主动式太阳能追日系统设计

引言
    随着全球资源逐渐匮乏与能源需求不断增长之间的矛盾日益凸显，太阳能作为绿色清洁能源受到越来越多的关注和研究，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力是整个社会可持续发展的有效途径之一。目前的太阳能利用方式主要有以下4种：光热利用、太阳能发电、光化利用及光生物利用。我国较成熟的太阳能产品主要集中在太阳能热水系统和太阳能光伏发电系统两个方面，经过多年的发展，这两项产业已形成较为完整的产业化体系。然而，在目前大多数的太阳能项目中，仍未最大限度地利用太阳能，未能随着太阳高度角及方位角的变化，及时变换太阳能电池板或太阳能集热器的旋转角度，一天中有相当一部分时间未能有效利用太阳能。若能随着太阳位置的变化不断调整太阳能电池板或集热器的角度，即对太阳进行跟踪，则可以很大程度上提高太阳能的利用率。
    如今，有多种跟踪太阳的方式：
    ①时钟式太阳跟踪装置。此装置是一种被动式装置，有单轴和双轴两种类型，系统根据时间将方位角和仰俯角分为几等份，在固定时间段内通过控制器驱动电机按固定的角度旋转，进而跟踪太阳。
    ②最大功率跟踪装置。本方法以动态平衡追踪太阳能系统的最大功率。本方法特征是太阳能板与直流／直流升降压转换器间联接一个瞬间功率型超级电容，作为能量的动态平衡器，将太阳能板产生的电能转换成电容器形态的电能进行最大功率演算，可大幅度简化演算程序，提升追踪演算的实时性与可靠度，提高太阳能系统效率。
    ③光电式跟踪装置。此类装置使用光敏传感器如硅光电管，硅光电管要靠近遮光板安装，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳，硅光电池处于阴影区；当太阳西移时，遮光板的阴影偏移，硅光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，该微电流作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度，使跟踪装置对准太阳完成跟踪。
    以上每种跟踪方式都可完成对太阳的跟踪，但这些方式都是被动式太阳跟踪方式，只能被动地接收太阳辐射作为驱动基础。时钟式灵敏度不高，不能高效地利用太阳能；最大功率和光电跟踪装置灵敏度高，结构设计较为方便，但受天气的影响很大，如果在较长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作。
    鉴于此，本文设计一种主动式太阳能追日系统，根据太阳能收集装置的安装地点及具体工作时间，实时计算出太阳高度角及方位角，自动修正太阳能收集装置的角度，确保其始终跟踪太阳方位，最大限度地利用太阳能。具体实施中拟通过终端输入模块为系统设定当前所在地区的经纬度、时间等参数，经纬度设置可借助GPS等设备获得。在此基础上，经主控制器ATmega32单片机的实时计算，产生相应脉冲来驱动步进电机，通过传动机构对太阳能收集装置进行角度驱动而完成偏摆，进而实现太阳能收集装置随太阳位置变化的追日旋转。该设计延长了太阳辐射时间，增大了辐射面积，有效提高了太阳能的利用率。

1 太阳运动规律
1．1 赤道坐标系
    赤道坐标系是把地球上的经纬度坐标系扩展至天球而形成的。天球在天文学等领域中是一个想象的旋转的球，理论上具有无限大的半径，与地球同心。天空中所有的物体都想象成是在天球上，与地球相对应，它有天赤道和天极。如图1所示，其中，地轴和天球于北方相交的一点叫做北天极P，地轴和天球于南方相交的一点叫做南天极P’，通过地心并与地轴垂直的平面与地球表面相交而成的圆，是地球的赤道也是天赤道。在地球上与赤道面平行的纬度圈，在天球上叫做赤纬圈；在地球上通过南北极的经度圈，在天球上称时圈。本文在赤道坐标系下以太阳赤纬角δ和时角α来表示太阳的位置。

