基于阵列光电传感阳光跟踪系统设计与实现

黄彦智，何 宁，赵佳庆

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004)



基于阵列光电传感阳光跟踪系统设计与实现

黄彦智，何 宁，赵佳庆

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004)

依据太阳光线变化的缓慢性、间歇性及环境天气的变化，设计了一种光电跟踪和太阳轨道跟踪相结合的实时阳光跟踪系统，采用阵列光电传感与时钟计算组合方法，分析太阳运动轨迹、角度姿态对阳光跟踪与能量转换效率的影响，探讨四元阵光电传感对太阳运动角度与方向变化的阳光跟踪光电控制系统原理，通过光照强弱与时钟计算太阳历史位置进行精确跟踪。实验表明，系统能实现太阳位置的二维实时跟踪和太阳能电池姿态控制，在光强大范围变化条件下也可以精确的跟踪，大大提高了太阳光的利用。

光电传感；四元阵列；阳光跟踪；方位控制；电池姿态

0 引言

太阳能作为新能源的代表，以其分布广、可循环、储量大、安全无污染等优点在能源更替中具有无可替代的地位。然而它也存在能流密度较低、能量间歇性、光照方向和强度随时间变化等问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求[1]。太阳能电池是一种半导体器件，其光电转换能量的多少除了受自身制作工艺和材料影响外，还与能量转化效率有关。阳光跟踪系统能够保持太阳能电池板正对太阳，使阳光垂直照射于电池，获得最大转换效率。研究表明，单轴跟踪系统能提高发电量20%左右，而双轴跟踪系统能提高发电量达35%左右[2]。

近年来，太阳跟踪系统主要采用光电传感模式、视日运动轨迹模式和综合模式，其中综合模式跟踪效果相对较佳，但也存在缺点，比如可追踪角度小、抗干扰性差、容易跟错或丢失目标，函数运算复杂，增加功耗[3-4]。针对现有太阳能跟踪系统的不足，提出一种新四元阵列光电池传感跟踪和历史轨迹跟踪相结合的跟踪方式。该系统具有追踪精确、抗干扰性强等特点，能大大提高太阳光的利用率。

1 四元阵列阳光跟踪原理

四元阵列阳光探测器主要由4块硅光电池组成，如图1所示。图1底部所示为阵元结构，每个象限由一个独立的硅光电池构成，阳光经过凸透镜聚光形成均匀光斑，四元阵硅光电池放置在透镜适当的焦面上。根据硅光电池特性，光生电流随光照面积线性增长[5]。当太阳光线垂直于电池的感光面时，光斑圆心与四象限坐标原点重合，此时4个硅光电池电流在阈值范围内相等，若入射光线与阵列感光面法线成角度入射，光斑成像落在4个象限的面积不相同，硅光电池输出的电流信号幅值不等，控制器比较四个象限的输出信号，调整阵元光电传感姿态，即可对入射阳光进行定位跟踪。由于光电池具有较大的光敏面，与大口径光学天线构建系统简单，若采用光敏面较小的光电二极管，光学系统要求苛刻，且可追踪角度小，在光强大范围变化条件下，对阳光跟踪不利。

图1 光电传感器模型图

传统的光电传感装置有“光桶”式和“金字塔”式，“光桶式”传感器抗干扰性能较强，但可跟踪角度较小，在复杂多变的天气环境中会出现跟丢目标的现象。“金字塔”式传感器跟踪范围大，自动调节能力强，但感光器件设置在“金字塔”外表面，摆放位置暴露在外，容易受到外界光源干扰。而本设计采用改进型的“光桶式”光电传感器，垂直入射光线经过透镜聚焦，光斑均匀落在传感器底部的四元阵列光电池上，光斑随光线的入射角增大而偏移，当光斑偏移足够距离，离开阵列硅光电池，落在光桶壁上时，底部传感器就无法给出相应位置光电信号。定义此时入射光线与镜面法线夹角α为最大追踪角，即光线入射角度小于最大追踪角α时，传感器能够有效地判断太阳位置，当光线入射角度大于α时，则传感器的输出信号无效。若以地球为静止参照物，则可以认为太阳每隔1h直射范围横跨经度15°，所以圆锥形传感器增加底部宽度，使α角变大，在多云间晴的天气也能稳定地对太阳进行定位跟踪，有效地提高了跟踪可靠性。

2 系统设计与实现

系统可以分为光电采集、单片机控制和上位机通信3部分，原理框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

