基于太陽(yáng)能聚光照明跟蹤系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

齊學(xué)紅

摘? 要：研究了聚光照明跟蹤系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向裝置，分析了隔板式光敏三極管組成光電跟蹤系統(tǒng)和L298模塊驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置;設(shè)計(jì)了跟蹤器的控制電路，采用加減法電路比較相對(duì)方向信號(hào)，由比較器獲得太陽(yáng)方位信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)控制機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位和陰晴天的精確判定。對(duì)系統(tǒng)的跟蹤精度和效果進(jìn)行了測(cè)試，滿足室內(nèi)照明要求。

關(guān)鍵詞：聚光照明;光電跟蹤;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP29? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）26-0037-02

Abstract： The spotlight illumination tracking system and steering device is studied， and the photoelectric tracking system composed of a baffle-type photosensitive triode and the rotating device driven by the L298 module is analyzed. The solar azimuth signal is obtained by the comparator， and the mechanical steering device is controlled by the single-chip microcomputer to realize accurate determination of the solar azimuth and cloudy and sunny days. The tracking accuracy and effect of the system is tested， meets the requirements of indoor lighting.

Keywords： spotlighting; photoelectric tracking; control system

太陽(yáng)能資源具有豐富性、普遍性、清潔性、經(jīng)濟(jì)性、健康性等優(yōu)點(diǎn)，太陽(yáng)能的開發(fā)利用日益成為新能源的開發(fā)研究的熱點(diǎn)[1]。太陽(yáng)能可以緩解能源危機(jī)，但因存在不足而限制推廣[2-3]。光伏聚光照明可將太陽(yáng)光面積壓縮，提高光能量密度，提高效率。光輻照度是光伏聚光照明關(guān)鍵技術(shù)，論文分析隔板式光敏管組成的跟蹤系統(tǒng)及轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向以提高光照度。

1 太陽(yáng)聚光照明系統(tǒng)

系統(tǒng)由跟蹤系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)、傳輸光纖和照明裝置等組成。跟蹤系統(tǒng)包括太陽(yáng)方位跟蹤器、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和控制電路，跟蹤系統(tǒng)探測(cè)太陽(yáng)方位，方位信息經(jīng)處理后，驅(qū)動(dòng)照明裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光始終垂直入射光學(xué)透鏡，光學(xué)透鏡將太陽(yáng)光匯聚于焦點(diǎn)，再耦合進(jìn)光纖，由光纖傳輸至室內(nèi)照明。

2 光電跟蹤原理及探測(cè)器選擇

2.1 隔板遮擋式光電跟蹤原理

光電轉(zhuǎn)換輸出電流或電壓與光強(qiáng)關(guān)系，單位面元ds上的光通量為d？椎，則面元上光照度E為：E=d？準(zhǔn)/dS。由立體角定義得到：d？贅=cos？琢·ds/r2。單位面元ds上的光通量為：d？椎=I·d？贅。面積ds上的光照度為：E=I·cos？琢/r2?？梢婞c(diǎn)光源照射平面，光照度與發(fā)光強(qiáng)度成正比，與光源到平面的距離平方呈反比，并和光線與平面的夾角余弦呈正比;垂直照射時(shí)光照度最大，水平照射時(shí)光照度為零。

2.2 光電探測(cè)器和放置方式

光電跟蹤器由光敏電阻，光敏二極管，光敏三極管，硅光電池等組成，光敏電阻受溫度影響大，探測(cè)誤差大;硅光電池本質(zhì)上是太陽(yáng)能電池;光敏二級(jí)管的光電流與光照度成正比，光敏三極管具有電流放大作用（β倍），適合于低光照度環(huán)境。探測(cè)器放置方式有隔板式、金字塔式、光筒式三種。本設(shè)計(jì)選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的隔板式光敏三極管探測(cè)器，將探測(cè)器置于一個(gè)平面內(nèi)且被隔板隔開，當(dāng)陽(yáng)光照射時(shí)由于隔板的存在使隔板兩側(cè)的探測(cè)器受到的光照度大小不等，形成電壓，根據(jù)電壓大小即可判斷太陽(yáng)方位。長(zhǎng)方體的4個(gè)側(cè)面光敏管探測(cè)太陽(yáng)方位，頂部光敏管探測(cè)陰晴天。

3 跟蹤系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

太陽(yáng)方位跟蹤器的外形設(shè)計(jì)、光電探測(cè)器的選擇和放置方式?jīng)Q定了跟蹤的精度。光敏管采集光照度，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后到比較整形電路，數(shù)字化后傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的精確跟蹤，如圖1所示。

3.1 跟蹤信號(hào)采樣電路[4]

