太阳方位双模式跟踪系统的研究

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　　摘  要： 针对当前太阳方位跟踪系统跟踪精度较低、易受天气环境制约等问题，提出一种光控与程控相结合的高精度太阳方位跟踪系统。该系统结合了光电式跟踪法和视日运动轨迹跟踪法的优点，光照强度较大时，利用光电压进行比较控制;光照强度较小时，系统根据太阳运动轨迹计算方位差程序控制，双模式双轴跟踪使得接收器始终垂直于太阳光。实验结果表明，该系统太阳跟踪精度误差在0.1°～0.3°内，鲁棒性更强，实现了全天候、高精度的太阳定位，为工程应用提供可靠依据。
　　关键词： 双模式跟踪; 太阳方位; 双轴控制; LabVIEW控制; 数据采集; 系统设计
　　Abstract： In allusion to the problems existing in the current solar azimuth tracking system， such as poor tracking precision and weather condition limitation， a high?precision solar azimuth tracking system with light control and program control is proposed. In this system， the advantages of photoelectric tracking method and solar trajectory tracking method are combined. When the light intensity is high， the photovoltage is used to conduct comparing control; when the light intensity is low， the azimuth difference is calculated for the program control according to the solar motion trajectory. The dual?mode dual?axis tracking of the system can make the receiver always perpendicular to the sunlight. The experimental results show that the solar tracking accuracy error of the system is within 0.1°～0.3°， the system has strong robust， and can realize all?weather and high?precision sun tracking. The research has provided a reliable basis for engineering applications.
　　Keywords： dual?mode tracking; solar azimuth; dual?axis control; Labview control; data acquisition; system design
　　0  引  言
　　太阳能作为一种清洁、可靠的可再生能源在当今社会扮演着重要的角色，然而太阳光照强度空间分布受气候、时间影响不断改变，导致太阳能利用率不高[1]。太阳方位跟踪是提高太阳能利用率的有效途径[2]。实践表明，采用跟踪法，能源接收率提高30%以上[3]。
　　常用的跟踪方法主要有光电式跟踪、太阳运动轨迹跟踪[4]。光电式跟踪多为采用四象限光敏电阻进行比较控制，光线充足时闭环控制精度高[5]。但受环境影响大，并不适用于傍晚、阴天等光线不足的情况;且对光电传感器的特性一致性要求高[6]。太阳运动轨迹跟踪是根据当地的天文地理信息来计算太阳的方位角和高度角，驱动电机转动一定角度实现跟踪;不受天气、光源因素影响，但属于开环控制，会产生误差且系统无法消除这些误差[7]。
　　整合现有技术的优势，通过控制策略与工作原理配合，双轴跟踪装置与硬件传感器协同设计，研究一种把光电跟踪和视日运动轨迹跟踪结合的高精度太阳方位跟踪系统。最终实验结果表明，系统实现了对太阳方位高精度、全天候的跟踪。
　　1  系统组成与工作原理
　　1.1  系统组成
　　太阳方位双模式跟踪系统主要由光电式传感器、模数采集模块、双轴控制装置、电机与驱动模块、控制器和上位机组成，整体结构如图1所示。采用四个光敏特性相同的光敏电阻作为光电式传感器，采集平面上四象限的光照情况，采用FX2N?4AD作为光电传感器的模拟量采集器，双轴装置与步进电机的结合，满足了接收器平台（集热器或太阳能电池板）的二维控制，且结构简单。以三菱PLC作为主控制器，进行数据处理、发出电机控制命令和实时上传数据到上位机，抗干扰能力强。系统采用LabVIEW做上位机，通过计算机协议通信，可以实时地监视与控制装置。
　　1.2  系统工作原理
　　太阳方位跟踪系统的目的是通过调整接收平台的高度角和方位角，实现太阳光接收器的辐射强度始终达到最大值[8]。现有的光电跟踪方法和视日运动轨迹跟踪方法是无法实现太阳方位的全天候实时跟踪，使得太阳辐射利用率低。该文研究结合主流两种跟踪方法，当光照强度大于设定值时，采用光控实现闭环跟踪;当光照强度小于设定值时，采用视日运动轨迹跟踪，即根据采集的数据算法控制。光控与程控互补结合的双模式控制跟踪系统使太阳能得到充分利用。
　　1.2.1  光电式跟踪
　　如图2所示，光电式跟踪利用光电传感器实时检测接收器平面四象限的光照强度，控制器采集数据、比较判断太阳方位，根据偏差给出相应的控制命令驱动电机动作，闭环控制实现方位的跟踪[9]。 　　1.2.2  视日运动轨迹跟踪
　　视日运动轨迹跟踪是一种利用天文地理信息的主动式跟踪方法，即根据太阳的运动轨迹与当地时刻、纬度和赤纬角计算出太阳的高度角和方位角[10]。空间位置如图3所示。
