn)電氣與液壓傳動(dòng)自動(dòng)化控制的有機(jī)結(jié)合。

1.3 光纖照明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光纖式照明模塊主要由聚甲基丙烯酸甲酯材料PMMA塑料光纖與光導(dǎo)纖維末端散射器組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)外界應(yīng)用場(chǎng)合的太陽(yáng)光線垂直照射云臺(tái)采光板上的菲涅爾透鏡時(shí)，透鏡把太陽(yáng)光線匯聚于光纖受口器中心圓孔處，同時(shí)把塑料光纖接入上述圓孔。光導(dǎo)纖維末端散射器通過(guò)光纖連接于追蹤云臺(tái)采光板背面底部位置。菲涅爾透射式點(diǎn)聚光透鏡聚光模塊接收光線時(shí)，使用2個(gè)可調(diào)節(jié)桿來(lái)調(diào)整追蹤云臺(tái)采光板和云臺(tái)底部之間的距離，達(dá)到有效改變菲涅爾透鏡光斑大小的目的。同時(shí)，為確保該光斑精準(zhǔn)位于光纖受口器中心位置，可以在水平、垂直方向上移動(dòng)光纖受口器中心圓孔。最終，將聚光后的太陽(yáng)光線有效導(dǎo)入光纖，并以全反射將光線傳到特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)綠色、自然照明。

圖3 光纖式太陽(yáng)能聚光照明示意

2 太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 新型二級(jí)粗細(xì)調(diào)陽(yáng)光傳感器模塊設(shè)計(jì)

高精度光電跟蹤模式以二級(jí)粗細(xì)調(diào)陽(yáng)光傳感器為核心，安裝于追蹤云臺(tái)的采光板上。當(dāng)陽(yáng)光傳感器和菲涅爾透鏡的法線平行時(shí)，入射的陽(yáng)光垂直照射采光板；反之，STM32驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)迅速追蹤至最大光強(qiáng)處，從而提高太陽(yáng)能利用率。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了具有內(nèi)外兩組粗定位、細(xì)定位單元的二級(jí)定位陽(yáng)光傳感器，每組調(diào)節(jié)單元在東、南、西、北方向上均安裝一個(gè)尋光感知元件光敏電阻，采光電路如圖4所示。不同應(yīng)用場(chǎng)合外界環(huán)境的太陽(yáng)光照強(qiáng)度差異較大，為確保所選的8個(gè)光敏電阻～在野外惡劣工作環(huán)境中穩(wěn)定可靠，特別給～均外接～可調(diào)電阻，用戶可選擇手工調(diào)節(jié)陽(yáng)光傳感器的輸出值，從而使得光敏電阻一致性保持良好。其中，PA0～PA7為STM32的I/O控制端口，主控核心借助內(nèi)嵌ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將當(dāng)前光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)值。

圖4 新型陽(yáng)光傳感器追蹤陽(yáng)光電路

、、、光敏電阻組成外部粗調(diào)節(jié)單元(和為一組，接收南北方向太陽(yáng)光；和為一組，接收東西方向太陽(yáng)光)，、、、光敏電阻組成內(nèi)部細(xì)調(diào)節(jié)單元(和為一組，接收南北方向太陽(yáng)光；和為一組，接收東西方向太陽(yáng)光)，具體安裝如圖5所示。

圖5 新型陽(yáng)光傳感器安裝

當(dāng)主控核心STM32控制陽(yáng)光傳感器采光時(shí)，先對(duì)外部粗調(diào)節(jié)單元東、西方向的、兩路信號(hào)進(jìn)行采集、處理，處理完畢后，對(duì)粗調(diào)單元南、北方向的、兩路信號(hào)進(jìn)行采集和處理等工作，處理結(jié)束后，開始對(duì)內(nèi)部細(xì)調(diào)單元的信號(hào)進(jìn)行采集和處理；同理，優(yōu)先進(jìn)行東、西方向、的調(diào)節(jié)再進(jìn)行南、北方向、的調(diào)節(jié)。當(dāng)內(nèi)部調(diào)節(jié)單元的4路信號(hào)處理完時(shí)，整個(gè)二級(jí)粗細(xì)調(diào)定位太陽(yáng)光信號(hào)采集、處理過(guò)程結(jié)束。當(dāng)陽(yáng)光傳感器背對(duì)太陽(yáng)光線超過(guò)一定時(shí)間，STM32開啟自尋找程序，解決了由于追蹤云臺(tái)被遮擋所導(dǎo)致的傳感器無(wú)法正常工作的問(wèn)題。

