焦亞杰，張 敏，李東波

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)(2.南京波思途智能科技股份有限公司，江蘇 南京 211100)

1 太陽能的利用

太陽能，是指太陽的熱輻射能，就是常說的太陽光線[1]。從我國現(xiàn)階段的太陽能發(fā)電成本來看,其花費在太陽電池組件的費用為60%～70%,太陽能電池板發(fā)電量取決于接收到的太陽能輻射量,提高太陽能的利用效率可以顯著降低成本。光伏自動追蹤方式可以充分有效地利用太陽能[2]。追蹤控制方式分為兩類：光電控制和時空控制。光電控制是由光敏元件檢測太陽的運動規(guī)律進(jìn)行追蹤，時空控制根據(jù)地理位置以及實時時間算出太陽的運動規(guī)律從而進(jìn)行追蹤。時空控制又可以分為單軸追蹤和雙軸追蹤：單軸追蹤只對太陽方位角或高度角進(jìn)行追蹤，雙軸追蹤對兩者都進(jìn)行追蹤。兩種追蹤方式都可以顯著提高太陽能利用效率。如圖1所示,在美國亞利桑那州測得單軸追蹤比固定式安裝所接受的太陽能輻射量高40%左右[3]。

圖1 太陽能輻射量對比

本文設(shè)計了一款基于立柱式的單軸太陽能角度追蹤控制裝置，太陽的位置信息可以用方位角和高度角來表示。由于浮臺在水面上容易發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)，因此太陽方位角難以追蹤，本文擬用4片太陽能電池板來減小太陽方位角對吸收太陽輻射量的影響，并且設(shè)計鉸鏈結(jié)構(gòu)，利用電機(jī)推桿推動實現(xiàn)對太陽能電池板傾斜角的調(diào)節(jié)來對太陽高度角進(jìn)行追蹤[4-6]。該裝置以STM32F103RCT6為主控芯片。

普通時空追蹤方式具體為當(dāng)太陽高度角與電池板傾斜角的余角滿足一定條件時，便控制追蹤裝置調(diào)整到與當(dāng)前太陽光線垂直的位置。此種方法存在弊端，太陽高度角在日出日落的時候變化速率快，到達(dá)正午時變化的速率減至最小，而追蹤裝置的運行需要一定的時間，因此當(dāng)太陽能電池板運動到指定位置時，太陽已經(jīng)運動到了下一個位置，理論上太陽位置將會一直超前于光伏位置?；诖耍疚脑O(shè)計了一種新型的追蹤控制方法來消除這種現(xiàn)象。

2 追蹤裝置初始設(shè)計

2.1 高度角的計算

太陽能電池板的方位角是電池板垂直面與正南方向的夾角(向東偏設(shè)定為負(fù)角度,向西偏設(shè)定為正角度)。由于浮臺本體在水面會由于水流的流動以及外界天氣如狂風(fēng)等發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此追蹤方位角難度極大并且準(zhǔn)確性較低，針對這個情況，擬選用4片太陽能電池板，水平面對稱軸依次相差90°，以達(dá)到最大程度被太陽光線覆蓋的目的。傾斜角是太陽能電池板平面與水平地面的夾角，本文采用單軸鉸鏈機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)該角度。

太陽高度角與太陽能電池板傾斜角的和為90°。太陽高度角H與太陽赤緯角δ、太陽時角t、太陽板安裝所在地的地理緯度φ有關(guān)系，計算公式為:

sinH=sinφsinδ+cosφcosδcost

(1)

太陽赤緯角可由式(2)計算得出：

(2)

式中：n為積日，即從元月一日算起到當(dāng)前日子的天數(shù)總和，如二月的最后一天在平年時n=59,閏年時n=60。

太陽時角規(guī)定每個小時為15°，并且在正午時時角為0°，上午時為負(fù)，下午時為正，如11：00時的太陽時角為-15°，13：00時的時角為15°，太陽時角的計算公式為

t=(T-12)×15°

(3)

式中：T為換算成小時的時間。T的換算公式為

(4)

