基于GPS定位的太陽(yáng)能板自動(dòng)追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 屹，胡 盤，劉成恒

(常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

0 引言

太陽(yáng)能作為一種新型清潔能源，受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1]。目前，主要的太陽(yáng)光跟蹤模式包括光電式跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤[2]。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，存在風(fēng)，沙等因素影響機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)的精度和穩(wěn)定性，不可能實(shí)現(xiàn)垂直照射的目的，導(dǎo)致無(wú)法充分利用太陽(yáng)能資源[3]。

根據(jù)當(dāng)前太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的低效率發(fā)電問(wèn)題[4]，通過(guò)使用GPS全球定位系統(tǒng)，基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法的理論，提供精確的相關(guān)信息，例如當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度和實(shí)時(shí)時(shí)間，從而不再考慮時(shí)間和地點(diǎn)對(duì)于機(jī)械設(shè)備的安裝問(wèn)題的影響，因此都不再需要人為干預(yù)調(diào)整太陽(yáng)能板的追光角度，從而實(shí)現(xiàn)一種高度靈活的智能化功能，進(jìn)而提高太陽(yáng)能的利用效率，從而映射到提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)其在日常生活中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

外形采用平行四邊形折疊的方式，它在抽屜式的外形基礎(chǔ)上，使抽屜三板減小為兩板，卻把抽屜從一個(gè)變成兩個(gè)，這樣使面積變的更大。其中，頂層太陽(yáng)能板約為底層的0.8倍。與它主要相關(guān)的部件涉及包括減速電機(jī)、履帶、傳動(dòng)軸、推桿電機(jī)、底座和太陽(yáng)能電池板等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)是以常規(guī)雙電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用一個(gè)傳動(dòng)軸、兩個(gè)履帶和一個(gè)失電制動(dòng)保護(hù)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣既可以降低成本又提高電機(jī)同時(shí)帶動(dòng)太陽(yáng)能板板方雙向展開(kāi)的穩(wěn)定性。還有方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是自鎖渦輪減速電機(jī)，并進(jìn)行軸向固定，從而保證了渦輪減速機(jī)的傳動(dòng)精度。高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用雙自鎖電動(dòng)機(jī)推桿同時(shí)像仰角方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而使在惡劣的天氣情況下能夠保證它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2 確定太陽(yáng)位置的計(jì)算方法

2.1 太陽(yáng)直射點(diǎn)的移動(dòng)

地球自身的運(yùn)動(dòng)是自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行，姿態(tài)運(yùn)動(dòng)存在于特定的黃赤交角。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時(shí)，其軌道平面垂直地軸被稱為赤道平面。當(dāng)?shù)厍驀@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)(四季的變化)時(shí)，其軌道平面被稱為黃道平面。當(dāng)?shù)厍蛟诘剌S傾斜的位置公轉(zhuǎn)時(shí)，赤道面和黃道面的夾角不為0，即它們所形成的夾角稱為黃赤交角(23°26′)。由于存在特定的黃赤交角，使得太陽(yáng)光線在地面上的直射點(diǎn)不斷的發(fā)生變化，且其運(yùn)動(dòng)范圍不斷的在南北回歸線之間往復(fù)移動(dòng)進(jìn)行變化。所以太陽(yáng)光線的直射點(diǎn)在最北端位置達(dá)到上限的位置是23°26′N，最南端位置達(dá)到上限的位置是23°26′S。

2.2 坐標(biāo)系統(tǒng)

1)時(shí)角坐標(biāo)系:

時(shí)角坐標(biāo)系是一種天球坐標(biāo)系，以定量的方式表示天體的位置，以觀測(cè)點(diǎn)所在的位置的天赤道面為基準(zhǔn)平面[5]。因此，太陽(yáng)的位置可以通過(guò)時(shí)角坐標(biāo)系中的δ和ω來(lái)決定，如圖2所示。

圖2 時(shí)角坐標(biāo)系

太陽(yáng)時(shí)角是從觀測(cè)點(diǎn)至太陽(yáng)所在時(shí)圈在天赤道的投影和觀測(cè)點(diǎn)到天赤道與子午圈間的交點(diǎn)的夾角。時(shí)角角度從0°到180°，以O(shè)Q′方向以0°為基準(zhǔn)，向東為負(fù)，向西為正。當(dāng)中太陽(yáng)赤緯角是以觀測(cè)點(diǎn)到太陽(yáng)所在時(shí)圈上與觀測(cè)點(diǎn)所在的天赤道面之間的夾角[6]。赤緯角以赤道平面為0°，從赤道往北為正，相對(duì)為負(fù)。

