摘要：設(shè)計(jì)一種主動式太陽能追日系統(tǒng)。通過對太陽運(yùn)行軌跡理論的分析和研究，確定了追日系統(tǒng)的天文算法公式，以保證系統(tǒng)的跟蹤精度。在此基礎(chǔ)上，針對追日系統(tǒng)的控制原理，提出了系統(tǒng)的控制方案，闡述了控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)過程和軟件平臺的操作。經(jīng)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的主動式太陽能追日系統(tǒng)的性能指標(biāo)完全滿足應(yīng)用要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。
關(guān)鍵詞：太陽能；追日系統(tǒng)；主動式

引言
    隨著全球資源逐漸匱乏與能源需求不斷增長之間的矛盾日益凸顯，太陽能作為綠色清潔能源受到越來越多的關(guān)注和研究，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力是整個社會可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。目前的太陽能利用方式主要有以下4種：光熱利用、太陽能發(fā)電、光化利用及光生物利用。我國較成熟的太陽能產(chǎn)品主要集中在太陽能熱水系統(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)兩個方面，經(jīng)過多年的發(fā)展，這兩項(xiàng)產(chǎn)業(yè)已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)化體系。然而，在目前大多數(shù)的太陽能項(xiàng)目中，仍未最大限度地利用太陽能，未能隨著太陽高度角及方位角的變化，及時變換太陽能電池板或太陽能集熱器的旋轉(zhuǎn)角度，一天中有相當(dāng)一部分時間未能有效利用太陽能。若能隨著太陽位置的變化不斷調(diào)整太陽能電池板或集熱器的角度，即對太陽進(jìn)行跟蹤，則可以很大程度上提高太陽能的利用率。
    如今，有多種跟蹤太陽的方式：
    ①時鐘式太陽跟蹤裝置。此裝置是一種被動式裝置，有單軸和雙軸兩種類型，系統(tǒng)根據(jù)時間將方位角和仰俯角分為幾等份，在固定時間段內(nèi)通過控制器驅(qū)動電機(jī)按固定的角度旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而跟蹤太陽。
    ②最大功率跟蹤裝置。本方法以動態(tài)平衡追蹤太陽能系統(tǒng)的最大功率。本方法特征是太陽能板與直流／直流升降壓轉(zhuǎn)換器間聯(lián)接一個瞬間功率型超級電容，作為能量的動態(tài)平衡器，將太陽能板產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成電容器形態(tài)的電能進(jìn)行最大功率演算，可大幅度簡化演算程序，提升追蹤演算的實(shí)時性與可靠度，提高太陽能系統(tǒng)效率。
    ③光電式跟蹤裝置。此類裝置使用光敏傳感器如硅光電管，硅光電管要靠近遮光板安裝，調(diào)整遮光板的位置使遮光板對準(zhǔn)太陽，硅光電池處于陰影區(qū)；當(dāng)太陽西移時，遮光板的陰影偏移，硅光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流，該微電流作為偏差信號，經(jīng)放大電路放大，由伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整角度，使跟蹤裝置對準(zhǔn)太陽完成跟蹤。
    以上每種跟蹤方式都可完成對太陽的跟蹤，但這些方式都是被動式太陽跟蹤方式，只能被動地接收太陽輻射作為驅(qū)動基礎(chǔ)。時鐘式靈敏度不高，不能高效地利用太陽能；最大功率和光電跟蹤裝置靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便，但受天氣的影響很大，如果在較長時間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照到硅光電管上，導(dǎo)致跟蹤裝置無法對準(zhǔn)太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動作。
    鑒于此，本文設(shè)計(jì)一種主動式太陽能追日系統(tǒng)，根據(jù)太陽能收集裝置的安裝地點(diǎn)及具體工作時間，實(shí)時計(jì)算出太陽高度角及方位角，自動修正太陽能收集裝置的角度，確保其始終跟蹤太陽方位，最大限度地利用太陽能。具體實(shí)施中擬通過終端輸入模塊為系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度、時間等參數(shù)，經(jīng)緯度設(shè)置可借助GPS等設(shè)備獲得。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)主控制器ATmega32單片機(jī)的實(shí)時計(jì)算，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，通過傳動機(jī)構(gòu)對太陽能收集裝置進(jìn)行角度驅(qū)動而完成偏擺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽能收集裝置隨太陽位置變化的追日旋轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)延長了太陽輻射時間，增大了輻射面積，有效提高了太陽能的利用率。

