《电子技术应用》

高精度太阳追踪系统研究与实现

2016年电子技术应用第8期 作者:黄杭昌1,俞 磊2,唐晓晟2,姜曦轮2
2016/11/30 11:05:00

  黄杭昌1,俞  磊2,唐晓晟2,姜曦轮2

  (1.福建鑫叶投资管理集团有限公司,福建 厦门361022;2.北京邮电大学,北京100876)

  摘  要: 太阳追踪系统通过对太阳位置进行定位并进行实时追踪,在新能源行业得到了广泛应用。利用传感器实现了一种高精度太阳追踪系统,该系统用GPS对太阳位置进行粗定位,再通过基于小孔的PSD传感器对太阳进行精细的自动追踪。系统对传感器做了优化设计,保证了追踪精度;采用粗定位与精度结合的方式,对追踪算法做了优化设计,从而提高了追踪速度。

  关键词: 高精度;太阳追踪;GPS;PSD传感器;控制算法

0 引言

  太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源,近年来在发电、照明等行业已被广泛应用,尤其在电力、烟草、文教等领域。其中,太阳追踪系统是太阳能应用中的重要组件。但传统的追踪系统一般适用于1 000倍以下的聚光系统,而在自然光导入照明的新兴领域,往往需要2 000倍以上的聚光倍数,现在的追踪系统在精度等方面难以满足要求。因此,实现高精度的太阳自动追踪显得尤其重要。

  当前关于太阳自动追踪主要有两种方法:一是基于太阳的运动轨迹追踪,二是基于光学传感器的追踪。本文针对以上两种方法的缺陷,将天文算法、GPS与基于小孔的PSD传感器相结合,利用加速度传感器和双轴步进电机实时调整追踪姿态[1],实现了对太阳的高精度自动追踪。

1 系统设计

  1.1 光学要求及设计

  本文选取太阳光光纤照明应用设计追踪系统。该类系统的聚光比达到2 000倍以上,远远高于其他聚光应用的倍数(比如太阳光聚光发电的500~1 000倍),对于精度的要求要远远高于传统的系统要求。

  因此,首先需要根据实际应用的光学系统计算出追踪系统所需要达到的精度要求。图1是光学系统的光学结构图。假设太阳光是平行光,经过菲涅尔透镜后聚焦到光纤表面,其聚焦倍数达到2 400倍。图2表示了当入射角度偏离菲涅尔透镜的光学主轴后,光纤所采集的能量损失情况。由图可见,当偏离角度达到0.05°时,能量损失约为10%,达到0.1°时,能量损失将达到约25%,为了尽可能提高太阳光的收集效率,并且尽可能降低追踪频率带来的功耗,综合取优后选取±0.05°作为本系统的设计精度。考虑到太阳平均每240 s将产生大约1°的角度偏转,所以将追踪频率设定在12 s。

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图1  光学系统的光学结构图

图像 002.png

图2  光纤对准效率随菲涅尔透镜入射偏角变化曲线

  1.2 PSD传感器设计

  1.2.1 PSD传感器

  本系统用的二维PSD位置传感器具有很高的精度和灵敏度,分辨率达到1QQ图片20161130111530.jpg,即1QQ图片20161130111530.jpg的光照点位移即可感知。系统采用的金属屏蔽罩长度为80 mm,式(1)中a表示位移分辨率:

  QQ图片20161130111350.png

  可以算出,位移分辨率为1QQ图片20161130111530.jpg情况下,太阳偏移角度分辨率约为0.001°。本系统选取0.05°作为更新误差阈值,其对应的位移约为44 QQ图片20161130111530.jpg,则传感器完全可以满足该精度。PSD传感器为4路信号输出,传感器套在具有小孔的长方体金属屏蔽罩里[2]。其结构示意图如图3所示。

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图3  PSD传感器结构示意图

  1.2.2 PSD信号处理电路板

  PSD传感器的信号处理电路板如图4所示。电路中,PSD传感器输入的电流信号(PSD0~PSD3)接运放的反向输入端,并通过运放转换成输出的电压信号(AD0~AD3),直接接入控制芯片的AD引脚。

图像 004.png

图4  PSD信号处理电路板示意图

  1.3 控制电路设计

  本控制电路总体结构如图5所示。主控芯片采用TI公司的DSP芯片,其通过串口接收GPS模块传来的数据,通过AD口读取PSD传感器检测到的太阳光信号,对这些数据信号进行处理和分析后控制步进电机的转动,并用加速度传感器不断调整转向和姿态,同时将当前转向和姿态的数据定时写入E2PROM[3]。

图像 005.png

图5  控制电路总体结构图

2 控制及算法

  2.1 控制程序组成

  系统的控制程序主要由主程序、中断程序以及若干子程序组成。主程序在读取完系统配置信息后由一个大的循环语句组成,该循环主要读取并解析当前GPS信号、读取加速度传感器信号、写入数据到E2PROM以及系统状态的逻辑控制。中断程序主要用于读取PSD数据、系统状态标志位的变换以及电机驱动控制。若干子程序包括各类传感器模块的驱动子程序以及一些算法子程序,其中算法包括天文解析算法、PID控制以及CRC校验等[4]。