2)地平坐標(biāo)系：

地平坐標(biāo)系以觀測(cè)點(diǎn)的位置為中心，所在位置的平面當(dāng)做參考平面，如圖3所示。

圖3 地平坐標(biāo)系

圖中的太陽(yáng)高度角是從0點(diǎn)指向太陽(yáng)的矢量與觀察者位置的地平線之間的夾角。當(dāng)太陽(yáng)在地平線(地平圈)上時(shí)，則仰角為0°。若現(xiàn)在這個(gè)時(shí)候其使高度角增加，則太陽(yáng)升起；若現(xiàn)在這個(gè)時(shí)候使高度角減少，則太陽(yáng)下降。同時(shí)，太陽(yáng)方位角是從0點(diǎn)指向太陽(yáng)的矢量在地平線上的投影與正南方的夾角，其中它以正南向作為為0°，由南向西設(shè)定為正，相反為負(fù)。

2.3 計(jì)算太陽(yáng)的高度角和方位角

從上述中可以得出相關(guān)的結(jié)論，太陽(yáng)在天球上的位置將不斷的發(fā)生變化。并且因?yàn)樗怯^測(cè)點(diǎn)所在的地平面，則當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)的位置相同但是時(shí)間不同時(shí)，致使同一個(gè)太陽(yáng)具有不同的高度和方位。所以確定太陽(yáng)的位置，

通常需要把地平坐標(biāo)系和時(shí)角坐標(biāo)系相結(jié)合，并且從不同的角度來(lái)表示。

根據(jù)在時(shí)角坐標(biāo)系當(dāng)中的ω和δ來(lái)決定太陽(yáng)所在天球的位置。

1)太陽(yáng)時(shí)角公式：

ω=pi*(ST-12)×15°/180

(1)

式中,ST為真太陽(yáng)時(shí)，以24小時(shí)計(jì)時(shí)。從每年1月1日起計(jì)天數(shù)。

2)根據(jù)文獻(xiàn) [7] 可以更準(zhǔn)確地計(jì)算太陽(yáng)赤緯角。公式：

(2)

式中,δ單位為弧度，pi=3.1415926為圓周率；b=2*pi(N-1)/365，單位是弧度，N為日數(shù)，自每年1月1日開(kāi)始計(jì)。

使用GPS獲取當(dāng)前觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度與時(shí)間等信息，以及通過(guò)公式(1)和(2)所得到的太陽(yáng)時(shí)角和太陽(yáng)赤緯角。太陽(yáng)所在天球的位置由地平坐標(biāo)系中的h和A決定。

1)太陽(yáng)高度角h的計(jì)算公式：

h=

(3)

式中,δ為太陽(yáng)赤緯角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥冉?；ω為太?yáng)時(shí)角/弧度。

2)太陽(yáng)的方位角A的計(jì)算公式：

(4)

式中,h為太陽(yáng)高度角/弧度；δ為太陽(yáng)赤緯角；φ為當(dāng)?shù)氐木暥冉恰?/p>

3 跟蹤控制方案的設(shè)計(jì)

3.1 確定跟蹤方案

用于視日運(yùn)動(dòng)軌跡方法的兩種常見(jiàn)跟蹤運(yùn)動(dòng)控制方法包括：連續(xù)跟蹤和間歇跟蹤[8]。其中，當(dāng)連續(xù)跟蹤時(shí)，因?yàn)榈厍蜃陨眍愃魄鷻E圓，所以太陽(yáng)的高度角與方位角在發(fā)生變化時(shí)[9]是不均勻的而且還隨日期而變化。此外，機(jī)械裝置的連續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)即消耗大量的電能，不能達(dá)到實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用的目的。因此，系統(tǒng)采用間歇跟蹤方法。通過(guò)給定時(shí)間間隔的方式來(lái)達(dá)到調(diào)整太陽(yáng)能板的目的，并且調(diào)整的角度必須是由太陽(yáng)能電池板的雙角度調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度與雙跟蹤誤差值的角度一致。在時(shí)間間隔之內(nèi)，太陽(yáng)能板所在當(dāng)前機(jī)構(gòu)的位置固定不變。間歇跟蹤方法使系統(tǒng)控制更加方便，不僅降低了跟蹤裝置的動(dòng)作頻率減少電能的能耗，而且還延長(zhǎng)了它的使用壽命。