1 太陽運(yùn)動規(guī)律
1．1 赤道坐標(biāo)系
    赤道坐標(biāo)系是把地球上的經(jīng)緯度坐標(biāo)系擴(kuò)展至天球而形成的。天球在天文學(xué)等領(lǐng)域中是一個想象的旋轉(zhuǎn)的球，理論上具有無限大的半徑，與地球同心。天空中所有的物體都想象成是在天球上，與地球相對應(yīng)，它有天赤道和天極。如圖1所示，其中，地軸和天球于北方相交的一點(diǎn)叫做北天極P，地軸和天球于南方相交的一點(diǎn)叫做南天極P’，通過地心并與地軸垂直的平面與地球表面相交而成的圓，是地球的赤道也是天赤道。在地球上與赤道面平行的緯度圈，在天球上叫做赤緯圈；在地球上通過南北極的經(jīng)度圈，在天球上稱時圈。本文在赤道坐標(biāo)系下以太陽赤緯角δ和時角α來表示太陽的位置。

    太陽光線與地球赤道面所夾的圓心角，即為太陽赤緯角δ。赤緯角從赤道面算起，向北為正，向南為負(fù)。顯然，赤緯角變化范圍為±23°27’。太陽所在的時圈與通過春分點(diǎn)的時圈(春分圈)構(gòu)成的夾角為時角α。自天球北極看，順時針方向?yàn)檎?，逆時針方向?yàn)樨?fù)。時角表示太陽的方位，天球1天(24小時)旋轉(zhuǎn)360°，所以每小時的時角為15°。太陽在黃道上的運(yùn)動實(shí)際上不是勻速的，而是時快時慢，因此，真太陽日的長短也就各不相同。但人們的實(shí)際生活需要一種均勻不變的時間單位，這就需要尋找一個假想的太陽，它以均勻的速度在運(yùn)行。這個假想的太陽就稱為平太陽，其每個周期的持續(xù)時間稱平太陽日，由此而來的小時稱為平太陽時。平太陽時是基本均勻的時間計(jì)量系統(tǒng)，與人們的生活息息相關(guān)。由于平太陽是假想的，因此無法實(shí)際觀測它，但它可以間接地從真太陽時求得。為此，需要一個差值來表達(dá)二者的關(guān)系，這個差值就是時差。
1．2 地平坐標(biāo)系
    地平坐標(biāo)系是一種最直觀的天球坐標(biāo)系，和我們?nèi)粘５奶煳挠^測關(guān)系最為密切。地平坐標(biāo)系是以地平圈為基圈，地平圈就是觀測者所在的地平面無限擴(kuò)展與天球相交的大圓。如圖2所示，從觀測者所在的地點(diǎn)，作垂直于地平面的直線并無限延長，在地平面以上與天球相交的點(diǎn)稱為天頂Z，在地平面以下與天球相交的點(diǎn)稱為天底Z’；N和S分別表示北點(diǎn)和南點(diǎn)；h和A分別表示太陽高度角和太陽方位角，用太陽高度角h和方位角A來確定太陽在天球中的位置。