式中：h為當(dāng)前小時數(shù)；m為當(dāng)前分鐘數(shù)；s為當(dāng)前秒數(shù)。由式(1)～(4)可以求出太陽高度角，進(jìn)一步可以得到太陽能電池板的傾斜角，從而由追蹤裝置控制太陽能電池板傾斜角改變與太陽高度角互余。

由于光照時間在不同的季節(jié)時長不同，因此需要計算日出日落時間來確定太陽能電池板追蹤裝置是否需要工作，可由日出日落的時角來轉(zhuǎn)換出日出日落時間得到工作時區(qū)，由當(dāng)?shù)鼐暥扰c太陽赤緯角求得日出時角ω出:

ω出=arccos(-tanφtanδ)

(5)

則日出時間T出計算公式為

(6)

日落時間T落計算公式為

T落=24-T出

(7)

2.2 追蹤方式的改進(jìn)及仿真

為了便于理解，設(shè)追蹤裝置的角度為太陽能電池板傾斜角的余角。當(dāng)檢測到太陽高度角與追蹤裝置的角度差達(dá)到所設(shè)定的閾值Δθ時，控制追蹤裝置轉(zhuǎn)動2Δθ，這樣就可以保證運動后光伏位置超前于太陽位置，待下次太陽位置超前于追蹤裝置Δθ時，繼續(xù)此次操作，使得追蹤裝置停止的每個時區(qū)內(nèi)都經(jīng)歷了位置由超前到滯后的過程。具體過程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的追蹤方式

圖中，θg1為追蹤裝置前一時刻所在的角度，θt1為太陽高度角，此時兩者差值達(dá)到所設(shè)定的閾值Δθ時，追蹤裝置開始運動2Δθ，位置角度到達(dá)θg2，因為追蹤裝置運動需要時間，且電機(jī)推桿的特性為負(fù)載越大速度越慢，因此追蹤裝置運動后的太陽位置為θt，此次追蹤運動完成。待太陽運動到θt2時重復(fù)此次運動。

對南京地區(qū)(北緯32°)，冬至日(積日355)采用改進(jìn)之后的追蹤方法進(jìn)行效果仿真，設(shè)閾值為1.5°，忽略追蹤裝置運動所花費的時間，分別得到太陽高度角與追蹤裝置的角度隨時間變化的曲線，如圖3所示。由圖可知，追蹤裝置每次停頓的區(qū)間都經(jīng)歷了位置相對于太陽高度角由超前至滯后的過程。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到結(jié)構(gòu)簡單與降低成本的因素，本文采用電動推桿的方式調(diào)整太陽能電池板的傾斜角，整體裝置如圖4所示。

1—頂板；2—太陽能電池板；3—底板；4—支撐架；5—電機(jī)推桿；6—推動桿；7—推桿連接盤；8—合頁

裝置由4片太陽能電池板構(gòu)成整個發(fā)電系統(tǒng)，每個太陽能電池板與頂板之間由兩個合頁結(jié)構(gòu)連接，便于太陽能電池板在垂直面的翻轉(zhuǎn)，動力機(jī)構(gòu)選擇可以自由定制行程與推力的電機(jī)推桿，為整個追蹤機(jī)構(gòu)提供動力。電機(jī)推桿與連接盤固定，連接盤上為4個鉸鏈機(jī)構(gòu)。推動桿與連接盤間、推動桿與太陽能電池板間均為鉸鏈機(jī)構(gòu)。以推動4片太陽能電池板做俯仰運動來追蹤太陽高度角。頂板與支撐架均由輕質(zhì)鋁合金構(gòu)成以固定整個裝置。

3.1 合頁結(jié)構(gòu)

合頁通常是指保持門窗打開或關(guān)閉時做轉(zhuǎn)動的裝置，屬于帶轉(zhuǎn)軸的體系。在此處選擇的合頁為抽芯合頁。每片太陽能電池板與頂板左右各有一個合頁裝置可輕易使太陽能電池板發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 合頁結(jié)構(gòu)

3.2 俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是光伏自動追蹤裝置的核心部分，頂板由合頁結(jié)構(gòu)連接4片太陽能電路板，且頂板與底板間由4個支撐架固定，由電機(jī)推桿驅(qū)動太陽能電池板進(jìn)行俯仰運動，由于電機(jī)推桿有自鎖功能，因此裝置受風(fēng)力影響較小。由太陽能電池板的傾斜角可以推算出電機(jī)推桿的高度，具體推算過程可由縱剖面圖得出，縱剖面圖如圖6所示。