3.2 建立跟蹤運(yùn)動(dòng)方程式模型

根據(jù)上述所確定的間歇跟蹤法，建立跟蹤運(yùn)動(dòng)方程式，假設(shè)當(dāng)前所在位置的時(shí)間為t1，設(shè)此時(shí)太陽(yáng)能電池板的當(dāng)前傾角值為h1和旋轉(zhuǎn)角度為A1；當(dāng)達(dá)到時(shí)間間隔t2時(shí)，將當(dāng)前太陽(yáng)的高度角設(shè)為h2和方位角設(shè)為A2。根據(jù)間歇跟蹤法設(shè)跟蹤高度角誤差變化量為Δh，以及相對(duì)應(yīng)的高度電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度記為Δθ1；設(shè)跟蹤方位角誤差變化量為ΔA，以及相對(duì)應(yīng)的方位電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度記為Δθ2。并且通過(guò)跟蹤誤差的正負(fù)來(lái)確定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)(順逆方向轉(zhuǎn))。當(dāng)Δθ為負(fù)值時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)(逆轉(zhuǎn))；當(dāng)Δθ為正值時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)(順轉(zhuǎn))。

函數(shù)關(guān)系如下：

(5)

(6)

系統(tǒng)開(kāi)啟后，根據(jù)間歇跟蹤法利用(5)和(6)公式計(jì)算當(dāng)前跟蹤誤差，通過(guò)相應(yīng)的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)調(diào)整太陽(yáng)能電池板的姿態(tài)。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通常系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)。

4.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GPS是一種地理位置和時(shí)間的高精確定位系統(tǒng)，適用于陸地，海洋和航空航天工業(yè)中的各種應(yīng)用。因此將GPS定位原理應(yīng)用到太陽(yáng)跟蹤領(lǐng)域是很有必要性。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接口原理

太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)是一個(gè)完整的軟硬結(jié)合系統(tǒng)，基于以微控制器為主，其輔助控制包括GPS定位傳感器、MCGSE觸摸屏、方位/傾角傳感器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。如圖4所示硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架圖

通電系統(tǒng)開(kāi)始工作，采集的各種信號(hào)(當(dāng)前GPS參數(shù)和太陽(yáng)能板的旋轉(zhuǎn)角和仰角等)計(jì)算跟蹤誤差，電脈沖信號(hào)由STM32單片機(jī)輸出，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并且通過(guò)高度/方位傳感器將電池板的當(dāng)前角度反饋到主控制器。以及通過(guò)觸摸屏的人機(jī)交互界面，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控太陽(yáng)的高度角和方位角以及GPS顯示的經(jīng)緯度，以確定系統(tǒng)是否處于良好的工作狀態(tài)。

4.2 硬件電路設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)中，采用STM32F407單片機(jī)為主控機(jī)核心系統(tǒng)，通過(guò)信息采集模塊，電源模塊和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制模塊等來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)。

1)信息采集模塊電路設(shè)計(jì)：

由于主控制器接口與信息采集模塊(傾角傳感器、陀螺儀傳感器等)之間的串口電氣特性不同，因此需要使用RS485半雙工收發(fā)器進(jìn)行通信。本系統(tǒng)以RSM485HL芯片為主來(lái)實(shí)現(xiàn)RS485收發(fā)器的功能，以此進(jìn)行它們之間的電平轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信。并且其中一些開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出，需要通過(guò)TLP291-4光電耦合芯片實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到相應(yīng)參數(shù)的轉(zhuǎn)換。如圖5所示。

圖5 RS485收發(fā)器接口原理圖

2)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)：

通過(guò)本系統(tǒng)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的變化。系統(tǒng)以光電耦合芯片TLP291-4為主來(lái)連接兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并且通過(guò)驅(qū)動(dòng)器連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板的位置調(diào)整。如圖6所示原理圖接口。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

跟蹤裝置和控制系統(tǒng)上電，主程序系統(tǒng)開(kāi)始初始化(CPU，RTC，ADC，看門狗等)，先用延時(shí)，等待其他電路的啟動(dòng)。之后首先得到的信息是由GPS定位獲得當(dāng)前裝置所在地點(diǎn)的經(jīng)緯度和時(shí)間，然后通過(guò)視日運(yùn)動(dòng)軌跡法計(jì)算出此時(shí)太陽(yáng)的高度角和方位角。緊接著判斷當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的高度角是否大于等于0，如果是則此時(shí)太陽(yáng)能電池板回到初始位置并結(jié)束工作運(yùn)轉(zhuǎn)。如果不是則此時(shí)是由角度傳感器獲得當(dāng)前太陽(yáng)能板的傾角和旋轉(zhuǎn)角，并且把信息通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器反饋到主控制器上。兩者并運(yùn)用間歇跟蹤法計(jì)算跟蹤誤差值，把獲得的跟蹤誤差值通過(guò)主控制器的A/D賦值相應(yīng)發(fā)生電脈沖信號(hào)并計(jì)數(shù)，隨機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)安裝在太陽(yáng)能板上的方位角電機(jī)和高度角電機(jī)，將太陽(yáng)能板調(diào)整到相應(yīng)的角位置。然后使用定時(shí)器判斷是否已經(jīng)達(dá)到時(shí)間間隔所需時(shí)間，如果沒(méi)有達(dá)到則繼續(xù)等待，如果達(dá)到時(shí)間間隔則更新當(dāng)前時(shí)間并且計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的高度角和方位角，然后接著判斷太陽(yáng)的高度角是否小于等于0，接著執(zhí)行循環(huán)指令。流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