  2.2 系统控制流程

  系统的控制流程图如图6所示。左右两侧各为系统的两个状态流程[5]。

图像 007.png

图6  系统控制流程图

  系统启动并初始化配置,从E2PROM中读取当前水平角度信息以及PSD传感器基准值信息;接下来读取GPS信号并解析,通过天文算法算出当前太阳的高度角以及相对南方的偏角;之后开始驱动垂直步进电机定位好高度角,驱动水平步进电机定位好水平角,直到追踪到预期位置完成粗粒度定位。

  系统在定位追踪的过程中会不断地读取PSD传感器的数值,若某一次读到的数值处于精调范围,则系统立即进入精粒度追踪模式[6],执行精粒度调整子程序。

  若左右扫描过程中没有进入精粒度调整范围,则系统开始进入粗粒度追踪模式,该模式主要由GPS算出太阳当前高度角和方位角,然后系统执行粗粒度定位。大约每四分钟会定位一次,直到进入精调范围则执行精粒度追踪。若粗粒度追踪时间大于预设阈值,则程序回到左右扫描的过程继续执行。

  在主程序不断循环过程中,系统也是间隔地读取GPS信号,若检测到当前时间处于系统下班时间,则系统会立即执行下班复位程序。系统下班后,进入低功耗运行模式,并定期读取当前时间信息[7]。若检测到当前处于上班时间,系统会从低功耗模式恢复并从主程序开始处继续执行。

3 结果及讨论

  本文实现了一套太阳追踪系统,并对其运行情况以及采集出来的数据进行观察和分析。

  3.1 精粒度追踪效果

  系统的PSD传感器采用了小孔成像的方式来感应太阳,所以其感应灵敏度和追踪精度是很高的。首先观察精粒度追踪下输出光功率随着时间变化的情况,如图7所示。选取精粒度追踪下一段时间内输出的光通量平均值作为100%的基准值,其他数值与该值的比值作为纵坐标读数。可以看出精粒度追踪下输出的光功率波动幅度始终保持在1.0%以内,输出非常稳定。

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图7  精粒度追踪下输出光功率变化图

  3.2粗粒度追踪效果

  系统前期通过GPS数据进行太阳轨迹的粗粒度追踪误差相对是比较大的。本文通过实验记录了系统完全在粗粒度追踪下的室内光强数据,并与精粒度追踪下室内光强数据进行对比,如图8所示。可以看出,一天之内,粗粒度追踪的光照读数的连线轨迹效果整体与精粒度追踪曲线保持一致,并保持大约340流明的光照强度差值。误差的一致性说明天文解析算法的可靠性,所以利用GPS进行太阳轨迹的粗粒度定位可以迅速的找到太阳大致位置。

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图8  粗粒度追踪室内光强数据对比图

  3.3 综合运行效果

  通过对系统运行六个月以来的观察发现,系统主要耗时集中在粗粒度定位、扫描以及粗粒度调整中。系统结合GPS进行粗粒度定位能够以最快的速度定位到太阳大致方位,再结合PSD传感器进行细粒度定位便能准确地追踪太阳。

4 结论

  本文设计和制作了高精度太阳追踪系统。系统在追踪速度和精准度方面做了很多优化,采用小孔成像方式提高了精准度,另外用GPS进行粗粒度定位也加快了系统的追踪速度。本系统经实验测定,完全满足2 400倍聚光的要求[8],可广泛应用于太阳能相关领域。

  参考文献

  [1] Li Zhimin,Liu Xinyue,Tang Runsheng.Optical performance of vertical single-axis tracked solar panels[J].Renewable Energy,2011,36(1):64-68.

  [2] LYNCH W A,SALAMEH Z M.Simple electro-optically controlled dual-axis sun tracker[J].Solar Energy,1990,45(2):65-69.

  [3] MOUSAZADEH H,KEYHANI A,JAVADI A,et al.A review of principle and sun-tracking methods for maximizing solar systems output[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,13(8):1800-1818.

  [4] REDA I,ANDREAS A.Solar position algorithm for solar radiation applications[J].Solar Energy,2004,76(5):577-589.

  [5] LIU B,JORDAN R.Daily insolation on surfaces tilted towards equator[J].ASHRAE J(United States),1961,10:53.

  [6] 邹建,姬兴,杜海涛.一种新型的太阳自动跟踪系统研究[J].光电子技术,2010,30(3):159-163.

  [7] Clifford Eastwood.Design of a novel passive solar tracker[J].Solar,2004,77(3):269-280.

  [8] Henrik Lund.Renewable strategy for sustainable development[J].Energy,2007,66(2):919.

  


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