CN116185085A - 槽式光热发电的智能追光系统 - Google Patents
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Abstract
槽式光热发电的智能追光系统，属于太阳能光热发电技术领域。其特征在于：包括控制器、光电传感器、阴晴检测电路，时钟电路、调时模块、驱动电路以及调节装置，阴晴检测电路、时钟电路和调时模块的信号输出端均与控制器的信号输入端连接，光电传感器依次串联信号处理电路和A/D转换电路后与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端通过驱动电路与调节装置连接。本发明具有优化视日运动轨迹跟踪算法，减少误差，引入角度闭环控制，提高跟踪精度，优化机械结构，降低重量，减小步进电机尺寸，提高便携性，提高使用年限的优点。
Description
技术领域
槽式光热发电的智能追光系统，属于太阳能光热发电技术领域。
背景技术
太阳跟踪技术通过跟踪太阳的运动轨迹，控制太阳光接收装置垂直对准太阳光线，使装置获得的太阳辐射最大，被广泛应用在光热发电和光伏发电系统中，在20世纪60年代，国外就有了对太阳跟踪技术的研究，1962年，智利玛利亚大学设计了世界上第一台太阳跟踪器，经过半个多世纪的研究，发展出了多种跟踪原理，出现了单轴、双轴、平单轴、斜单轴等不同结构的跟踪器，跟踪精度得到提高；1991年，FM Al-Naima和NA Yaghobian设计了基于Z-80处理器的控制系统太阳跟踪器，1999年，F Huang，D Tien，J Or等人设计并实现了一种结合新型太阳能转换单元的基于微控制器的自动太阳跟踪器，斩波器的开关装置不仅用于功率转换，还用于最大功率点（MPP）检测，2006年，Acciona太阳能公司建设了西班牙最大的光伏发电站，利用大量的跟踪托盘使光伏板对准太阳，比常规的光伏电站增加了35%的发电量，2009年，Jaen C，Pou J等人将太阳跟踪器应用到最大功率点跟踪（MPPT）控制技术的改进中，用于提高功率传输效率，2013年，K Azizi 和A Ghaffari开发了基于图像处理的高精度双轴太阳跟踪系统，2014年，KT、Ak、Rajesh等人研究了基于四象限光电探测器的双轴太阳跟踪系统的控制系统，2020年，M Fathallah，I Mahmoud，M Sayedi在IC_ASET国际会议上提出了基于FPGA的混合式步进电机低速阻尼控制器控制的太阳跟踪器。
国内对太阳跟踪技术的研究发展较快，太阳跟踪技术在不断完善，1996年，冼鉴隆发明了一种可以跟踪太阳的太阳灶，通过调整反光镜跟踪太阳，1999年，刘福才、刘新田设计了80C196单片机控制的跟踪器，用于光伏发电跟踪，2007年，刘四洋等人研究了一种通过计算太阳位置实现跟踪的双轴太阳跟踪器，跟踪误差在2°以内，2019年，欧阳佳鹏、杨振南等人设计了基于ARM控制的太阳跟踪系统，采用光敏电阻判断太阳位置，通过对PID算法改进，提高了太阳跟踪精度，2020年，吴幸铠、许明国设计了基于Arduino控制的双轴太阳跟踪系统，通过混合跟踪方式跟踪太阳。
太阳能光热发电利用成熟的储热技术，通过集热装置将太阳能存储在储热介质中，在夜间或阴天情况下实现不间断发电，保证了电能输出的稳定性，作为一种高品质的清洁能源，太阳能光热发电对我国实现“碳中和”目标具有重大意义，同时针对太阳位置不断变化的问题，必须引入追光系统，对太阳进行实时跟踪，使太阳光线能够时刻垂直对准槽型接收器，保证接收器接收到更多的太阳能，提高光热发电系统收集太阳能的效率。
但是现有的视日运动轨迹跟踪算法的误差很大，导致太阳光接收装置的误差较大，对光热发电系统收集太阳能的效率提升有限。
为解决上述问题，本案件拟研制出一套槽式光热发电系统的智能追光系统，能够最大限度地采集太阳光，提高槽式光热发电的发电效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种优化视日运动轨迹跟踪算法，减少误差，提供跟踪精度的槽式光热发电的智能追光系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：包括控制器、光电传感器、阴晴检测电路，时钟电路、调时模块、驱动电路以及调节装置，阴晴检测电路、时钟电路和调时模块的信号输出端均与控制器的信号输入端连接，光电传感器依次串联信号处理电路和A/D转换电路后与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端通过驱动电路与调节装置连接；
控制方法包括如下步骤：
S1：判断调节装置是否复位，如已复位则执行步骤S2，如未复位则执行复位操作后再执行步骤S2；
S2：读取时间；
S3：计算太阳的高度角和方位角；
S4：判断太阳高度角是否大于3°，如否则执行步骤S2，如是则执行步骤S5；
S5：进行一次视日运动轨迹跟踪；
S6：判断是否为晴天，如是则执行光电跟踪，如否则执行步骤S7；
S7：进行视日运动轨迹跟踪，将聚光板调到5min后太阳所在的位置；
S8：等待10min；
S9：判断调养高度角是否小于3°，如是则执行步骤S10，如否则执行步骤S5；
S10：调节装置复位。
优选的，步骤S2中所述的时间为真太阳时，真太阳时
为：
其中，
为真太阳时，t为平太阳时，/>
为时差，单位均为小时；
其中，
，N为积日。
优选的，所述的阴晴检测电路包括或门4071、运算放大器CF1~CF2、光敏二极管LDR5~LDR6以及电阻R13~R16电阻R23、R24，运算放大器CF1和CF2的PIN7脚均通过或门4071接芯片C；