6 外部控制線路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的外部連接，以及達(dá)到整個(gè)設(shè)計(jì)方案的控制，因此，外部控制電路設(shè)計(jì)對(duì)于保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行至關(guān)重要，如圖8所示無(wú)過(guò)載保護(hù)的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的控制電路。

圖8 外部控制電路接線簡(jiǎn)圖

1)回路送電操作：

合上主回路中的斷路器QF；合上主回路熔斷器FU1；合上控制回路熔斷器FU2。

2)工作原理：

由太陽(yáng)能電池板吸收的太陽(yáng)光線被轉(zhuǎn)換成電能，電能通過(guò)充電控制器存儲(chǔ)在電池中。在電源L1相位使用熔斷器FU2對(duì)控制回路起到電流保護(hù)的作用，首先通過(guò)逆變器TC進(jìn)行變壓，從而為其他所需用電的設(shè)備裝置提供相應(yīng)的電壓；然后按下啟動(dòng)按鈕SB2以關(guān)閉觸點(diǎn)使其閉合，并且在KM線圈的兩端形成24 V的工作電壓，主電路中的接觸器KM線圈主觸頭閉合，實(shí)現(xiàn)主控制操作，與此同時(shí)KM線圈自鎖，此時(shí)不論啟動(dòng)按鈕SB2是否閉合都不會(huì)影響控制回路的正常工作。在主回路控制回路熔斷器FU2后安裝了一個(gè)常閉按鈕SB1，這樣就可以在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)如果發(fā)生異?，F(xiàn)象，此時(shí)我們應(yīng)該立即按下總停止按鈕SB1，控制回路中的KM線圈斷電，自鎖KM線圈斷電，同時(shí)主控制回路的KM線圈也斷電，則主控制器停止工作[10]即是控制太陽(yáng)能跟蹤設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

7 系統(tǒng)調(diào)試

PC機(jī)軟件調(diào)試主要與串口調(diào)試助手結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試[11]。①選擇連接串口號(hào)COM2；②選擇通信地址2是PC機(jī)和控制器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，其中控制器的通信地址，同一總線上不能重復(fù)；③將控制器切換到調(diào)試模式(所有的參數(shù)修改都必須在調(diào)試模式下進(jìn)行，否則控制器會(huì)拒絕修改)；④切換完成后，單擊連續(xù)采集，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并注意運(yùn)行模式切換是否成功；⑤停止采集，讀取配置(每次修改配置前，都請(qǐng)讀取配置，以免修改到不必要修改的參數(shù))；⑥修改參數(shù)到實(shí)際需要，單擊修改配置按鈕，以下載配置數(shù)據(jù)到控制器。如圖9所示串口調(diào)試窗口。

圖9 串口調(diào)試

通過(guò)上述串口調(diào)試窗口的一系列調(diào)試分析，能夠根據(jù)地理信息與授時(shí)的選配同步實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)刻的太陽(yáng)位置以及太陽(yáng)能板的雙旋轉(zhuǎn)角的確定，并且結(jié)合參數(shù)設(shè)定在不同的環(huán)境下進(jìn)行修正參數(shù)，使通過(guò)間歇跟蹤方法得到跟蹤偏差值更為準(zhǔn)確。

8 總結(jié)

基于提高太陽(yáng)能利用率的考慮，通過(guò)地平坐標(biāo)系建立太陽(yáng)與觀測(cè)點(diǎn)(太陽(yáng)能板位置)之間的相對(duì)位置關(guān)系，以及利用GPS的定位原理，最終可以準(zhǔn)確定位太陽(yáng)在不同地點(diǎn)和時(shí)間時(shí)的位置。并且通過(guò)間歇跟蹤法計(jì)算角度的跟蹤誤差即可通過(guò)主控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度達(dá)到自動(dòng)跟蹤。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即使在天氣變化比較復(fù)雜的情況下該裝置也能正常工作，并且通過(guò)串口調(diào)試助手進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試分析，證明設(shè)計(jì)的可行性。以及在未來(lái)的應(yīng)用當(dāng)中，使太陽(yáng)能跟蹤裝置的自動(dòng)化程度將會(huì)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠。