主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡理論的分析和研究，確定了追日系統(tǒng)的天文算法公式，以保證系統(tǒng)的跟蹤精度。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)追日系統(tǒng)的控制原理，提出了系統(tǒng)的控制方案，闡述了控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)過(guò)程和軟件平臺(tái)的操作。經(jīng)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統(tǒng)的性能指標(biāo)完全滿足應(yīng)用要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；追日系統(tǒng)；主動(dòng)式

引言
    隨著全球資源逐漸匱乏與能源需求不斷增長(zhǎng)之間的矛盾日益凸顯，太陽(yáng)能作為綠色清潔能源受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力是整個(gè)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。目前的太陽(yáng)能利用方式主要有以下4種：光熱利用、太陽(yáng)能發(fā)電、光化利用及光生物利用。我國(guó)較成熟的太陽(yáng)能產(chǎn)品主要集中在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)兩個(gè)方面，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，這兩項(xiàng)產(chǎn)業(yè)已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)化體系。然而，在目前大多數(shù)的太陽(yáng)能項(xiàng)目中，仍未最大限度地利用太陽(yáng)能，未能隨著太陽(yáng)高度角及方位角的變化，及時(shí)變換太陽(yáng)能電池板或太陽(yáng)能集熱器的旋轉(zhuǎn)角度，一天中有相當(dāng)一部分時(shí)間未能有效利用太陽(yáng)能。若能隨著太陽(yáng)位置的變化不斷調(diào)整太陽(yáng)能電池板或集熱器的角度，即對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤，則可以很大程度上提高太陽(yáng)能的利用率。
    如今，有多種跟蹤太陽(yáng)的方式：
    ①時(shí)鐘式太陽(yáng)跟蹤裝置。此裝置是一種被動(dòng)式裝置，有單軸和雙軸兩種類型，系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間將方位角和仰俯角分為幾等份，在固定時(shí)間段內(nèi)通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按固定的角度旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而跟蹤太陽(yáng)。
    ②最大功率跟蹤裝置。本方法以動(dòng)態(tài)平衡追蹤太陽(yáng)能系統(tǒng)的最大功率。本方法特征是太陽(yáng)能板與直流／直流升降壓轉(zhuǎn)換器間聯(lián)接一個(gè)瞬間功率型超級(jí)電容，作為能量的動(dòng)態(tài)平衡器，將太陽(yáng)能板產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成電容器形態(tài)的電能進(jìn)行最大功率演算，可大幅度簡(jiǎn)化演算程序，提升追蹤演算的實(shí)時(shí)性與可靠度，提高太陽(yáng)能系統(tǒng)效率。
    ③光電式跟蹤裝置。此類裝置使用光敏傳感器如硅光電管，硅光電管要靠近遮光板安裝，調(diào)整遮光板的位置使遮光板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，硅光電池處于陰影區(qū)；當(dāng)太陽(yáng)西移時(shí)，遮光板的陰影偏移，硅光電管受到陽(yáng)光直射輸出一定值的微電流，該微電流作為偏差信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整角度，使跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)完成跟蹤。
    以上每種跟蹤方式都可完成對(duì)太陽(yáng)的跟蹤，但這些方式都是被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤方式，只能被動(dòng)地接收太陽(yáng)輻射作為驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)。時(shí)鐘式靈敏度不高，不能高效地利用太陽(yáng)能；最大功率和光電跟蹤裝置靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便，但受天氣的影響很大，如果在較長(zhǎng)時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽(yáng)的情況，太陽(yáng)光線往往不能照到硅光電管上，導(dǎo)致跟蹤裝置無(wú)法對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。
    鑒于此，本文設(shè)計(jì)一種主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統(tǒng)，根據(jù)太陽(yáng)能收集裝置的安裝地點(diǎn)及具體工作時(shí)間，實(shí)時(shí)計(jì)算出太陽(yáng)高度角及方位角，自動(dòng)修正太陽(yáng)能收集裝置的角度，確保其始終跟蹤太陽(yáng)方位，最大限度地利用太陽(yáng)能。具體實(shí)施中擬通過(guò)終端輸入模塊為系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度、時(shí)間等參數(shù)，經(jīng)緯度設(shè)置可借助GPS等設(shè)備獲得。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)主控制器ATmega32單片機(jī)的實(shí)時(shí)計(jì)算，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能收集裝置進(jìn)行角度驅(qū)動(dòng)而完成偏擺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能收集裝置隨太陽(yáng)位置變化的追日旋轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)延長(zhǎng)了太陽(yáng)輻射時(shí)間，增大了輻射面積，有效提高了太陽(yáng)能的利用率。