圖6 驅(qū)動裝置剖面圖

圖中，l1為頂板長度的一半，l2為太陽能電池板長度的一半，l3為推動桿的長度，l4為推動桿到電機(jī)推桿的水平距離，已知l2與水平軸線的夾角α即為太陽能電池板的傾斜角，可以推算出連接盤與頂板的距離h，因為頂板到地板的距離不變，所以可以求出電機(jī)推桿的總長度，從而可以求出推桿所需伸縮的距離。添加輔助線可以得到圖7。

已知α可由太陽高度角計算公式求出，如果求出l3與水平軸線的夾角β即可得到h，β的求解公式為

(8)

知道兩個夾角即可以求出h：

h=l2sinα+l3sinβ

(9)

3.3 電機(jī)推桿的選擇

電動推桿是一種新型的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要由電機(jī)、推桿、控制裝置等機(jī)構(gòu)組成，一般自帶行程開關(guān)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制，具有體積小、精度高、完全同步、自鎖性能好等優(yōu)點。電機(jī)推桿超過最大推力時，推桿會自動停止工作進(jìn)行自我保護(hù)，能達(dá)到的最大推力為6 000 N,最大行程為1 500 mm。為了使太陽能電池板可以在10°～80°之間翻轉(zhuǎn)，應(yīng)通過求出當(dāng)α分別為10°與80°時推桿的長度之差來選擇較為合適的電動推桿行程。

4 硬件電路設(shè)計

硬件平臺的設(shè)計主要包括GPS模塊、實時時鐘模塊、電機(jī)推桿驅(qū)動模塊等。遵循成本低、控制方便、性能可靠等原則，太陽能電池板自動追蹤系統(tǒng)的硬件框圖如圖8所示。

圖8 硬件電路框圖

各部分的主要功能如下。

GPS模塊：得到所在位置的地理信息，為太陽高度角的計算提供當(dāng)?shù)氐木暥葏?shù)。

實時時鐘模塊：提供實時時間，為太陽赤緯角以及太陽時角的計算提供參數(shù)。

中斷電路：便于電機(jī)推桿的控制，方便調(diào)試。

電機(jī)推桿控制電路：控制電機(jī)推桿到達(dá)準(zhǔn)確位置。

4.1 GPS模塊

選用的GPS接收機(jī)GR-87是一個高效能、低耗電的智慧型衛(wèi)星接收模組，它采用美國瑟孚公司設(shè)計的第三代衛(wèi)星定位接收晶片，晶片內(nèi)建200 000個衛(wèi)星追蹤運算器，大幅提高搜尋及運算衛(wèi)星訊號能力。GR-87采用+5 V供電，具有一個TTL串行接口，可以通過串行接口與主控制器芯片直接相連，十分方便，電路如圖9所示。

圖9 GPS模塊

4.2 實時時鐘模塊

太陽時角的計算需要得到精準(zhǔn)的實時時間，因此需要一個實時時鐘模塊為主控制器芯片提供準(zhǔn)確的實時時間。DS1302是 DALLAS(達(dá)拉斯)公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含有1個實時時鐘和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，實時時鐘電路提供秒、分、時、日、月、年信息，可通過 AM/PM 指示決定采用24 h或12 h格式。DS1302與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信。模塊采用雙電源供電，當(dāng)主電源比備用電源高0.2 V時，由主電源供電，否則采用備用電源，一般是一個紐扣電池。VCC1連接電源+5 V，VCC2連接備用電源，X1,X2引腳連接晶振，為芯片提供脈沖，與主控制器芯片的連接為SCLK、I/O、RST3條線，具體時鐘電路如圖10所示。