選用光敏傳感器XD/GB3-A1DPS，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到一定程度，光敏管導(dǎo)通，C、E電壓降低，輸出電壓升高，輸出至電壓跟隨器，獲得采樣電壓。

3.2 方向信號(hào)處理電路

隔板探測(cè)器四個(gè)方向光敏管輸出采樣電壓，頂部電壓獲取太陽(yáng)方位，南北方向和東西方向電壓進(jìn)行比較。將比較電壓送入運(yùn)放構(gòu)成的加減法器處理，輸出東西方向采樣信號(hào)，同理設(shè)計(jì)獲得其他方向采樣信號(hào)。

3.3 方向判定電路

東西方向處理電路輸出模擬信號(hào)，通過(guò)比較電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，南北方向判斷原理相同，結(jié)論見表1。

3.4 陰晴判定電路

光伏聚光照明系統(tǒng)在陽(yáng)光充足時(shí)工作，陰天和晚上應(yīng)休眠節(jié)約電能。

3.5 單片機(jī)控制電路[5]

系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度要求不高，選擇普通的AT89S52單片機(jī)。在此基礎(chǔ)上與采樣電路、方位電路、比較器、陰晴判定電路、電源電路構(gòu)成控制電路。

4 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備

4.1 L298驅(qū)動(dòng)模塊[6]

L298N驅(qū)動(dòng)芯片15腳封裝，內(nèi)部4路電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出，二個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。單片機(jī)通過(guò)I/O接口與模塊相連，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。

4.2 電機(jī)及減速傳動(dòng)

直流電機(jī)具有調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。但是轉(zhuǎn)速太快，不適合太陽(yáng)跟蹤，采用蝸輪蝸桿作為電機(jī)減速傳動(dòng)裝置，設(shè)計(jì)采用90°角垂直咬合傳動(dòng)，由蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.3 運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)

運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)用于固定、支撐、轉(zhuǎn)動(dòng)、安放其他部件的裝置，底部鐵塊基座固定整個(gè)裝置，鐵管置于底座起支撐作用。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)鐵桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)垂直方向跟蹤;垂直方向點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)帶著齒輪，齒輪帶動(dòng)鐵桿，實(shí)現(xiàn)水平方向跟蹤。

5 控制軟件設(shè)計(jì)

采用C語(yǔ)言編寫程序，對(duì)管腳和參數(shù)初始化，判斷陰晴天，如果為陰天，等待一段時(shí)間再次判定;判斷為晴天，根據(jù)比較器的輸出值判斷跟蹤系統(tǒng)是否已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，如果判斷為對(duì)準(zhǔn)，則等待一段時(shí)間后重復(fù)上述過(guò)程;如果判斷為未對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，則判斷水平電機(jī)是否對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，未對(duì)準(zhǔn)則水平電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后;再判斷垂直電機(jī)是否對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，未對(duì)準(zhǔn)則垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成上述動(dòng)作后等待1s后再重復(fù)上述過(guò)程[5]，軟件的流程如圖2所示。

6 跟蹤精度測(cè)試分析

采用光電跟蹤，具有實(shí)時(shí)性，當(dāng)太陽(yáng)光強(qiáng)度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，控制電路啟動(dòng)太陽(yáng)方位跟蹤。比較器輸出電壓控制機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)裝置，直到對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，跟蹤精度取決于跟蹤器。設(shè)計(jì)采用L298N 控制蝸輪蝸桿直流電機(jī)的跟蹤方案，將菲涅爾透鏡安裝在固定框內(nèi)，跟蹤器放置于固定框一端，并保持跟蹤器側(cè)面的四個(gè)光敏管與固定框在同一平面，將坐標(biāo)紙置于固定框底部，坐標(biāo)原點(diǎn)置于光斑理論焦點(diǎn)。裝置在太陽(yáng)照度理想的狀態(tài)下測(cè)試，啟動(dòng)電源對(duì)太陽(yáng)跟蹤，穩(wěn)定后記錄坐標(biāo)紙上聚焦光斑中心的位置，連續(xù)記錄，得到如圖3所示的焦點(diǎn)光斑中心位置分布圖。測(cè)試表明，跟蹤精度小于1.0°，誤差不大于0.8°，最小精度達(dá)到0.4om，最佳出光效率為0.84。經(jīng)過(guò)分析，在陰天測(cè)量時(shí)，調(diào)節(jié)可變電阻器，改變參考電壓以提高測(cè)量精度。

7 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)方位跟蹤器、控制電路、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置等硬件和軟件設(shè)計(jì)。能模擬陰晴天跟蹤，分析比較器參考電壓的取值;測(cè)試精度小于1.0°，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。

參考文獻(xiàn)：

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