    太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角，即为太阳赤纬角δ。赤纬角从赤道面算起，向北为正，向南为负。显然，赤纬角变化范围为±23°27’。太阳所在的时圈与通过春分点的时圈(春分圈)构成的夹角为时角α。自天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。时角表示太阳的方位，天球1天(24小时)旋转360°，所以每小时的时角为15°。太阳在黄道上的运动实际上不是匀速的，而是时快时慢，因此，真太阳日的长短也就各不相同。但人们的实际生活需要一种均匀不变的时间单位，这就需要寻找一个假想的太阳，它以均匀的速度在运行。这个假想的太阳就称为平太阳，其每个周期的持续时间称平太阳日，由此而来的小时称为平太阳时。平太阳时是基本均匀的时间计量系统，与人们的生活息息相关。由于平太阳是假想的，因此无法实际观测它，但它可以间接地从真太阳时求得。为此，需要一个差值来表达二者的关系，这个差值就是时差。
1．2 地平坐标系
    地平坐标系是一种最直观的天球坐标系，和我们日常的天文观测关系最为密切。地平坐标系是以地平圈为基圈，地平圈就是观测者所在的地平面无限扩展与天球相交的大圆。如图2所示，从观测者所在的地点，作垂直于地平面的直线并无限延长，在地平面以上与天球相交的点称为天顶Z，在地平面以下与天球相交的点称为天底Z’；N和S分别表示北点和南点；h和A分别表示太阳高度角和太阳方位角，用太阳高度角h和方位角A来确定太阳在天球中的位置。

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1．3 太阳位置的确定
    因为在天球上的所有圆圈中，地平是在自然界中唯一能看到的在天空中被勾画出的圆，同时，铅垂线所具体代表的垂线，以及由水准仪所定出的水平线是在几何坐标系中惟一能容易直接观测的参考方向。所以，地平参考系一直是实用中必不可少的参考系统。在实际观测中，最重要的几何坐标系就是以地方天文地平作为基本参考圈的地平坐标系。把直接观测的天空形象用严格的几何方式系统表示时，它也是实际中唯一可用的坐标系。因此，太阳跟踪器采用地平坐标系直观方便，操作性强，但是，也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标却严格已知，同时，赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，因此，通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。综合分析，在进行太阳跟踪观测时，两维程控太阳跟踪器的运动数学模型采用地平坐标系作为基准坐标系，并借助赤道坐标系来进行空间坐标转换以获得即时的太阳高度角和方位角。
    虽然太阳在天球上的位置每日、每时都有变化，但是其运行具有严格的规律性。根据其相互运动规律，可以通过天文公式计算出太阳在赤道坐标系中的太阳赤纬角和太阳时角。在实际使用中，由于太阳赤纬角和太阳时角是建立在赤道坐标系中，不便于直接应用，因此一般将其转换到人们所熟悉的地平坐标系中，即由太阳赤纬角和时角计算出太阳高度角和太阳方位角。当太阳高度角和方位角确定后，太阳的位置也就唯一确定了。
    根据天体几何学中太阳运行轨迹算法公式，太阳的位置通过下列球面三角公式精确求出：
    sinH=sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω      (1)
    sinA=cosδ·sinτ／cosH                  (2)
    其中，太阳高度角为H，太阳方位角为A，涉及3个天文地理坐标：δ为太阳赤纬角，φ为观测点的地理纬度，ω为观测时的太阳时角。这3个天文地理坐标可以通过以下方式获得：
    ①观测地点的地理纬度通过GPS等精密导航仪器可以方便获得。
    ②赤纬角和时角的计算需要通过时间确定。由于太阳在一年中的时角运动很复杂，日常生活中的钟表时间采用平太阳时，即太阳沿着周年运动的平均速率，在工程计算中，就会存在时差问题(真太阳时与平太阳时之差)，因此必须采用真太阳时，否则在实际观测中无法达到精度要求。为了得到准确的真太阳时，可以根据定时标准来校准时差值，真太阳时计算公式如下：
    真太阳时(视时)=时差+平太阳时(平时)     (3)
    其中：时差可以根据地球绕太阳公转的规律由天体力学算出，在每年的天文年历中可以查到。

