嵌入式太陽跟蹤定位控制系統設計與研究

　　摘 要：太陽能設備應用中對太陽運動位置的跟蹤和定位，決定了太陽能量的利用率。為了能夠最大限度的獲得太陽能量，設計并實現了精確跟蹤太陽實時運動位置的跟蹤定位控制系統。本系統設計方法是依托太陽位置算法，通過采集時間、空間信息計算后獲得當前太陽高度角和方位角。將角度信息送入嵌入式控制器驅動兩軸伺服電機進行運動控制，實現太陽位置的實時跟蹤定位。通過將理論計算值與光強度傳感器采集光斑最大強度數據對比，驗證嵌入式太陽跟蹤定位控制系統的準確性。通過太陽位置算法理論值與系統實測值對比表明：高度角誤差±1°、方位角誤差±3°，滿足實時跟蹤太陽運動位置的精度要求。

　　關鍵詞：太陽跟蹤; 太陽位置算法;嵌入式系統; 高度角; 方位角; 對比分析

　　胡寅; 梅月蘭， 電子測量技術 發表時間：2021-10-29

　　0 引 言

　　在社會經濟高速發展的今天，對于能源的消耗日益嚴重。這就使新能源的開發和利用迫在眉睫。新能源領域中的太陽能技術有著巨大的優勢和前景。太陽能具有能源儲量趨近于無限、適用范圍普遍存在、清潔環保無污染以及使用成本經濟等特點[1]。目前可知的利用方式主要通過太陽能電池、斯特林發電機等太陽能轉換設備實現。太陽能有諸多的優點，但是也存在劣勢，究其原因主要是相對于地球而言，太陽的位置每時每刻都在發生變化。太陽能的能量分布存在地域差異，而且能量的獲得是隨機的、間接的和不均勻的[2]。

　　針對太陽能的上述特點，目前已經發展了一系列利用太陽能的設備。要提高太陽能設備的轉換效率需要能量轉換裝置必須隨時與太陽光保持垂直，這樣才能夠在有限的受光面積上獲得最大限度的太陽能量。太陽能設備對太陽運動位置的跟蹤定位與否，決定了其能量的利用率。文獻 [4]研究表明了太陽光照角度與太陽能接收率相關，太陽跟蹤定位系統對于太陽能的利用率相較于非跟蹤系統而言提高了37.7%[3]。對于太陽能技術而言，跟蹤定位技術的發展顯得尤為重要。

　　近年來，太陽跟蹤定位技術發展有兩大趨勢，一種是使用光學傳感器進行太陽跟蹤定位，主要涵蓋時間控制式、程序控制式和光電跟蹤式等[4]。上述的跟蹤定位裝置原理簡單，結構簡潔，易于實現。余佳煥提出了基于全站儀采集目標棱鏡三維坐標并進行兩軸線相對位置轉換方法。但是對于有隨機遮擋的太陽光線，光學類傳感器會存在跟蹤盲區，無法持續不間斷地跟蹤定位太陽實時運行的位置。光學傳感器也存在累計誤差和傳感器老化等問題 [5];另一種跟蹤定位裝置不采用光學傳感器，而是利用天文學中對太陽運行軌跡進行觀測和跟蹤的算法來實現的。李紫倩提出了利用經緯度和時間計算高度角和方位角的方式進行太陽跟蹤調節，該類裝置原理復雜，高度集成化，無外置傳感器，需要通過大量計算獲得當前太陽的實時位置，可以持續不間斷地跟蹤定位太陽實時運行的位置[6]。本文開展了基于太陽位置算法的嵌入式太陽跟蹤定位控制系統設計與研究，通過搭建嵌入式太陽跟蹤定位平臺，對理論計算數據和實驗實測數據進行對比后，驗證了太陽位置算法的精確性，為后續研究無外置傳感器太陽位置精確跟蹤系統奠定基礎。