光电采集部分包括四元阵列传感器、可调跨阻放大电路和精确电流检测电路。四元硅光电池阵列传感与太阳能板放置在同一平面，且由云台控制同步转动。硅光电池以电流信号输出，而微处理器的有效输入为电压信号，因此需要用到跨阻放大器进行转换。可调跨阻放大电路除了能将传感器电流信号转换为电压信号外，还可以调节四块硅光电池输出性能参数的一致性。处理器选用单片机STC12C5A16S2，其运算速度是普通51单片机12倍，且自带8路10位A/D转换，简化了外围硬件电路。信号经过跨阻放大电路，进入单片机处理后计算出方位角和高度角，通过双向可控硅开关电路控制云台电机转动方向完成追踪。同时单片机将跟踪方位角、高度角和太阳能电池板输出功率等数据进行处理后送上位机实时显示，当天气不理想启动历史轨迹跟踪时，上位机根据当前时间从数据库中提取历史对应时间的角度数据返回给单片机，单片机发出指令控制云台电机转动，完成历史轨迹跟踪。

2.1 方位控制算法

四象限输出电流经跨阻放大电路转换成电压信号分为A、B、C、D 4部分，依据太阳角度变化，位置跟踪按先方位角后高度角的顺序进行。以Y轴分成两边电压AD和BC，调整前首先判断AD和BC电压大小，如果电压差值大于设定阈值(0.03 V)，电机进行方位角调整，通过循环比较，直到电压差小于等于阈值为止。同理，以X轴分成AB和CD两部分电压，经过方位角的调整后，A与B的状态相同，C与D的状态相同，所以，AB和CD的电压差可以简化为比较A与D(B与C)的电压差。当A与D的电压差高于阈值时，电机进行高度角调整，经重复比较调整使差值小于或等于阈值，完成高度角跟踪，跟踪算法流程如图3所示。

图3 方位控制算法流程

2.2 太阳历史轨迹跟踪

综合跟踪模式是指光电跟踪和视日轨迹跟踪相结合的跟踪模式。视日轨迹跟踪根据太阳的运行规律，结合当地经纬度，通过软件算法计算其实时的方位角和高度角，通过控制器调整跟踪装置的方位角和高度角[6-7]。这种开环跟踪方式虽然不受外界干扰，但运算复杂，且存在误差积累，因此本系统采用历史轨迹跟踪，即太阳前一时刻轨迹跟踪。历史轨迹跟踪通过存储单元把跟踪装置在历史对应时间的方位角和高度角记录下来，当阴雨天或复杂天气不适用光电跟踪模式时，控制器从存储单元中把与当时最接近的一次历史对应时间记录的数据调取出来，确定当前跟踪装置角度。

系统实验采用小功率太阳能电池板对历史跟踪模式和固定模式两种状态进行测试，其参数：Pmax=4 W,Vpm=20 V,Ipm=190 mA。在太阳光照时间内对比阴天5个不同时刻测试的输出功率。由实验结果可知，只有在中午12点，两块太阳能板受光面位置一致，太阳可正射到两块太阳能板，其输出功率大致相同，而在其他时刻，由于两块太阳能板的受光面位置不相同，历史轨迹跟踪方式下的太阳能板跟随太阳运动轨迹移动，其输出功率明显高于太阳能电池板与地平面固定夹角0°的输出功率。

2.3 跟踪电平转换电路

4块硅光电池传感器的输出信号是相互独立的，单片机通过A/D转换获取对应4路传感电信号，经比较运算即可调整硅光电池传感器姿态，保证太阳能电池能获取最大光能。四元光电传器与单片机连接关系见图4。

图4 四元传感桥臂连接关系框图

因光电传感器的输出电参数与单片机不匹配，需对光电感器输出的电流信号转换为标准的TTL电平后，送单片机进行处理，由跨阻放大和电压采集组成的电平转换电路如图5所示。系统使用单片机内部A/D转换模块，通过软件设置可以选择逐次比较型的10位转换工作方式，速度可达到250 kHz。

图5 电流与电压转换电路

在理想运放条件下，输入电阻RI=0，因而IS=IF，故输出电压为

UT=-ISRF

(1)

式中：IS为光电传感器输出电流；RF为反馈电阻。

因为实际中输入电阻不可能等于零，所以RF越大，转换精度越高。

为了保证单片机输入端得到标准的TTL电平，系统使用电阻分压法且在采样电阻R2旁并联一个5 V稳压二极管；电位器R1可以调节分压比和A/D校准。根据分压原理，电压关系如下式所示

UOUT=UT×R2/(R1+R2)

(2)

式中:UT为传感电流转换后电压;R1为电位器电阻;R2为采样电阻。

R1、R2已知，故由式(2)计算可得A/D转换端口的输入电压UOUT。

3 实验综合测试数据与分析

高度角指太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其夹角在0°～90°间变化。太阳方位角指太阳光线在地平面的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作竖立在地面上的直线在阳光下的投影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正[8]。太阳电池传感阵列与太阳运动的位置关系如图6所示。实验采用双电机二维机械结构对太阳的高度角和方位角进行精确跟踪，实时调整太阳能电池姿态，并由控制单元采集硅光电池传感器的输出功率和电池姿态跟踪角度数据。

