基于单片机的新型太阳能双轴跟踪装置设计

牟如强，李　乐

(1.成都理工大学工程技术学院，四川 乐山　614000；2.国网乐山供电公司，四川 乐山　614000)

0　引言

太阳能跟踪装置经历了固定式跟踪，单轴跟踪，双轴跟踪三个阶段。近年来，太阳能跟踪装置以双轴跟踪为主。2007年，SREEKUMAR M[1]设计了一种双轴跟踪装置，该装置的跟踪系统包括开环视日运行轨迹系统和一个动态反馈跟踪系统。2008年，H. M. Chitre[2]设计了一种采用菲涅尔透镜的双轴太阳能跟踪装置。2011年，丛明等[3]设计了一种基于PLC伺服控制的太阳能电池组件搬运机械手。 2012年，朱俊昊等[4]设计了一种可以提高发电效率的太阳能自动跟踪装置，并设计了相应的控制系统。同年，魏浩然等[5]设计了一种小型被动式双轴太阳能跟踪装置，实现了双轴太阳能自动跟踪功能。2013年，王国龙等[6]设计了采用视日轨迹跟踪方法的双轴跟踪装置，在一定程度上提高了太阳能的利用率。2015年，罗海玉等[7]设计了一种并联太阳能跟踪机构，采用位置逆解的方法来提高跟踪机构的跟踪精度。同年，余蓓敏[8]设计了一种太阳能跟踪控制器，采用四点式双轴光电跟踪与数据库跟踪相混合的跟踪技术。2014年，高森等[9]提出了一种基于距离加权的机器人运动目标跟踪方法，2015年，孙同同等[10]提出一种基于机器视觉技术的机器人跟踪方法，2016年，姜道伟等[11]提出一种基于图像技术与粒子滤波融合算法的机器人多目标跟踪方法，以上三种跟踪方法为太阳能跟踪提供了一定的理论依据。2017年，杨军等[12]设计了一种并联三自由度太阳能跟踪平台，该平台将太阳高度角和方位角的变化分解为三个独立的直线位移,从而实现视日运动轨迹跟踪。同年，范茜等[13]设计的太阳能跟踪系统该采用水平和垂直两个线阵CCD传感器对太阳运动轨迹进行精跟踪,利用GPS信息对太阳运动轨迹进行粗跟踪。该系统跟踪误差在0.04以内。

尽管已经出现了各种各样的太阳能双轴跟踪装置，但现有的双轴跟踪装置的太阳能利用率仍然达不到人们的预期目标，因此设计一种新型高效率的太阳能跟踪装置意义重大。

1　跟踪方法的确定

光电跟踪和视日轨迹跟踪是目前常用的两种太阳能跟踪方法，前者是闭环跟踪，后者是开环跟踪，两种跟踪方法各有优劣，其使用场合也各有不同。

1.1　光电跟踪

光电跟踪是光传感器把接收到的太阳光，根据光照强度的不同转换成不同大小的电流或者电压信号，然后把该电流或者电压信号送到控制电路。当太阳的位置发生了变化，控制电路就会产生对应的偏差信号，偏差信号经过放大后送到主控制器，主控制器经过信号的内部处理，处理后的信号驱动跟踪装置的高度轴和方位轴来完成相应的旋转运动。

1.2　视日轨迹跟踪

视日轨迹跟踪是根据太阳相对于地球位置的变化情况，通过计算得到太阳的位置变化函数，太阳能跟踪装置采用该函数，从而实现太阳位置的跟踪。

1.3　双轴混合跟踪

光电跟踪的优点在于其跟踪精度较高，同时安装误差对其影响较小。其缺点在于当天气变化时，光电跟踪容易出现误动作，并且光电跟踪需要实时跟踪，因此耗电量较大。视日轨迹跟踪具有耗电量小和不随天气的变化而产生跟踪误差等优点。但是安装误差和跟踪算法对跟踪装置的准确性影响较大。因此考虑到安装误差、天气变化、跟踪精度等影响因素，最后决定利用光电跟踪和视日轨迹跟踪的优点，采用双轴混合跟踪方法。该混合跟踪方法同时作用于太阳高度角和方位角的跟踪。其工作原理是每隔一段时间，控制系统自动检测出当前的太阳光照强度值，然后自动选择跟踪模式，从而完成太阳高度角和方位角的准确跟踪，见图1。