1．3 太陽位置的確定
    因?yàn)樵谔烨蛏系乃袌A圈中，地平是在自然界中唯一能看到的在天空中被勾畫出的圓，同時，鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準(zhǔn)儀所定出的水平線是在幾何坐標(biāo)系中惟一能容易直接觀測的參考方向。所以，地平參考系一直是實(shí)用中必不可少的參考系統(tǒng)。在實(shí)際觀測中，最重要的幾何坐標(biāo)系就是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐標(biāo)系。把直接觀測的天空形象用嚴(yán)格的幾何方式系統(tǒng)表示時，它也是實(shí)際中唯一可用的坐標(biāo)系。因此，太陽跟蹤器采用地平坐標(biāo)系直觀方便，操作性強(qiáng)，但是，也存在軌跡坐標(biāo)計(jì)算沒有具體公式可用的問題。而在赤道坐標(biāo)卻嚴(yán)格已知，同時，赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運(yùn)動密切相關(guān)，因此，通過天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽和觀測者位置之間的關(guān)系。綜合分析，在進(jìn)行太陽跟蹤觀測時，兩維程控太陽跟蹤器的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型采用地平坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并借助赤道坐標(biāo)系來進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以獲得即時的太陽高度角和方位角。
    雖然太陽在天球上的位置每日、每時都有變化，但是其運(yùn)行具有嚴(yán)格的規(guī)律性。根據(jù)其相互運(yùn)動規(guī)律，可以通過天文公式計(jì)算出太陽在赤道坐標(biāo)系中的太陽赤緯角和太陽時角。在實(shí)際使用中，由于太陽赤緯角和太陽時角是建立在赤道坐標(biāo)系中，不便于直接應(yīng)用，因此一般將其轉(zhuǎn)換到人們所熟悉的地平坐標(biāo)系中，即由太陽赤緯角和時角計(jì)算出太陽高度角和太陽方位角。當(dāng)太陽高度角和方位角確定后，太陽的位置也就唯一確定了。
    根據(jù)天體幾何學(xué)中太陽運(yùn)行軌跡算法公式，太陽的位置通過下列球面三角公式精確求出：
    sinH=sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω      (1)
    sinA=cosδ·sinτ／cosH                  (2)
    其中，太陽高度角為H，太陽方位角為A，涉及3個天文地理坐標(biāo)：δ為太陽赤緯角，φ為觀測點(diǎn)的地理緯度，ω為觀測時的太陽時角。這3個天文地理坐標(biāo)可以通過以下方式獲得：
    ①觀測地點(diǎn)的地理緯度通過GPS等精密導(dǎo)航儀器可以方便獲得。
    ②赤緯角和時角的計(jì)算需要通過時間確定。由于太陽在一年中的時角運(yùn)動很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時間采用平太陽時，即太陽沿著周年運(yùn)動的平均速率，在工程計(jì)算中，就會存在時差問題(真太陽時與平太陽時之差)，因此必須采用真太陽時，否則在實(shí)際觀測中無法達(dá)到精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽時，可以根據(jù)定時標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)時差值，真太陽時計(jì)算公式如下：
    真太陽時(視時)=時差+平太陽時(平時)     (3)
    其中：時差可以根據(jù)地球繞太陽公轉(zhuǎn)的規(guī)律由天體力學(xué)算出，在每年的天文年歷中可以查到。

2 系統(tǒng)總體方案
    系統(tǒng)能根據(jù)裝置所在地點(diǎn)的地理參數(shù)自動計(jì)算太陽的高度角和方位角，并結(jié)合系統(tǒng)對天氣的檢測結(jié)果，驅(qū)動電機(jī)完成追日。
    (1)太陽能收集裝置安裝位置及工作時間的獲取
    借助GPS等設(shè)備通過終端輸入模塊為系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度、時間等參數(shù)，這是實(shí)時計(jì)算太陽高度角及方位角的基礎(chǔ)，若系統(tǒng)所處地理位置發(fā)生較大變化，則需要重新輸入地理位置坐標(biāo)及當(dāng)前時間。
    (2)太陽高度角及方位角的計(jì)算
    根據(jù)太陽能收集裝置安裝位置及工作時間實(shí)時計(jì)算太陽高度角及方位角是本設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一，需進(jìn)一步深入研究其算法實(shí)現(xiàn)，這是能否實(shí)現(xiàn)精確追日的關(guān)鍵。
    (3)步進(jìn)電機(jī)對太陽能收集裝置的角度驅(qū)動
    經(jīng)ATmega32單片機(jī)實(shí)時計(jì)算產(chǎn)生相應(yīng)脈沖來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，通過傳動機(jī)構(gòu)對太陽能收集裝置進(jìn)行角度驅(qū)動而完成偏擺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽能收集裝置隨太陽位置變化的實(shí)時旋轉(zhuǎn)。
    (4)工作狀態(tài)下天氣情況的檢測
    若為陰雨天氣，則停止對太陽能追日裝置的角度校正。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件組成框圖
    系統(tǒng)硬件除通用電路(電源電路、JTAG電路、RS232串口通信電路)外主要分為8個部分，具體為ATmega32單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動電路、鍵盤電路、LCD顯示電路、時鐘電路、光電傳感器電路、光敏檢測以及蜂鳴器電路。組成框圖如圖3所示。

