基于单片机的太阳高度-方位角双轴式自动追踪装置的设计

1、    基于单片机的太阳高度方位角双轴式自动追踪装置的设计    苏云成摘要：设计一种根据视日运动规律自动跟踪太阳的系统。采用太阳高度-方位角双轴跟踪的办法，利用步进电机双轴驱动，通过对跟踪系统进行水平、俯仰两个自由度的控制，实现对太阳的实时跟踪。该系统适用于各种太阳能采集装置。主要从硬件和软件方面分析太阳自动跟踪系统的设计与仿真实现。系统在实际跟踪过程中运行状况良好，跟踪速度快捷。关键词：太阳光线；跟踪；硅光传感器；实时仿真：tp242 ：a ：1009-3044（2014）34-8322-02目前的太阳光线自动跟踪装置中，硅光式自动跟踪装置优点比较突

2、出，其跟踪比较精确，原理简单，容易实现，能通过反馈消除累计误差；但缺点是由于选用多个硅板电池，信号采集的密集度始终有限， 不能连续检测和跟踪太阳光线的角度变化，无法实现对太阳运动的连续跟踪。1 方位角高度角式太阳跟踪方式硬件设计双轴式跟踪方式在硬件设计上通常采用程序控制式和光电控制式（如图1所示）。1） 程序控制式太阳跟踪装置是与计算机相结合的。就是依据视日运行的参数来引导太阳能采集装置的运行。实现过程：首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，通过固定在两个旋转轴（高度角和方位角跟踪轴）上的16位增量式编码器得到太阳能采集装置平面的实际位置，把装置平

3、面要求所处的位置同实际上所处的位置进行比较，最后偏差信号用来驱动的直流电机传动装置达到要求的位置，使采集装置实现对太阳高度角和方位角的跟踪。这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。2） 光电式太阳跟踪装置。光电式太阳跟踪装置通过光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个阈值时，执行机构调整太阳能采集装置的位置，直到使太阳光线与采集装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。综上两种跟踪装置相比较，光电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较容易实现，受到普遍关注。而采用两种方式相结合，即可实现其自动跟踪智能化。2 跟踪

4、控制系统的仿真2.1 感光材料和圆筒长度的选择为了使传感器准确的跟踪太阳运动，要通过试验寻找合适的电压变化阈值的硅光电池作为传感器。当硅光电池的电压变化阈值范围值较小的时候，硅光电池在太阳照射下可能会很快达到饱和状态，此时采集的信号就会失真，不能正确反应太阳光线的变化情况，会影响到跟踪效果，使得跟踪精度降低。其次要设计合适长度的圆筒。理论上讲，圆筒的长度越长，跟踪器的精度就越高。随着圆筒的增长，内部两个硅光电池同时接受太阳光照的太阳光偏离角度的范围会变小；假设圆筒内部两个硅光电池同时直接受到太阳光照射的情况下，长圆筒允许太阳光偏离角度的范围为较小，即太阳光线的偏离角度在较小的范围内，长圆筒内部

5、的两个硅光电池不会出现照度差；短圆筒允许太阳光偏离角度的范围为较大，即太阳光线的偏离角度在较大范围内，短圆筒内部的两个硅光电池也不会出现照度差。即选择合适长度的圆筒时，圆筒内部两个硅光电池就会产生一定的照度差值，该信号经过处理放大，控制跟踪器跟踪上太阳。2.2 太阳方位与高度具体计算本系统采用太阳方位角-高度角双轴式跟踪太阳运动轨迹，先以太阳时钟定位数据进行初定位，后以光偏比较计算数据定位进行跟踪误差修正，使采集装置最大限度地接收直射光。跟踪开始时，先采用时钟定位数据计算当前太阳的方位角和高度角，控制器对输入的太阳位置信息进行运算，控制跟踪轴快速转动到太阳理论位置。由于时钟定位易产生累计误差，

6、此时采集装置可能并未完全正对太阳，因此再通过四象限硅光电池数据进行光偏检测计算，得出差值信号送入到控制器，再次驱动步进电机跟踪轴转动，使得采集装置和太阳入射光线垂直。3 跟踪方位与高度控制的主要程序设计4 结论1） 仿真以徐州地区夏至日的太阳方位角和高度角为例，设定太阳定位跟踪误差的容忍度为0.5 °，每隔5min 获取太阳位置，应用太阳的时钟定位和光偏比较定位相结合的方式跟踪太阳运动轨迹。由仿真结果可见，用时钟定位数据进行初定位，光偏比较定位数据修正误差的方法效果明显，能满足太阳能采集装置跟踪控制的要求。2） 采用太阳的方位角-高度角双轴式自动跟踪控制系统通过自身的识别判断，先时钟