图1　双轴混合跟踪原理图

2　跟踪装置设计

2.1　结构设计

图2　跟踪装置三维模型

图2是太阳能双轴跟踪装置三维模型。从图2中可以看出，本文所设计的双轴跟踪装置主要由太阳能方位角旋转机构和高度角旋转机构组成。太阳能方位角旋转机构和高度角旋转机构主要由蜗杆、蜗轮、传动轴、传动轴安装板、支撑座安装板、安装座、轴承和太阳能电池板等元件组成。

图3是双轴跟踪装置方位角和高度角旋转机构传动简图。

图3　双轴蜗轮蜗杆传动简图

从图中可以看出，方位角和高度角旋转机构均采用可以自锁的蜗杆蜗轮传动，其区别在于，方位角旋转机构中的蜗杆水平安装，蜗轮竖直安装，高度角旋转机构中的蜗杆、蜗轮均水平安装。为了避免蜗杆、蜗轮轴向窜动带来传动误差，两对蜗杆、蜗轮均采用紧定螺钉来实现蜗杆、蜗轮的轴向定位，从而保证了蜗杆蜗轮的传动精度。

2.2　控制系统硬件电路设计

如图4所示，太阳能跟踪装置控制系统硬件电路主要有光信号处理电路，数据显示电路，AD转换电路，时钟电路，步进电机驱动电路，存储电路，电流检测电路和电压检测电路。

图4　控制系统硬件电路总成图

2.3　程序设计

图5　主程序流程图

如图5所示，当跟踪装置和控制系统上电后，主程序开始工作，完成程序的初始化，太阳能电池板回到初始位置。然后系统判断太阳是否升起，如果太阳没有升起，则太阳能电池板停留在初始位置；如果太阳已经升起，则太阳光照强度检测程序工作，并判断当前太阳光照强度是否大于设定的阈值(400lx)，如果光照强度大于设定阈值，系统会智能切换到光电跟踪模式完成跟踪，过一段时间后，系统会判断太阳能电池板当前的角度与太阳当前的角度之间是否存在误差，如果存在误差，系统则返回至太阳光照强度检测程序，重新进行后续程序，如果没有误差则重新判断太阳是否升起，如果没有升起，太阳能电池板回到初始位置；如果升起，则返回太阳光照强度检测程序。如果光照强度小于设定阈值，系统智能切换到视日轨迹跟踪模式完成跟踪，并在过一段时间后会判断太阳是否升起，如果没有升起，太阳能电池板回到初始位置；如果升起，则返回太阳光照强度检测程序。整个主程序按照以上流程循环进行。

3　实验及结果分析

3.1　实验方案

选择成都某学校作为实验场地，在2015年8月5号上午6:00到下午6:00之间进行实验。为了获得双轴跟踪和固定式跟踪装置的太阳能利用率，本实验使用两个太阳能跟踪装置进行实验，其中一个跟踪装置的太阳能电池板位置固定，另外一个跟踪装置的太阳能电池板可以进行方位角和高度角调节，即如图6所示的太阳能双轴跟踪装置。实验过程中，记录所有的实验数据。如图7～图9所示。

3.2　实验结果分析

如图7所示，双轴跟踪装置太阳能电池板输出电压大于固定式跟踪装置太阳能电池板输出电压，并且随着时间的推移，两种方式下的输出电压值均呈现出先逐渐变大然后慢慢变小的变化规律。双轴跟踪装置太阳能电池板输出电压在16.75V～17.79V之间，最大输出电压出现在13:10；固定式跟踪装置太阳能电池板输出电压在16.17V～16.97V之间，其最大输出电压也出现在13:10左右。