　　根据式（1）～式（4）求出太阳的高度角以及方位角，程序控制步进电机移动一定的角度实现跟踪。
　　1.2.3  双模式工作原理
　　双轴控制装置在主流两种控制方法中创新设计。首先通过四个光敏元件检测光照强度与阴晴判断。当光照强度值在实验所得多云天气设定值内时，系统根据太阳方位与接收器方位的角度差值双轴控制，步进电机每接收1个脉冲转动0.056 25°，对太阳方位进行跟踪。当光照强度大于实验所得多云设定值时，系统利用光电元件的电压进行比较，确定太阳的方位，当电压[ΔU>ε]时，双轴控制装置的步进电机相应动作以实现太阳方位跟踪;当对组压差满足公式：
　　步进电机停止动作。阴天、雨天装置处于待机状态。
　　2  硬件设计
　　2.1  控制器
　　该设计采用FX1N?40MT PLC作为控制器，自带12点输入以及24点输出，7条特殊定位指令，内置2点100 kHz脉冲输出端口和24 V直流输出等特点，满足系统设计要求，且稳定性好。该可编程逻辑控制器可扩展A/D转换模块与通信板，分别为光电信号采集与上位机通信提供了保障。
　　2.2  光电传感器
　　鉴于光敏电阻的内部光电现象与电极无关，以及成本较低，设计中采用光敏电阻作为光电元件。光电传感器由光敏电阻、分压电阻和电源组成。根据光敏电阻的参数与特性，光照的强弱会使光敏电阻产生不同的压降，采集光敏电阻上的电压值送到控制器转换比较，即可判断出光的方位。为提高跟踪的精度，四个光敏电阻的特性应尽量保持一致。
　　2.3  电机与驱动器
　　该设计选用42步进电机，通过PLC给步进电机驱动器发送脉冲来驱动步进电机，发送一个脉冲转动一步。步进驱动器选择TB6600升级版，只需提供方向与脉冲便能驱动步进电机。在步进角为1.8°，步进驱动器细分32的设置下，步进电机转动一圈需要PLC发送6 400个脉冲，理论上每发送一个脉冲步进电机转动0.056 25°，相对普通直流机具有无可比拟的精准性，可以实现对太阳方位的精准跟踪。
　　2.4  双轴控制机械结构
　　如图4所示，双轴控制机械结构由方位角步进电机、支撑平台、贯穿式双输出轴高度角步进电机、接收器平台、挡光板和四个光电传感器组成。利用光电式传感器光采集比较得出或视日运动轨迹跟踪法计算出太阳的高度角和方位角，控制器给出命令控制高度角电机和方位角电机在俯仰、水平两个方向运动，跟踪太阳的高度角H和方位角A，使接收器始终垂直于太阳光，提高太阳能利用率。
　　3  软件设计
　　3.1  软件流程
　　3.1.1  主程序流程
　　双模式太阳方位跟踪系统控制程序在GX Works2软件采用梯形图编程语言编程，主程序流程如图5所示。系统上电首先进行A/D模块配置等初始化设置，接着根据上位机的信息以及采集的光电信号判断是否在工作范围内（7：00—18：00），若在工作范围内进行下一步，否则程序一直等待。光照检测与阴晴判断目的是让系统高精度、低消耗运行，雨天或阴天装置电机不动作，减少设备运行能耗;晴天时，系统采用光电式跟踪法闭环跟踪太阳方位;多云天气，控制器根据太阳的高度角、方位角计算出步进电机转动的方向与步数，控制步进电机移动实现跟踪。
　　3.1.2  上位機流程
　　系统设计中，采用LabVIEW作上位机，利用RS 485实现PC机与PLC的串口协议通信，设计流程如图6所示。LabVIEW的设计思路是先进行串口配置，接着进行串口数据的写入与读取，上位机不断的循环串口通信[12]。由于RS 485的半双工传输的特性，所以在串口写入与串口读出之间设置延迟时间。
　　3.2  LabVIEW控制与数据采集
　　图7为系统设计的上位机控制前面板与数据采集图，通过配置串口COM号、串口波特率、停止位、奇偶校验、超时时间等，就可以进行串口数据的写入和读取。串口写入采用了事件结构，超时事件选择向串口写入PLC查询指令，查询三菱PLC中D0001～D0004这4个数据寄存器的值。其他事件，例如写入Y寄存器的值、远程RUN、远程STOP等，通过LabVIEW前面板对应的按钮进行触发。同样串口的读取也采用了事件结构，在事件中处理的是从PLC端读取指令与数据。超时事件读取了从PLC内部返回的D0101～D0114的值，即光敏电阻与步进电机参数的数字量值。串口读取的数据以波形图显示，保存到历史数据表中。
　　4  实验与结果分析
　　4.1  装置实物
　　根据硬件与软件的设计、控制策略与工作原理的配合、精准的三维建模，完成跟踪装置的组装，实物图如图8所示。
　　4.2  实验数据
　　利用系统实物装置在不同的天气下进行实验研究，实验地点为广东湛江，东经110°北纬21°。
　　实验一： 2019年3月17日，天气多云，系统通过FX2N?4AD模数转换模块采集到四个光敏元件（为方便理解，这里定义为东、南、西、北）的数字量信号，采集数据如表1所示。
　　实验二：测试太阳高度角和方位角。2019年3月7日、2019年5月11日、2019年6月10日，从7：00—17：00，每小时记录数据。实际测试的太阳方位角和理论计算值比较如图9所示。
　　4.3  实验结果分析 　　分析比较，多云天气时，太阳光照强度不强，因此无法通过光电式进行跟踪，系统采用的是视日运动轨迹跟踪方法。但此时光电元件还在检测光照情况，四象限光电传感器采集的数字量值不仅对组（东和西、南和北）相差不大，而且四个数字量值均相差不大，说明接收器平面是垂直于光源的，进一步说明多云天气采用视日运动轨迹跟踪精度准确。在抽取的3月、5月、6月测试实验中，太阳方位测量值与天文算法计算出的计算值进行比较，误差在0.1°～0.3°内。验证了双模式太阳方位跟踪系统研究方案的可行性。
　　5  结  语
　　该文研究的太阳方位双模式双轴跟踪系统，利用光控与程控相结合的方法应对不同的天气状况，融合了光电式跟踪和视日运动轨迹跟踪的优点，互相弥补不足。通过数学计算、控制策略与工作原理分析，实现双轴控制，从而实现太阳方位的多气候精准跟踪。
　　通过硬件设备的选择、实物的组建以及实验分析，验证了设计方案的合理性与可行性，为工程应用提高理论基础。
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