7、定位、后光偏比较定位来确定或变换测控策略，实现太阳能采集装置跟踪系统的全天候跟踪运行与优化控制。该方式跟踪弥补了单一定位的不足，减少了跟踪系统累计误差，提高了太阳方位跟踪精度。参考文献：1 刘巍，王志超，沈垣，等.太阳自动跟踪系统的研究与设计j.水电能源科学，2009，27（2）.2 王尚文，高伟，黄树红.混合双轴太阳自动跟踪装置的研究j.可再生能源，2007（12）.3 陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究j.新能源及工艺，2003，12（3）.4 孙茵茵，鲍剑斌，王凡.太阳自动跟踪器的研究j.机械设计与制造，2005，7（7）.endprint摘要：设计一种根据视日运动规律自动跟

8、踪太阳的系统。采用太阳高度-方位角双轴跟踪的办法，利用步进电机双轴驱动，通过对跟踪系统进行水平、俯仰两个自由度的控制，实现对太阳的实时跟踪。该系统适用于各种太阳能采集装置。主要从硬件和软件方面分析太阳自动跟踪系统的设计与仿真实现。系统在实际跟踪过程中运行状况良好，跟踪速度快捷。关键词：太阳光线；跟踪；硅光传感器；实时仿真：tp242 ：a ：1009-3044（2014）34-8322-02目前的太阳光线自动跟踪装置中，硅光式自动跟踪装置优点比较突出，其跟踪比较精确，原理简单，容易实现，能通过反馈消除累计误差；但缺点是由于选用多个硅板电池，信号采集的密集度始终有限， 不能连续检测和跟踪太阳光线

9、的角度变化，无法实现对太阳运动的连续跟踪。1 方位角高度角式太阳跟踪方式硬件设计双轴式跟踪方式在硬件设计上通常采用程序控制式和光电控制式（如图1所示）。1） 程序控制式太阳跟踪装置是与计算机相结合的。就是依据视日运行的参数来引导太阳能采集装置的运行。实现过程：首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，通过固定在两个旋转轴（高度角和方位角跟踪轴）上的16位增量式编码器得到太阳能采集装置平面的实际位置，把装置平面要求所处的位置同实际上所处的位置进行比较，最后偏差信号用来驱动的直流电机传动装置达到要求的位置，使采集装置实现对太阳高度角和方位角的跟踪。这种跟踪

10、装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。2） 光电式太阳跟踪装置。光电式太阳跟踪装置通过光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个阈值时，执行机构调整太阳能采集装置的位置，直到使太阳光线与采集装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。综上两种跟踪装置相比较，光电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较容易实现，受到普遍关注。而采用两种方式相结合，即可实现其自动跟踪智能化。2 跟踪控制系统的仿真2.1 感光材料和圆筒长度的选择为了使传感器准确的跟踪太阳运动，要通过试验寻找合适的电压变化阈值的硅光电池作为传感器。当硅光电池的电压

11、变化阈值范围值较小的时候，硅光电池在太阳照射下可能会很快达到饱和状态，此时采集的信号就会失真，不能正确反应太阳光线的变化情况，会影响到跟踪效果，使得跟踪精度降低。其次要设计合适长度的圆筒。理论上讲，圆筒的长度越长，跟踪器的精度就越高。随着圆筒的增长，内部两个硅光电池同时接受太阳光照的太阳光偏离角度的范围会变小；假设圆筒内部两个硅光电池同时直接受到太阳光照射的情况下，长圆筒允许太阳光偏离角度的范围为较小，即太阳光线的偏离角度在较小的范围内，长圆筒内部的两个硅光电池不会出现照度差；短圆筒允许太阳光偏离角度的范围为较大，即太阳光线的偏离角度在较大范围内，短圆筒内部的两个硅光电池也不会出现照度差。即选

12、择合适长度的圆筒时，圆筒内部两个硅光电池就会产生一定的照度差值，该信号经过处理放大，控制跟踪器跟踪上太阳。2.2 太阳方位与高度具体计算本系统采用太阳方位角-高度角双轴式跟踪太阳运动轨迹，先以太阳时钟定位数据进行初定位，后以光偏比较计算数据定位进行跟踪误差修正，使采集装置最大限度地接收直射光。跟踪开始时，先采用时钟定位数据计算当前太阳的方位角和高度角，控制器对输入的太阳位置信息进行运算，控制跟踪轴快速转动到太阳理论位置。由于时钟定位易产生累计误差，此时采集装置可能并未完全正对太阳，因此再通过四象限硅光电池数据进行光偏检测计算，得出差值信号送入到控制器，再次驱动步进电机跟踪轴转动，使得采集装置和