2 系统总体方案
    系统能根据装置所在地点的地理参数自动计算太阳的高度角和方位角，并结合系统对天气的检测结果，驱动电机完成追日。
    (1)太阳能收集装置安装位置及工作时间的获取
    借助GPS等设备通过终端输入模块为系统设定当前所在地区的经纬度、时间等参数，这是实时计算太阳高度角及方位角的基础，若系统所处地理位置发生较大变化，则需要重新输入地理位置坐标及当前时间。
    (2)太阳高度角及方位角的计算
    根据太阳能收集装置安装位置及工作时间实时计算太阳高度角及方位角是本设计方案的重点与难点之一，需进一步深入研究其算法实现，这是能否实现精确追日的关键。
    (3)步进电机对太阳能收集装置的角度驱动
    经ATmega32单片机实时计算产生相应脉冲来驱动步进电机，通过传动机构对太阳能收集装置进行角度驱动而完成偏摆，进而实现太阳能收集装置随太阳位置变化的实时旋转。
    (4)工作状态下天气情况的检测
    若为阴雨天气，则停止对太阳能追日装置的角度校正。

3 系统硬件设计
3．1 硬件组成框图
    系统硬件除通用电路(电源电路、JTAG电路、RS232串口通信电路)外主要分为8个部分，具体为ATmega32单片机、电机驱动电路、键盘电路、LCD显示电路、时钟电路、光电传感器电路、光敏检测以及蜂鸣器电路。组成框图如图3所示。

3．2 处理器电路
    选择ATmega32单片机作为主控芯片。处理器采用了较为简单的阻容复位电路，该电路使单片机在上电时可靠复位。选用12 MHz晶体振荡器，单片机在该时钟驱动下，每秒可以执行12M条单周期指令。处理器电路如图4所示。

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3．3 电机驱动电路
    步进电机单靠交流供电或直流电源无法工作，必须与驱动电路同时使用才能发挥其功能，驱动器(驱动电路)由决定换向顺序的控制电路(或称为逻辑电路)与控制电机输出功率的换相电路(或称为功率电路)组成。
    电机驱动电路是步进电机转动的基础，采用东芝公司的TB6560芯片作为步进电机的驱动芯片，该芯片可以设置细分数、输出电流等参数。在该系统中，这些功能都通过跳线的形式来实现。驱动电路如图5所示。

3．4 时钟电路
    时钟电路可以向系统提供当前的日期和时间，使控制系统可以结合自身所处的地理位置，通过适当的算法计算出应该转动的角度，从而获得最佳的太阳照射。
    时钟电路采用具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片DS1302，芯片主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32．768 kHz晶振。芯片可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。可以为追日系统提供实时时间。时钟电路如图6所示。

4 系统软件设计
4．1 系统工作流程
    系统上电后，首先完成机械装置(云台)的回零，然后，根据管理员输入的工作地点参数，实时采集时间，判断天气情况。若天气为阴，隔1小时后重新检测天气；若天气晴朗，则系统在当前时间基础上再加15分钟，判断是否在设定的工作时间内。若在设定工作时间内，则计算太阳方位角和高度角，进而驱动电机完成任务；否则，重新采集时间。系统工作流程图如图7所示。

4．2 主动式太阳能追日系统编程
    (1)编程环境
    使用广州双龙电子有限公司的ICCAVR编译环境，通过选择对应的芯片、包含对应的头文件、书写正确的C程序来实现系统的各种功能。
    (2)烧写单片机
    连接JTAG后，通过点击界面中的AVR按钮，就可以进入烧写界面。选择需要烧写的HEX文件后，即可开始烧写，一般烧写32 KB的文件需要10 s左右的时间。烧写完成后，单片机会自动复位，开始运行程序。

结语
    在ATmega32单片机硬件系统和追日系统云台的基础上，结合编制的程序，成功设计出了主动式太阳能追日系统。该系统达到了快速、准确、稳定跟踪太阳的效果，达到了预期的目标。此外，系统具有键盘输入电路和LCD显示界面，整个系统操作简单、控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。