2.2 人機(jī)交互模塊及串口通信模塊設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊主要包括LCD12864液晶顯示與獨(dú)立按鍵模塊S1～S6，如圖6所示。根據(jù)調(diào)試需要，LCD12864上顯示有自動(dòng)調(diào)節(jié)或者人工調(diào)節(jié)的提示語(yǔ)，還顯示應(yīng)用場(chǎng)合的陽(yáng)光強(qiáng)度AD值。當(dāng)該系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤工作時(shí)，屏幕中間位置東、南、西、北4個(gè)方向的數(shù)值與太陽(yáng)傳感器內(nèi)部細(xì)調(diào)節(jié)單元、、、感受的太陽(yáng)光線強(qiáng)弱相對(duì)應(yīng)；最右側(cè)處東、南、西、北4個(gè)方向的數(shù)值與太陽(yáng)傳感器外部粗調(diào)節(jié)單元、、、感受的太陽(yáng)光線強(qiáng)弱相對(duì)應(yīng)。設(shè)置獨(dú)立按鍵模塊S1～S6是為了方便用戶對(duì)系統(tǒng)工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)，它與自動(dòng)跟蹤工作不沖突。考慮到后續(xù)跟蹤系統(tǒng)的更新?lián)Q代，配套了串口通信模塊,確保與上位機(jī)通信流暢，同時(shí)通過(guò)通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)跟蹤系統(tǒng)在特殊應(yīng)用場(chǎng)合的監(jiān)控和數(shù)字化管理。

圖6 人機(jī)交互模塊電路及實(shí)物

3 太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能聚光照明跟蹤控制流程如圖7所示，主控制器STM32單片機(jī)上電工作后，對(duì)系統(tǒng)控制性能參數(shù)以及系統(tǒng)時(shí)鐘等模塊進(jìn)行初始化操作；獲取多傳感器所測(cè)量的外界環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、時(shí)間等信息，當(dāng)處于白天且風(fēng)速符合工作要求時(shí)，系統(tǒng)開始自動(dòng)跟蹤外界太陽(yáng)光照；該系統(tǒng)首先對(duì)東西方向、進(jìn)行粗調(diào)，判斷東西相對(duì)方向的AD差值是否大于12(多次實(shí)驗(yàn)中得到的經(jīng)菲涅爾透鏡聚光后至受光處的光斑最亮直徑最小而取的閾值)，若大于該閾值則驅(qū)動(dòng)方位角方向控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，使負(fù)載向東移動(dòng)。調(diào)整好方位后，再讀取外部南北方向、光敏電阻感光后對(duì)應(yīng)的輸出值，若南方AD值高于北方的值，且差值大于設(shè)定值12，高度角方向液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)聚光模塊向南移位，反之向北移動(dòng)，這樣即可完成南北方向的一次調(diào)節(jié)；細(xì)調(diào)節(jié)單元、、、的調(diào)節(jié)過(guò)程與粗調(diào)節(jié)過(guò)程一致，將細(xì)調(diào)節(jié)的閾值設(shè)置為5；至此，實(shí)現(xiàn)了一次高精度自動(dòng)跟蹤外界光照目標(biāo)。

圖7 太陽(yáng)聚光照明跟蹤控制流程

4 太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)性能測(cè)試

根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和內(nèi)部組成模塊，搭建太陽(yáng)方位角和高度角性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試平臺(tái)。菲涅爾聚光模塊中透鏡的規(guī)格：每個(gè)透鏡半徑=5 cm、焦距=1.5 cm。折射率為1.49的PMMA塑料光導(dǎo)纖維纖芯直徑為2 mm，需通過(guò)調(diào)節(jié)桿確保實(shí)驗(yàn)中聚焦區(qū)域半徑為2 mm。由于太陽(yáng)方位存在時(shí)變性、太陽(yáng)能能量分散，若系統(tǒng)跟蹤誤差較大，則經(jīng)直徑為100 mm的菲涅爾透鏡會(huì)將陽(yáng)光聚成2 mm高亮光斑在光纖圓孔中心，會(huì)發(fā)生閃爍不定的現(xiàn)象。所設(shè)計(jì)的新型光纖式太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)實(shí)物和照明效果測(cè)試如圖8所示，實(shí)驗(yàn)中光纖終端一直是一個(gè)高亮光斑，可證明該系統(tǒng)跟蹤精度高。

圖8 太陽(yáng)聚光照明跟蹤實(shí)物和照明效果測(cè)試

同時(shí)，為定性分析太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)效果，把追蹤云臺(tái)和=60 cm的標(biāo)尺裝配在一起，若直尺的投影長(zhǎng)度=0，說(shuō)明該時(shí)刻太陽(yáng)正垂直照射于追蹤云臺(tái)(跟蹤誤差=0)。直尺投影定律的表達(dá)式為

(1)

以2020年8月上旬西安作為測(cè)試地點(diǎn)，通過(guò)直尺投影原理檢驗(yàn)使用文中所設(shè)計(jì)的二級(jí)定位粗細(xì)調(diào)陽(yáng)光傳感器后該跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果，實(shí)驗(yàn)誤差如表1所示。結(jié)果表明該系統(tǒng)跟蹤精度高，誤差角度小于0.1°。

表1 實(shí)驗(yàn)誤差

5 結(jié)論

太陽(yáng)能聚光照明自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)已是全球研究熱點(diǎn)，其關(guān)鍵在于高倍聚光和自動(dòng)跟蹤。本文作者基于液壓傳動(dòng)和新型粗細(xì)調(diào)二級(jí)定位陽(yáng)光傳感器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有高測(cè)量精度、低成本優(yōu)點(diǎn)的太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)，提高了太陽(yáng)能利用率。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能聚光照明、聚光發(fā)電場(chǎng)合，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義與推廣價(jià)值。