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太阳追踪系统通过对太阳位置进行定位并进行实时追踪，在新能源行业得到了广泛运用。利用传感器实现了一种高精度太阳追踪系统，该系统用GPS对太阳位置进行粗定位，再通过基于小孔的PSD传感器对太阳进行风雅的自动追踪。系统对传感器做了优化设计，担保了追踪精度；采取粗定位与精度结合的办法，对追踪算法做了优化设计，从而提高了追踪速率。
高精度；太阳追踪；GPS；PSD传感器；掌握算法
太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源，近年来在发电、照明等行业已被广泛运用，尤其在电力、烟草、文教等领域。个中，太阳追踪系统是太阳能运用中的主要组件。但传统的追踪系统一样平常适用于1 000倍以下的聚光系统，而在自然光导入照明的新兴领域，每每须要2 000倍以上的聚光倍数，现在的追踪系统在精度等方面难以知足哀求。因此，实现高精度的太阳自动追踪显得尤其主要。
当前关于太阳自动追踪紧张有两种方法：一是基于太阳的运动轨迹追踪，二是基于光学传感器的追踪。本文针对以上两种方法的毛病，将天文算法、GPS与基于小孔的PSD传感器相结合，利用加速度传感器和双轴步进电机实时调度追踪姿态[1]，实现了对太阳的高精度自动追踪。
1.1 光学哀求及设计
本文选取太阳光光纤照明运用设计追踪系统。该类系统的聚光比达到2 000倍以上，远远高于其他聚光运用的倍数（比如太阳光聚光发电的500~1 000倍），对付精度的哀求要远远高于传统的系统哀求。
因此，首先须要根据实际运用的光学系统打算出追踪系统所须要达到的精度哀求。图1是光学系统的光学构造图。假设太阳光是平行光，经由菲涅尔透镜后聚焦到光纤表面，其聚焦倍数达到2 400倍。图2表示了当入射角度偏离菲涅尔透镜的光学主轴后，光纤所采集的能量丢失情形。由图可见，当偏离角度达到0.05°时，能量丢失约为10%，达到0.1°时，能量丢失将达到约25%，为了尽可能提高太阳光的网络效率，并且尽可能降落追踪频率带来的功耗，综合取优后选取±0.05°作为本系统的设计精度。考虑到太阳均匀每240 s将产生大约1°的角度偏转，以是将追踪频率设定在12 s。
图1 光学系统的光学构造图
图2 光纤对准效率随菲涅尔透镜入射偏角变革曲线
1.2 PSD传感器设计
1.2.1 PSD传感器
本系统用的二维PSD位置传感用具有很高的精度和灵敏度，分辨率达到1，即1的光照点位移即可感知。系统采取的金属屏蔽罩长度为80 mm，式(1)中a表示位移分辨率：
可以算出，位移分辨率为1情形下，太阳偏移角度分辨率约为0.001°。本系统选取0.05°作为更新偏差阈值，其对应的位移约为44 ，则传感器完备可以知足该精度。PSD传感器为4路旗子暗记输出，传感器套在具有小孔的长方体金属屏蔽罩里[2]。其构造示意图如图3所示。
图3 PSD传感器构造示意图
1.2.2 PSD旗子暗记处理电路板
PSD传感器的旗子暗记处理电路板如图4所示。电路中，PSD传感器输入的电流旗子暗记(PSD0~PSD3)接运放的反向输入端，并通过运放转换成输出的电压旗子暗记(AD0~AD3)，直接接入掌握芯片的AD引脚。
图4 PSD旗子暗记处理电路板示意图
1.3 掌握电路设计
本掌握电路总体构造如图5所示。主控芯片采取TI公司的DSP芯片，其通过串口吸收GPS模块传来的数据，通过AD口读取PSD传感器检测到的太阳光旗子暗记，对这些数据旗子暗记进行处理和剖析后掌握步进电机的迁徙改变，并用加速度传感器不断调度转向和姿态，同时将当前转向和姿态的数据定时写入E2PROM[3]。
图5 掌握电路总体构造图
2 掌握及算法
2.1 掌握程序组成
系统的掌握程序紧张由主程序、中断程序以及多少子程序组成。主程序在读取完系统配置信息后由一个大的循环语句组成，该循环紧张读取并解析当前GPS旗子暗记、读取加速度传感器旗子暗记、写入数据到E2PROM以及系统状态的逻辑掌握。中断程序紧张用于读取PSD数据、系统状态标志位的变换以及电机驱动掌握。多少子程序包括各种传感器模块的驱动子程序以及一些算办法程序，个中算法包括天文解析算法、PID掌握以及CRC校验等[4]。
2.2 系统掌握流程
系统的掌握流程图如图6所示。旁边两侧各为系统的两个状态流程[5]。
图6 系统掌握流程图
系统启动并初始化配置，从E2PROM中读取当出息度角度信息以及PSD传感器基准值信息；接下来读取GPS旗子暗记并解析，通过天文算法算出当前太阳的高度角以及相对南方的偏角；之后开始驱动垂直步进电机定位好高度角，驱动水平步进电机定位好水平角，直到追踪到预期位置完成粗粒度定位。