如图8所示，双轴跟踪装置和固定式跟踪装置太阳能电池板在同一时间输出的电流值大小相差很大，前者输出的电流值约等于后者的1.13倍。两种方式下输出的电流值都呈现出先缓慢变大然后逐渐变小的变化规律。前者输出的电流值在0.06A到 0.28A之间，后者输出的电流值在0.06A到0.25A之间，两种方式下的最大电流均出现在13:10左右，与出现最大电压的时间相同。

图6　太阳能双轴跟踪装置实物图　　　　　图7　太阳能电池板输出电压

图8　太阳能电池板输出电流　　　　图9　太阳能电池板输出功率

如图9所示，双轴跟踪装置和固定式跟踪装置太阳能电池板输出功率明显不同，前者的输出功率约等于后者的1.16倍，两种方式下的输出功率变化规律与输出的电压、电流变化规律相同，都是先逐渐变大，然后慢慢变小。前者的输出功率在1.02W～4.98W之间，后者的输出功率在0.93W～4.29W。

综上所述，双轴太阳能跟踪装置可以有效提高太阳能电池板的输出电压、输出电流和输出功率。换言之，相比固定式太阳能跟踪装置，本文设计的双轴太阳能跟踪装置可以有效提高太阳能使用率。

4　结论

首先根据现有的太阳能跟踪方法，提出了用于太阳方位角和高度角跟踪的光电跟踪和视日轨迹跟踪相结合的双轴混合跟踪方法。然后对太阳能双轴跟踪装置进行了结构设计，选择了具有自锁功能的蜗杆蜗轮机构作为跟踪装置方位角和高度角调节执行机构，同时完成了控制系统硬件电路和驱动程序的设计。最后做出了太阳能双轴跟踪装置模型，并对模型进行了实验。实验结果表明本文所设计的双轴跟踪装置相比固定式太阳能跟踪装置可以有效提高太阳能使用率，该跟踪装置可以广泛应用于太阳能产品。

[参考文献]

[1] SREEKUMAR M, NAGARAJAN T, MOLFINO R. Recent advances in nonlinear control technologies for shape memory alloy actuators[J]. Journal of Zhejiang University(Science A: An International Applied Physics & Engineering Journal), 2007, 45(5):40-45.

[2] H M Chitre. Temporal variations in the sun′s rotational kinetic energy[J]. Astronomy and Astrophysics, 2008, 477(2):657-663.

[3] 丛明, 刘冬, 杜宇,等. PLC伺服控制在太阳能电池组件搬运机械手中的应用[J]. 组合机床与自动化加工技术,2011(9):66-69.

[4] 魏浩然, 李传江, 翁志明,等. 小型被动式双轴太阳能跟踪装置的设计与应用[J]. 电子制作, 2012(12):97-98.

[5] 朱俊昊, 何中杰. 自主调节跟踪的太阳能装置及控制方法 [J]. 机电工程, 2012, 29(5):545-548.

[6] 王国龙. 基于单片机的双轴太阳能跟踪系统的设计[J]. 电子设计工程, 2013, 21(15):171-173.

[7] 罗海玉, 张淑珍. 一种新型并联太阳能跟踪机构研究[J]. 机械设计, 2015(10):82-85.

[8] 余蓓敏. 一种新型太阳能跟踪控制器的设计[J]. 通化师范学院学报, 2015(4):1-3.

[9] 高森, 丛明, 刘冬,等. 一种基于距离加权的机器人运动目标跟踪方法[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2014(12):65-69.

[10]孙同同, 孙首群. 基于视觉检测与跟踪技术在机器人中的应用[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2016(2):79-81.

[11]姜道伟, 袁亮, 巨刚. 基于图像技术与粒子滤波融合新算法的机器人多目标跟踪[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2016(12):31-34.

[12]杨军, 黄岳泉. 并联三自由度太阳能跟踪平台设计与分析[J]. 科技创新与应用, 2017(11):5-6.

[13]范茜, 曹彦波. 基于线阵CCD传感器的太阳跟踪系统设计[J]. 黑龙江科技信息, 2017(14):140-141.

(编辑李秀敏)