　　1 基于太陽位置算法的實驗框架搭建

　　1.1 太陽跟蹤定位平臺搭建

　　為了實現對太陽實時位置的精確跟蹤定位，如圖1所示。機械結構方面跟蹤定位機架整體采用不銹鋼材焊接而成。為了保證機架運行的穩定性和平滑性，減小振動對機架的影響，兩自由度旋轉軸上均安裝了軸承。定位機架上安裝旋轉和俯仰兩個自由度的伺服電機和減速器。在旋轉機構軸向的位置安裝絕對編碼器，用于精確檢測跟蹤機架實時運動的高度角和方位角。在機架上安裝了聚光器，其目的是為后續架設斯特林發電機做準備工作。為了驗證跟蹤定位的實際效果，在聚光器同側靠上的位置頂端安裝有 8個硅光電池傳感器，該類傳感器主要用于檢測在聚光器平面上的太陽光線強度。上述設計的主要目的是能夠獲得當前位置下太陽光照強度的情況。目的是為了后續能夠自動記錄和驗證太陽定位算法實時控制效率以及實際與太陽運行位置的偏差。通過上述數據不斷優化算法設計，從而實現基于太陽位置算法的跟蹤定位精確控制[7]。

　　1.2嵌入式控制系統構建

　　嵌入式系統的構建主要涉及嵌入式控制器、前向通道和后向通道三個部分，如圖2所示。

　　嵌入式控制器的主控 CPU 是四核 Cortex-A9 的 Exynos4412處理器。嵌入式控制器移植Linux操作系統。在上述軟硬件平臺上通過實現太陽定位算法，驅動俯仰和方位兩軸伺服電機運動，實現太陽位置的自動跟蹤定位。

　　前向通道主要負責采集太陽自動跟蹤定位所需的各項數據信息，主要涉及時間、地理位置和光照強度三類數據形式：

　　1. RTC 實時時鐘數據

　　太陽定位算法需要當前實時的時間信息作為算法輸入參數。利用RTC實時時鐘電路可以獲得當前的實時時間信息。該電路與嵌入式控制器采用I2C協議進行通信。內容涉及有年、月、日、時、分、秒等6項數據。

　　2. GPS 衛星定位數據

　　太陽定位算法還需要結合當前地理位置信息來計算太陽當前所處的方位和高度，所以GPS衛星定位數據也是算法輸入的重要參數。利用GPS衛星定位電路可以獲得當前地理位置的經緯度等信息。GPS電路采用異步串行通信協議方式向嵌入式控制器傳送當前地理位置經度、緯度和時區等3項數據。

　　3. 硅光電池光照強度數據

　　采用硅光電池作為太陽光光照強度檢測的傳感器，主要是考慮通過硅光電池輸出電壓的分布情況來檢驗太陽定位算法輸出控制的準確性和實時性。硅光電池的光照強度電壓通過A/D轉換電路轉變為數字信號后送入嵌入式控制器中，嵌入式控制器將上述數據進行計算后得到光強度偏離中心的程度，將該數據自動記錄下來，為后續的太陽定位算法的修正提供依據。

　　后向通道主要實現俯仰和方位兩軸伺服電機的運動控制。兩軸伺服電機采用PWM信號進行速度控制，兩軸的運動過程均通過12位絕對式編碼器進行檢測。絕對式編碼器通過SSI接口與嵌入式控制器進行通信，實現位置閉環。從而可以精確的控制伺服電機按照太陽位置算法的結果進行跟蹤定位[8-9]。

　　2 太陽位置算法理論

　　太陽位置算法的核心是要得到精確的太陽實時位置，而太陽實時位置是通過太陽高度角和太陽方位角來表達的。如圖3所示，太陽高度角是指太陽入射光線與太陽入射光線所在地平面的夾角，用?表示。而太陽方位角是指從北極點開始順時針方向到太陽入射光線在地平面上投影的夾角，用?表示。

　　在太陽位置算法中要獲得精確的太陽高度角和方位角數據，就需要將時間和空間信息作為太陽位置算法的輸入參數。通過一系列的數值計算，可以獲得對應時間和空間下的實際的太陽高度角和方位角。

　　在時間維度上將當前的日期和時間按照：年、月、日、時、分和秒6個參數進行劃分。在空間維度上將當前的地理位置按照：經度、緯度和時區3個參數進行劃分。通過上述9個參數送入太陽位置算法進行計算，就可以求解出當前太陽所在空間、時間的實時高度角和方位角[10-14]。太陽位置算法的計算流程如圖4所示。