1 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律
1．1 赤道坐標(biāo)系
    赤道坐標(biāo)系是把地球上的經(jīng)緯度坐標(biāo)系擴(kuò)展至天球而形成的。天球在天文學(xué)等領(lǐng)域中是一個(gè)想象的旋轉(zhuǎn)的球，理論上具有無(wú)限大的半徑，與地球同心。天空中所有的物體都想象成是在天球上，與地球相對(duì)應(yīng)，它有天赤道和天極。如圖1所示，其中，地軸和天球于北方相交的一點(diǎn)叫做北天極P，地軸和天球于南方相交的一點(diǎn)叫做南天極P’，通過(guò)地心并與地軸垂直的平面與地球表面相交而成的圓，是地球的赤道也是天赤道。在地球上與赤道面平行的緯度圈，在天球上叫做赤緯圈；在地球上通過(guò)南北極的經(jīng)度圈，在天球上稱時(shí)圈。本文在赤道坐標(biāo)系下以太陽(yáng)赤緯角δ和時(shí)角α來(lái)表示太陽(yáng)的位置。

    太陽(yáng)光線與地球赤道面所夾的圓心角，即為太陽(yáng)赤緯角δ。赤緯角從赤道面算起，向北為正，向南為負(fù)。顯然，赤緯角變化范圍為±23°27’。太陽(yáng)所在的時(shí)圈與通過(guò)春分點(diǎn)的時(shí)圈(春分圈)構(gòu)成的夾角為時(shí)角α。自天球北極看，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)。時(shí)角表示太陽(yáng)的方位，天球1天(24小時(shí))旋轉(zhuǎn)360°，所以每小時(shí)的時(shí)角為15°。太陽(yáng)在黃道上的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上不是勻速的，而是時(shí)快時(shí)慢，因此，真太陽(yáng)日的長(zhǎng)短也就各不相同。但人們的實(shí)際生活需要一種均勻不變的時(shí)間單位，這就需要尋找一個(gè)假想的太陽(yáng)，它以均勻的速度在運(yùn)行。這個(gè)假想的太陽(yáng)就稱為平太陽(yáng)，其每個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間稱平太陽(yáng)日，由此而來(lái)的小時(shí)稱為平太陽(yáng)時(shí)。平太陽(yáng)時(shí)是基本均勻的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)，與人們的生活息息相關(guān)。由于平太陽(yáng)是假想的，因此無(wú)法實(shí)際觀測(cè)它，但它可以間接地從真太陽(yáng)時(shí)求得。為此，需要一個(gè)差值來(lái)表達(dá)二者的關(guān)系，這個(gè)差值就是時(shí)差。
1．2 地平坐標(biāo)系
    地平坐標(biāo)系是一種最直觀的天球坐標(biāo)系，和我們?nèi)粘５奶煳挠^測(cè)關(guān)系最為密切。地平坐標(biāo)系是以地平圈為基圈，地平圈就是觀測(cè)者所在的地平面無(wú)限擴(kuò)展與天球相交的大圓。如圖2所示，從觀測(cè)者所在的地點(diǎn)，作垂直于地平面的直線并無(wú)限延長(zhǎng)，在地平面以上與天球相交的點(diǎn)稱為天頂Z，在地平面以下與天球相交的點(diǎn)稱為天底Z’；N和S分別表示北點(diǎn)和南點(diǎn)；h和A分別表示太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角，用太陽(yáng)高度角h和方位角A來(lái)確定太陽(yáng)在天球中的位置。