13、太阳入射光线垂直。3 跟踪方位与高度控制的主要程序设计4 结论1） 仿真以徐州地区夏至日的太阳方位角和高度角为例，设定太阳定位跟踪误差的容忍度为0.5 °，每隔5min 获取太阳位置，应用太阳的时钟定位和光偏比较定位相结合的方式跟踪太阳运动轨迹。由仿真结果可见，用时钟定位数据进行初定位，光偏比较定位数据修正误差的方法效果明显，能满足太阳能采集装置跟踪控制的要求。2） 采用太阳的方位角-高度角双轴式自动跟踪控制系统通过自身的识别判断，先时钟定位、后光偏比较定位来确定或变换测控策略，实现太阳能采集装置跟踪系统的全天候跟踪运行与优化控制。该方式跟踪弥补了单一定位的不足，减少了跟踪系统累计误

14、差，提高了太阳方位跟踪精度。参考文献：1 刘巍，王志超，沈垣，等.太阳自动跟踪系统的研究与设计j.水电能源科学，2009，27（2）.2 王尚文，高伟，黄树红.混合双轴太阳自动跟踪装置的研究j.可再生能源，2007（12）.3 陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究j.新能源及工艺，2003，12（3）.4 孙茵茵，鲍剑斌，王凡.太阳自动跟踪器的研究j.机械设计与制造，2005，7（7）.endprint摘要：设计一种根据视日运动规律自动跟踪太阳的系统。采用太阳高度-方位角双轴跟踪的办法，利用步进电机双轴驱动，通过对跟踪系统进行水平、俯仰两个自由度的控制，实现对太阳的实时跟踪。该系统适

15、用于各种太阳能采集装置。主要从硬件和软件方面分析太阳自动跟踪系统的设计与仿真实现。系统在实际跟踪过程中运行状况良好，跟踪速度快捷。关键词：太阳光线；跟踪；硅光传感器；实时仿真：tp242 ：a ：1009-3044（2014）34-8322-02目前的太阳光线自动跟踪装置中，硅光式自动跟踪装置优点比较突出，其跟踪比较精确，原理简单，容易实现，能通过反馈消除累计误差；但缺点是由于选用多个硅板电池，信号采集的密集度始终有限， 不能连续检测和跟踪太阳光线的角度变化，无法实现对太阳运动的连续跟踪。1 方位角高度角式太阳跟踪方式硬件设计双轴式跟踪方式在硬件设计上通常采用程序控制式和光电控制式（如图1所示

16、）。1） 程序控制式太阳跟踪装置是与计算机相结合的。就是依据视日运行的参数来引导太阳能采集装置的运行。实现过程：首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，通过固定在两个旋转轴（高度角和方位角跟踪轴）上的16位增量式编码器得到太阳能采集装置平面的实际位置，把装置平面要求所处的位置同实际上所处的位置进行比较，最后偏差信号用来驱动的直流电机传动装置达到要求的位置，使采集装置实现对太阳高度角和方位角的跟踪。这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。2） 光电式太阳跟踪装置。光电式太阳跟踪装置通过光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪

17、装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个阈值时，执行机构调整太阳能采集装置的位置，直到使太阳光线与采集装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。综上两种跟踪装置相比较，光电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较容易实现，受到普遍关注。而采用两种方式相结合，即可实现其自动跟踪智能化。2 跟踪控制系统的仿真2.1 感光材料和圆筒长度的选择为了使传感器准确的跟踪太阳运动，要通过试验寻找合适的电压变化阈值的硅光电池作为传感器。当硅光电池的电压变化阈值范围值较小的时候，硅光电池在太阳照射下可能会很快达到饱和状态，此时采集的信号就会失真，不能正确反应太阳光线的变化情况，会影响到跟踪效果，使得

18、跟踪精度降低。其次要设计合适长度的圆筒。理论上讲，圆筒的长度越长，跟踪器的精度就越高。随着圆筒的增长，内部两个硅光电池同时接受太阳光照的太阳光偏离角度的范围会变小；假设圆筒内部两个硅光电池同时直接受到太阳光照射的情况下，长圆筒允许太阳光偏离角度的范围为较小，即太阳光线的偏离角度在较小的范围内，长圆筒内部的两个硅光电池不会出现照度差；短圆筒允许太阳光偏离角度的范围为较大，即太阳光线的偏离角度在较大范围内，短圆筒内部的两个硅光电池也不会出现照度差。即选择合适长度的圆筒时，圆筒内部两个硅光电池就会产生一定的照度差值，该信号经过处理放大，控制跟踪器跟踪上太阳。2.2 太阳方位与高度具体计算本系统采用太阳方位角-高度角双轴式跟踪太阳运动轨迹，先以太阳时钟定位数据进行初定位，后以光偏比较计算数据定位进行跟踪误差修正，使采集装置最大限度地接收直射光。跟踪开始时，先采用时钟定位数据计算当前太阳的方位角和高度角，控制器对输入的太阳位置信息进行运算，控制跟踪轴快速转动到太阳理论位置。由于时钟定位易产生累计误差，此时采集装置可能并未完全正对太阳，因此再通过四象限硅光电池数据进行光偏检测计算，得出差值信号送入到控制器，再次驱动步进电机跟踪轴转动，使得采集装置和太阳入射光线垂直