图6 太阳电池传感阵列与太阳的位置关系

实验包括太阳高度角和方位角跟踪测试、阳光跟踪控制太阳能电池输出功率测试2部分。测试地点：广西桂林电子科技大学第三教学楼的顶楼(东经110.28°，北纬25.28°)；时间：2014年12月20日，9:00-17:00；天气：晴，偶尔有云。

3.1 太阳角度跟踪测试

在阳光跟踪控制太阳能电池转动系统的性能测试过程中，每隔30 min对系统进行一次角度数据采集，将实测所得的阳光跟踪控制系统转动角度的实际值与理论计算所得的当天该时段太阳位置数据进行对比拟合曲线如图7所示。

图7 太阳时角跟踪测试图

经系统的阳光角度跟踪的实测角度数据和公式计算数据比较，结果差异在2°范围内。本结果与计算结果差异在可接受范围内，说明本系统的太阳角度跟踪性能良好。

3.2 阳光跟踪太阳能电池输出功率测试

阳光跟踪控制下太阳能电池输出功率测试中利用两块规格型号完全相同，最大功率为4 W的太阳能电池板，一块安装在阳光跟踪装置上，电池正面与四元阵光电传感器在同一平面；另一块与地面夹角成0°摆放。每隔0.5 h记录1次2块电池的输出功率，功率曲线对比如图8所示，数据对照分析如表1所示。

表1 太阳能电池输出功率数据表

图8 太阳能电池输出功率曲线图

实验测试结果表明，在同等辐射照度情况下阳光的入射角度对太阳能电池板的发电性能影响较大，四元阵阳光跟踪控制下太阳能电池的输出功率比平放在地平面上的太阳电池板的输出功率大得多。从表1看出，上午9时输出功率提高比例倍数为73.3%；中午12时30分，两块太阳能电池板的阳光入射角度差值最小，提高比例倍数仅为15.6%；下午16时阳光入射角差值变大，输出功率提高比例达到78.1%。

4 结论

文中设计了一种采用阵列光电传感跟踪与太阳历史轨迹跟踪相结合的阳光跟踪方式。经实验测试表明，系统在太阳高度角和方位角两个自由度进行自动二维跟踪，跟踪装置的运转轨迹能够与太阳的运动轨迹保持同步，使入射阳光时刻垂直于太阳能电池板受光面，大大提高了太阳能电池的转换效率。在阴雨天气启用历史轨迹跟踪，两种模式相结合，保证了系统在复杂的天气环境中的稳定性，为太阳能技术应用发展提供了可行性的技术方案。

[1] 闫云飞,张智恩,张力，等.太阳能利用技术及其应用.太阳能学报,2012,33(S1):47-56.

[2] 宋孝炳,朱华炳,张希杰，等.高精度太阳能双轴跟踪器的设计研究.机械制造与自动化,2013,41(2):149-151.

[3] 徐晓冰.光伏跟踪系统智能控制方法的研究:[学位论文].合肥:合肥工业大学,2010.

[4] 饶鹏,孙胜利,叶虎勇.两维程控太阳跟踪器控制系统的研制.控制工程,2004,11(5):542-545.

[5] 王长贵.太阳能光伏发电实用技术.北京：化学工业出版社,2004.

[6] 王林军,邵磊,门静，等.太阳能自动跟踪系统的研究现状及展望.中国农机化学报,2014,35(1):283-287.

[7] 方建钢.太阳能跟踪控制系统的研究与设计：[学位论文].武汉：武汉理工大学,2011.

[8] 谈小生,葛成辉.太阳角的计算方法及其在遥感中的应用.国土资源遥感,1995,15(2):48-57.

Design and Implementation of Solar Tracking System Based onPhotoelectric Sensor Array

HUANG Yan-zhi,HE Ning,ZHAO Jia-qing

(School of Information and Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

Based on the tardiness and intermittency of the changes of the sun rays and the environmental changes,a sunlight real-time tracking system that combines photoelectric tracking and sun orbital tracking was designed.It adopted the method that combines array photocell sensor and clock calculation to analyze the trajectory of the sun and how the angle attitude affects the efficiency of sun tracking and energy conversion.It discussed the solar tracking photoelectric tracking control system theory of how the four-element array changes with the angle of the sun.The sunshine was tracked though illumination changes and historical trajectory.The experiment shows that it can achieve the two-dimension real-time tracking and battery management of the sun position and make accurate tracking even on the condition that the light intensity changes within a wide range,which greatly improves the utilization rate of the sunlight.

photoelectric sensor;four-element array;solar tracking;azimuth control;battery attitude

广西科技开发项目(14124005-2-5)资助课题；桂林电子科技大学研究生创新项目(GDYCSZ201417)

2015-03-07 收修改稿日期：2015-09-10

TK519

A

1002-1841(2015)12-0072-03

黄彦智(1988—)，硕士研究生，主要研究方向光电探测。 E-mail:goingyz@163.com