1．3 太陽(yáng)位置的確定
    因?yàn)樵谔烨蛏系乃袌A圈中，地平是在自然界中唯一能看到的在天空中被勾畫(huà)出的圓，同時(shí)，鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準(zhǔn)儀所定出的水平線是在幾何坐標(biāo)系中惟一能容易直接觀測(cè)的參考方向。所以，地平參考系一直是實(shí)用中必不可少的參考系統(tǒng)。在實(shí)際觀測(cè)中，最重要的幾何坐標(biāo)系就是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐標(biāo)系。把直接觀測(cè)的天空形象用嚴(yán)格的幾何方式系統(tǒng)表示時(shí)，它也是實(shí)際中唯一可用的坐標(biāo)系。因此，太陽(yáng)跟蹤器采用地平坐標(biāo)系直觀方便，操作性強(qiáng)，但是，也存在軌跡坐標(biāo)計(jì)算沒(méi)有具體公式可用的問(wèn)題。而在赤道坐標(biāo)卻嚴(yán)格已知，同時(shí)，赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，因此，通過(guò)天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽(yáng)和觀測(cè)者位置之間的關(guān)系。綜合分析，在進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤觀測(cè)時(shí)，兩維程控太陽(yáng)跟蹤器的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型采用地平坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并借助赤道坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以獲得即時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角。
    雖然太陽(yáng)在天球上的位置每日、每時(shí)都有變化，但是其運(yùn)行具有嚴(yán)格的規(guī)律性。根據(jù)其相互運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以通過(guò)天文公式計(jì)算出太陽(yáng)在赤道坐標(biāo)系中的太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角。在實(shí)際使用中，由于太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角是建立在赤道坐標(biāo)系中，不便于直接應(yīng)用，因此一般將其轉(zhuǎn)換到人們所熟悉的地平坐標(biāo)系中，即由太陽(yáng)赤緯角和時(shí)角計(jì)算出太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角。當(dāng)太陽(yáng)高度角和方位角確定后，太陽(yáng)的位置也就唯一確定了。
    根據(jù)天體幾何學(xué)中太陽(yáng)運(yùn)行軌跡算法公式，太陽(yáng)的位置通過(guò)下列球面三角公式精確求出：
    sinH=sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω      (1)
    sinA=cosδ·sinτ／cosH                  (2)
    其中，太陽(yáng)高度角為H，太陽(yáng)方位角為A，涉及3個(gè)天文地理坐標(biāo)：δ為太陽(yáng)赤緯角，φ為觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度，ω為觀測(cè)時(shí)的太陽(yáng)時(shí)角。這3個(gè)天文地理坐標(biāo)可以通過(guò)以下方式獲得：
    ①觀測(cè)地點(diǎn)的地理緯度通過(guò)GPS等精密導(dǎo)航儀器可以方便獲得。
    ②赤緯角和時(shí)角的計(jì)算需要通過(guò)時(shí)間確定。由于太陽(yáng)在一年中的時(shí)角運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時(shí)間采用平太陽(yáng)時(shí)，即太陽(yáng)沿著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率，在工程計(jì)算中，就會(huì)存在時(shí)差問(wèn)題(真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)之差)，因此必須采用真太陽(yáng)時(shí)，否則在實(shí)際觀測(cè)中無(wú)法達(dá)到精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽(yáng)時(shí)，可以根據(jù)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)時(shí)差值，真太陽(yáng)時(shí)計(jì)算公式如下：
    真太陽(yáng)時(shí)(視時(shí))=時(shí)差+平太陽(yáng)時(shí)(平時(shí))     (3)
    其中：時(shí)差可以根據(jù)地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的規(guī)律由天體力學(xué)算出，在每年的天文年歷中可以查到。

2 系統(tǒng)總體方案
    系統(tǒng)能根據(jù)裝置所在地點(diǎn)的地理參數(shù)自動(dòng)計(jì)算太陽(yáng)的高度角和方位角，并結(jié)合系統(tǒng)對(duì)天氣的檢測(cè)結(jié)果，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成追日。
    (1)太陽(yáng)能收集裝置安裝位置及工作時(shí)間的獲取
    借助GPS等設(shè)備通過(guò)終端輸入模塊為系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度、時(shí)間等參數(shù)，這是實(shí)時(shí)計(jì)算太陽(yáng)高度角及方位角的基礎(chǔ)，若系統(tǒng)所處地理位置發(fā)生較大變化，則需要重新輸入地理位置坐標(biāo)及當(dāng)前時(shí)間。
    (2)太陽(yáng)高度角及方位角的計(jì)算
    根據(jù)太陽(yáng)能收集裝置安裝位置及工作時(shí)間實(shí)時(shí)計(jì)算太陽(yáng)高度角及方位角是本設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一，需進(jìn)一步深入研究其算法實(shí)現(xiàn)，這是能否實(shí)現(xiàn)精確追日的關(guān)鍵。
    (3)步進(jìn)電機(jī)對(duì)太陽(yáng)能收集裝置的角度驅(qū)動(dòng)
    經(jīng)ATmega32單片機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生相應(yīng)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能收集裝置進(jìn)行角度驅(qū)動(dòng)而完成偏擺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能收集裝置隨太陽(yáng)位置變化的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)。
    (4)工作狀態(tài)下天氣情況的檢測(cè)
    若為陰雨天氣，則停止對(duì)太陽(yáng)能追日裝置的角度校正。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件組成框圖
    系統(tǒng)硬件除通用電路(電源電路、JTAG電路、RS232串口通信電路)外主要分為8個(gè)部分，具體為ATmega32單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤電路、LCD顯示電路、時(shí)鐘電路、光電傳感器電路、光敏檢測(cè)以及蜂鳴器電路。組成框圖如圖3所示。