3．2 處理器電路
    選擇ATmega32單片機(jī)作為主控芯片。處理器采用了較為簡單的阻容復(fù)位電路，該電路使單片機(jī)在上電時可靠復(fù)位。選用12 MHz晶體振蕩器，單片機(jī)在該時鐘驅(qū)動下，每秒可以執(zhí)行12M條單周期指令。處理器電路如圖4所示。

3．3 電機(jī)驅(qū)動電路
    步進(jìn)電機(jī)單靠交流供電或直流電源無法工作，必須與驅(qū)動電路同時使用才能發(fā)揮其功能，驅(qū)動器(驅(qū)動電路)由決定換向順序的控制電路(或稱為邏輯電路)與控制電機(jī)輸出功率的換相電路(或稱為功率電路)組成。
    電機(jī)驅(qū)動電路是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的基礎(chǔ)，采用東芝公司的TB6560芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片，該芯片可以設(shè)置細(xì)分?jǐn)?shù)、輸出電流等參數(shù)。在該系統(tǒng)中，這些功能都通過跳線的形式來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動電路如圖5所示。

3．4 時鐘電路
    時鐘電路可以向系統(tǒng)提供當(dāng)前的日期和時間，使控制系統(tǒng)可以結(jié)合自身所處的地理位置，通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄓ?jì)算出應(yīng)該轉(zhuǎn)動的角度，從而獲得最佳的太陽照射。
    時鐘電路采用具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時時鐘芯片DS1302，芯片主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32．768 kHz晶振。芯片可以對年、月、日、時、分、秒進(jìn)行計(jì)時，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。可以為追日系統(tǒng)提供實(shí)時時間。時鐘電路如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 系統(tǒng)工作流程
    系統(tǒng)上電后，首先完成機(jī)械裝置(云臺)的回零，然后，根據(jù)管理員輸入的工作地點(diǎn)參數(shù)，實(shí)時采集時間，判斷天氣情況。若天氣為陰，隔1小時后重新檢測天氣；若天氣晴朗，則系統(tǒng)在當(dāng)前時間基礎(chǔ)上再加15分鐘，判斷是否在設(shè)定的工作時間內(nèi)。若在設(shè)定工作時間內(nèi)，則計(jì)算太陽方位角和高度角，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)完成任務(wù)；否則，重新采集時間。系統(tǒng)工作流程圖如圖7所示。

4．2 主動式太陽能追日系統(tǒng)編程
    (1)編程環(huán)境
    使用廣州雙龍電子有限公司的ICCAVR編譯環(huán)境，通過選擇對應(yīng)的芯片、包含對應(yīng)的頭文件、書寫正確的C程序來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。
    (2)燒寫單片機(jī)
    連接JTAG后，通過點(diǎn)擊界面中的AVR按鈕，就可以進(jìn)入燒寫界面。選擇需要燒寫的HEX文件后，即可開始燒寫，一般燒寫32 KB的文件需要10 s左右的時間。燒寫完成后，單片機(jī)會自動復(fù)位，開始運(yùn)行程序。

結(jié)語
    在ATmega32單片機(jī)硬件系統(tǒng)和追日系統(tǒng)云臺的基礎(chǔ)上，結(jié)合編制的程序，成功設(shè)計(jì)出了主動式太陽能追日系統(tǒng)。該系統(tǒng)達(dá)到了快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定跟蹤太陽的效果，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。此外，系統(tǒng)具有鍵盤輸入電路和LCD顯示界面，整個系統(tǒng)操作簡單、控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度和實(shí)用性。