圖10 實時時鐘電路

4.3 電機(jī)推桿控制模塊

本文選用自帶電位計的電機(jī)推桿，電位計可以用來反饋電機(jī)電阻的大小，從而反映推桿的行程位置，最終達(dá)到控制推桿在行程中任一位置的目的。電機(jī)推桿所用驅(qū)動方式為直流電機(jī)驅(qū)動，當(dāng)電動推桿正常上電時，電機(jī)推桿上升，當(dāng)電源正負(fù)極反接時，電機(jī)推桿下降，達(dá)到控制電機(jī)推桿伸縮的目的。用兩個繼電器來控制電機(jī)推桿中直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。因單片機(jī)電流較小，不能直接驅(qū)動繼電器，因此采用如圖11所示的功率驅(qū)動。三極管有著開關(guān)和放大電流的作用，并接一個二極管保護(hù)電路。

圖11 電機(jī)推桿控制模塊

4.4 中斷電路

中斷電路用于手動調(diào)節(jié)電機(jī)推桿內(nèi)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動，共有兩個按鈕，每個電路都由1個下拉電阻與1個按鈕組成，當(dāng)按鈕按下時，電路接通，直流電機(jī)開始正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。如圖12所示。

圖12 中斷電路

5 追蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計

太陽能光伏自動追蹤裝置工作時間為太陽的光照時期，即工作時間范圍為日出時間至日落時間。當(dāng)時間在日出時間之前或者日落時間之后，保持太陽能電池板處于初始位置(傾斜角80°)，如果時間在光照時間內(nèi)則進(jìn)入追蹤程序，若不在光照時間內(nèi)則過一段時間再次進(jìn)行判定，程序結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。

圖13 驅(qū)動裝置工作判定

總體程序需要實現(xiàn)的功能：GPS信息篩選，為太陽高度角的計算提供準(zhǔn)確的緯度信息；通過調(diào)節(jié)電機(jī)推桿的伸縮長度來改變太陽能電池板的傾斜角，便于追蹤設(shè)置的調(diào)試；由當(dāng)?shù)氐木暥刃畔⒁约皩崟r時間求出太陽赤緯角與太陽時角，進(jìn)而得到太陽高度角，進(jìn)一步得到推桿所需伸縮的長度，由電機(jī)推桿控制電路控制電機(jī)推桿伸縮到指定位置，完成太陽能電池板追蹤行動。程序的大致流程圖如圖14所示。

圖14 追蹤流程圖

設(shè)置閾值為1.5°，當(dāng)太陽位置與追蹤裝置角度差大于1.5°時，太陽能光伏自動追蹤裝置開始工作，使電機(jī)推桿運動由計算得來的伸縮距離完成追蹤。太陽高度角在一天的光照時段里先增大后減小，因此電機(jī)推桿上午向上伸，下午向下縮，最終位置應(yīng)在初始位置附近。

完成整個裝置的調(diào)試之后，對南京地區(qū)(北緯32°)5月1日(積日121)9：00和13：00進(jìn)行電機(jī)推桿高度測量，將電機(jī)推桿高度轉(zhuǎn)換為追蹤裝置角度，每6 min測試一次，并與由公式(1)計算得出的太陽高度角進(jìn)行比較，如圖15所示。

圖15 太陽高度角對比

由圖可知，有些時段誤差超過1.5°，推測誤差較大的原因可能為風(fēng)力的影響或公式計算存在較大誤差。

6 結(jié)束語

本文主要的研究內(nèi)容及成果歸納如下：根據(jù)追蹤裝置的剖面圖得到與高度角有關(guān)的運動模型，將角度的變化歸納為電機(jī)推桿的高度變化；根據(jù)太陽的運動規(guī)律，提出了一種優(yōu)化后的追蹤方式并得到仿真圖像，驗證了其可行性；控制方面，設(shè)計了以STM32為核心的電路結(jié)構(gòu)，并完成了嵌入式系統(tǒng)的編寫調(diào)試。由于個人水平與時間的關(guān)系，仍存在著許多不足之處：對于方位角的影響只是簡單的用4片電路板來抵消，仍存在著較大的影響，應(yīng)采用更加精密的方法；追蹤控制算法較為簡單，應(yīng)采用更加復(fù)雜、智能的控制方法；外界影響因素如風(fēng)力、陰影等沒有考慮在內(nèi)。后續(xù)應(yīng)當(dāng)改進(jìn)。