3．2 處理器電路
    選擇ATmega32單片機(jī)作為主控芯片。處理器采用了較為簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位電路，該電路使單片機(jī)在上電時(shí)可靠復(fù)位。選用12 MHz晶體振蕩器，單片機(jī)在該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，每秒可以執(zhí)行12M條單周期指令。處理器電路如圖4所示。

3．3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    步進(jìn)電機(jī)單靠交流供電或直流電源無(wú)法工作，必須與驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)使用才能發(fā)揮其功能，驅(qū)動(dòng)器(驅(qū)動(dòng)電路)由決定換向順序的控制電路(或稱為邏輯電路)與控制電機(jī)輸出功率的換相電路(或稱為功率電路)組成。
    電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ)，采用東芝公司的TB6560芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片可以設(shè)置細(xì)分?jǐn)?shù)、輸出電流等參數(shù)。在該系統(tǒng)中，這些功能都通過(guò)跳線的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

3．4 時(shí)鐘電路
    時(shí)鐘電路可以向系統(tǒng)提供當(dāng)前的日期和時(shí)間，使控制系統(tǒng)可以結(jié)合自身所處的地理位置，通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄓ?jì)算出應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而獲得最佳的太陽(yáng)照射。
    時(shí)鐘電路采用具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，芯片主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32．768 kHz晶振。芯片可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能?？梢詾樽啡障到y(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間。時(shí)鐘電路如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 系統(tǒng)工作流程
    系統(tǒng)上電后，首先完成機(jī)械裝置(云臺(tái))的回零，然后，根據(jù)管理員輸入的工作地點(diǎn)參數(shù)，實(shí)時(shí)采集時(shí)間，判斷天氣情況。若天氣為陰，隔1小時(shí)后重新檢測(cè)天氣；若天氣晴朗，則系統(tǒng)在當(dāng)前時(shí)間基礎(chǔ)上再加15分鐘，判斷是否在設(shè)定的工作時(shí)間內(nèi)。若在設(shè)定工作時(shí)間內(nèi)，則計(jì)算太陽(yáng)方位角和高度角，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成任務(wù)；否則，重新采集時(shí)間。系統(tǒng)工作流程圖如圖7所示。

4．2 主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統(tǒng)編程
    (1)編程環(huán)境
    使用廣州雙龍電子有限公司的ICCAVR編譯環(huán)境，通過(guò)選擇對(duì)應(yīng)的芯片、包含對(duì)應(yīng)的頭文件、書(shū)寫(xiě)正確的C程序來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。
    (2)燒寫(xiě)單片機(jī)
    連接JTAG后，通過(guò)點(diǎn)擊界面中的AVR按鈕，就可以進(jìn)入燒寫(xiě)界面。選擇需要燒寫(xiě)的HEX文件后，即可開(kāi)始燒寫(xiě)，一般燒寫(xiě)32 KB的文件需要10 s左右的時(shí)間。燒寫(xiě)完成后，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，開(kāi)始運(yùn)行程序。

結(jié)語(yǔ)
    在ATmega32單片機(jī)硬件系統(tǒng)和追日系統(tǒng)云臺(tái)的基礎(chǔ)上，結(jié)合編制的程序，成功設(shè)計(jì)出了主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統(tǒng)。該系統(tǒng)達(dá)到了快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定跟蹤太陽(yáng)的效果，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。此外，系統(tǒng)具有鍵盤輸入電路和LCD顯示界面，整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。