　　首先利用當前RTC數據中的年 Y 、月 M 、日 D 參數進行計算獲得年積日 n 和太陽赤緯角?，計算公式如1，2所示。

　　利用上述數據還可以求得儒略日 D J 和儒略世紀 C J ，計算公式如3，4所示。

　　接下來由儒略世紀 C J 可以同步求得太陽平黃經 L0 、太陽平近點角? M 、地球軌道離心率 e 和黃赤交角?四個參數，計算公式如5，6，7，8所示：

　　對上述四個參數進行如公式9所示計算，可以獲得當前的時差 EQ ： 2 2 0 0 4 2 tan ( )sin(2 ) 2 sin( ) 4 tan ( )sin( )cos(2 ) 2 2 tan ( ) 5e 2 ( )sin(4 ) sin(2 ) 2 4 Q M M M M E L e e L ? ? ? ??? ?? ? ?? ? (9)得到時差 EQ 后，引入經度?和時區 Z 參數可以求得平太陽時 TF ，計算公式如10所示： 4 60 T E Z F Q ? ? ? ? (10)然后在平太陽時的基礎上，再引入時 H 、分 Mi 、秒 S 參數進行計算，可以得到真太陽時 TS 和時角?，計算公式如11，12所示： S i TF S T ? H ? M ? ) ? 60 (60 (11) 180) 4 ? ( ? TS ? (12)最終通過時角?、太陽赤緯角?和緯度?可以求出太陽高度角?以及太陽方位角?，計算公式如13，14所示：? ? arcsin(sin (?)sin( ? ) ? cos(?) cos(? ) cos(?)) (13) sin( )sin( ) sin( ) arccos( ) cos( )cos( ) ? ? ? ?? ??? (14)至此，通過太陽位置算法就完成了從當前時間維度和空間維度實現太陽高度角和方位角的計算轉化過程[15-17]。

　　3 實驗分析對比

　　基于上述的機械物理架構和太陽定位算法，為了驗證太陽定位算法的跟蹤精度和效率，我們進行了相應的實驗設計，如圖5所示。

　　3.1 高度角跟蹤實驗

　　選擇光照時間充足，少云的時間進行實驗，將設備置于開闊場地，本次實驗時間是從早上7點至晚上19點，嵌入式控制器根據太陽定位算法利用時間、地理等參數進行計算后驅動俯仰伺服電機進行控制。絕對值編碼器將實時測量到的俯仰角度送至嵌入式控制器中進行記錄。同時硅光電池傳感器記錄當前太陽光照強度的分布情況。將時間、俯仰角度和光照強度三類數據綜合分析后對太陽定位算法權值進行修正得到太陽高度角，使其更加貼合實際太陽高度位置運行情況[18-19]。如圖6所示為在昆明太陽高度角隨著時間推移帶來的變化情況。虛線是我們通過計算太陽影子的方式來間接測量太陽高度角，實線是我們通過絕對值編碼器測量的太陽高度角度值。兩者從整體上來看，誤差范圍控制在±1°以內。

　　3.2 方位角跟蹤實驗

　　同樣，對方位角也采用了相似的方式進行，如圖7所示。虛線是我們通過計算太陽影子的方式來間接測量太陽方位角，實線是我們通過絕對值編碼器測量的太陽方位角度值。兩者從整體上來看，誤差范圍控制在±3°以內。

　　從實驗誤差分析可以看出太陽高度和方位的實際測量值和太陽位置理論計算值之間的平均誤差較小，可以滿足實際太陽位置的跟蹤控制需求。

　　4 結論

　　本文提出了基于太陽位置算法的嵌入式太陽跟蹤定位控制系統設計，開展了相關的實驗研究探索。從跟蹤定位系統運行的精度來看，該跟蹤定位系統完全不用考慮外界因素對整體系統的影響，整個系統按照嵌入式系統內的太陽位置算法實現實時精確地跟蹤定位。達到預期設計目的。本文的先進性在于沒有外置光學傳感器將使整個跟蹤定位系統的造價成本大幅下降，系統的穩定性可靠性提升。未來針對集群式的太陽能發電應用場景，可對太陽能發電裝置的遠程集群控制展開研究，有助于太陽能設備發電效率的提升和太陽能裝置的推廣及應用。