系统在定位追踪的过程中会不断地读取PSD传感器的数值，若某一次读到的数值处于精调范围，则系统立即进入精粒度追踪模式[6]，实行精粒度调度子程序。
若旁边扫描过程中没有进入精粒度调度范围，则系统开始进入粗粒度追踪模式，该模式紧张由GPS算出太阳当前高度角和方位角，然后系统实行粗粒度定位。大约每四分钟会定位一次，直到进入精调范围则实行精粒度追踪。若粗粒度追踪韶光大于预设阈值，则程序回到旁边扫描的过程连续实行。
在主程序不断循环过程中，系统也是间隔地读取GPS旗子暗记，若检测到当前韶光处于系统放工韶光，则系统会立即实行放工复位程序。系统放工后，进入低功耗运行模式，并定期读取当前韶光信息[7]。若检测到当前处于上班韶光，系统会从低功耗模式规复并从主程序开始处连续实行。
3 结果及谈论
本文实现了一套太阳追踪系统，并对其运行情形以及采集出来的数据进行不雅观察和剖析。
3.1 精粒度追踪效果
系统的PSD传感器采取了小孔成像的办法来感应太阳，以是其感应灵敏度和追踪精度是很高的。首先不雅观察精粒度追踪下输出光功率随着韶光变革的情形，如图7所示。选取精粒度追踪下一段韶光内输出的光通量均匀值作为100%的基准值，其他数值与该值的比值作为纵坐标读数。可以看出精粒度追踪下输出的光功率颠簸幅度始终保持在1.0%以内，输出非常稳定。
图7 精粒度追踪下输出光功率变革图
3.2粗粒度追踪效果
系统前期通过GPS数据进行太阳轨迹的粗粒度追踪偏差相对是比较大的。本文通过实验记录了系统完备在粗粒度追踪下的室内光强数据，并与精粒度追踪下室内光强数据进行比拟，如图8所示。可以看出，一天之内，粗粒度追踪的光照读数的连线轨迹效果整体与精粒度追踪曲线保持同等，并保持大约340流明的光照强度差值。偏差的同等性解释天文解析算法的可靠性，以是利用GPS进行太阳轨迹的粗粒度定位可以迅速的找到太阳大致位置。
图8 粗粒度追踪室内光强数据比拟图
3.3 综合运行效果
通过对系统运行六个月以来的不雅观察创造，系统紧张耗时集中在粗粒度定位、扫描以及粗粒度调度中。系统结合GPS进行粗粒度定位能够以最快的速率定位到太阳大致方位，再结合PSD传感器进行细粒度定位便能准确地追踪太阳。
4 结论
本文设计和制作了高精度太阳追踪系统。系统在追踪速率和精准度方面做了很多优化，采取小孔成像办法提高了精准度，其余用GPS进行粗粒度定位也加快了系统的追踪速率。本系统经实验测定，完备知足2 400倍聚光的哀求[8]，可广泛运用于太阳能干系领域。
参考文献
[1] Li Zhimin，Liu Xinyue，Tang Runsheng.Optical performance of vertical single-axis tracked solar panels[J].Renewable Energy，2011，36(1)：64-68.
[2] LYNCH W A，SALAMEH Z M.Simple electro-optically controlled dual-axis sun tracker[J].Solar Energy，1990，45(2)：65-69.
[3] MOUSAZADEH H，KEYHANI A，JAVADI A，et al.A review of principle and sun-tracking methods for maximizing solar systems output[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(8)：1800-1818.
[4] REDA I，ANDREAS A.Solar position algorithm for solar radiation applications[J].Solar Energy，2004，76(5)：577-589.
[5] LIU B，JORDAN R.Daily insolation on surfaces tilted towards equator[J].ASHRAE J(United States)，1961，10：53.
[6] 邹建，姬兴，杜海涛.一种新型的太阳自动跟踪系统研究[J].光电子技能，2010，30(3)：159-163.
[7] Clifford Eastwood.Design of a novel passive solar tracker[J].Solar，2004，77(3)：269-280.
[8] Henrik Lund.Renewable strategy for sustainable development[J].Energy，2007，66(2)：919.
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