运算放大器CF1的PIN4连接+5V电压，运算放大器CF1的PIN3接入光敏二极管LDR5的输出极与电阻R24的一端，电阻R24的另一端接地，运算放大器CF1的PIN2接入电阻R13和R14的公共端，电阻R14的另一端接入+5V电压，电阻R13的另一端接地，运算放大器CF1的PIN11脚接地；
运算放大器CF2的PIN4连接+5V电压，运算放大器CF2的PIN5接入光敏二极管LDR6输出极与电阻R23的一端，电阻R23的另一端接地，运算放大器CF2的PIN6接入电阻R15和R16的公共端，电阻R16的另一端接入+5V电压，电阻R15的另一端接地，运算放大器CF2的PIN11接地。
优选的，所述的A/D转换电路包括芯片C以及单片机U5，芯片C的P3.0/RX脚连接单片机U5的SCL脚，芯片C的P3.1/TXD脚连接单片机U5的SDA脚，单片机U5的A0脚、A1脚、A2脚以及EXT脚均接地，单片机U5的VREF脚连接+5V电压，单片机U5的AGND脚接地。
优选的，所述的时钟电路包括电池BAT1~BAT2、单片机U2、晶振、单片机U2以及芯片C，单片机U2的X1脚串联晶振后连接单片机U2的X2脚，单片机U2的VCC1脚依次串联电池BAT2和BAT1后接地，单片机U2的VCC2引脚连接电源端子VCC，单片机U2的RST脚连接芯片C的P1.0/T2脚，单片机U2的SCLK脚连接芯片C的P1.1/T2EX脚，单片机U2的I/O脚连接芯片C的P1.2脚。
优选的，所述的调节装置包括水平步进电机、俯仰步进电机、水平限位模块、俯仰限位模块以及执行机构，驱动电路的信号输出端同时与水平步进电机和俯仰步进电机的信号输入端连接，水平步进电机的输出轴通过水平限位模块连接执行机构，俯仰步进电机的输出轴通过俯仰限位模块连接执行机构。
优选的，还包括显示模块，显示模块的信号输入端与控制器的信号输出端连接。
优选的，所述的显示模块包括显示屏LCD1、电位器RV1、排阻RP1以及芯片C，显示屏LCD1的VSS脚接地，显示屏LCD1的VDD脚连接+5V电压，显示屏LCD1的VEE引脚连接电位器RV1的一端，电位器RV2的另外两端分别连接+5V电压、接地，显示屏LCD1的D0脚同时连接芯片C的P0.0/AD0脚和排阻RP1的2脚，显示屏LCD1的D1脚同时连接芯片C的P0.1/AD1脚和排阻RP1的3脚，显示屏LCD1的D2脚同时连接芯片C的P0.2/AD2脚和排阻RP1的4脚，显示屏LCD1的D3脚同时连接芯片C的P0.3/AD3脚和排阻RP1的4脚，显示屏LCD1的D4脚同时连接芯片C的P0.4/AD4脚和排阻RP1的6脚，显示屏LCD1的D5脚同时连接芯片C的P0.5/AD5脚和排阻RP1的7脚，显示屏LCD1的D6脚同时连接芯片C的P0.6/AD6脚和排阻RP1的8脚，显示屏LCD1的D7脚同时连接芯片C的P0.7/AD7脚和排阻RP1的9脚，排阻RP1的1脚连接+5V电压。
优选的，所述的调时模块包括按键开关S1~S5、芯片C以及电阻R17~R20，芯片C的P1.3脚同时连接电阻R17的一端和按键开关S1的一端，电阻R17的另一端连接+5V电压，按键开关S1的另一端接地，芯片C的P1.4脚同时连接电阻R18的一端和按键开关S2的一端，电阻R18的另一端连接+5V电压，按键开关S2的另一端接地，芯片C的P1.5脚同时连接电阻R19的一端和按键开关S3的一端，电阻R19的另一端连接+5V电压，按键开关S3的另一端接地，芯片C的P1.6脚同时连接电阻R20的一端和按键开关S4的一端，电阻R20的另一端连接+5V电压，按键开关S4的另一端接地，芯片C的P1.7脚同时连接电阻R21的一端和按键开关S5的一端，电阻R21的另一端连接+5V电压，按键开关S5的另一端接地。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
本本发明具有优化视日运动轨迹跟踪算法，减少误差，引入角度闭环控制，提高跟踪精度，优化机械结构，降低重量，减小步进电机尺寸，提高便携性，提高使用年限的优点。
附图说明
图1为本发明提供的赤道坐标系图；
图2为本发明提供的隔板式传感器图；
图3为本发明提供的太阳在光电传感器的不同侧图；
图4为本发明提供的圆筒式传感器图；
图5为本发明提供的四象限光电池图；
图6为本发明提供的槽式光热发电系统追光系统硬件框图；
图7为本发明提供的QP50-6型硅四象限探测器管脚接线图；
图8为本发明提供的QP50-6电流信号处理电路图；
图9为本发明提供的A/D转换电路图；
图10为本发明提供的阴晴检测电路图；
图11为本发明提供的步进电机的驱动电路图；
图12为本发明提供的时钟电路图；
图13为本发明提供的LCD1显示电路图；
图14为本发明提供的限位检测电路图；
图15为本发明提供的振荡电路图；
图16为本发明提供的复位电路图；
图17为本发明提供的按键开关电路图；
图18为本发明提供的追光系统主程序流程图。
图中：1、时圈；2、天赤道；3、隔光板；4、光敏电阻；5、透光孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，然而熟悉本领域的人们应当了解，在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释，本发明的结构必然超出了有限的这些实施例，而对于一些等同替换方案或常见手段，本文不再做详细叙述，但仍属于本申请的保护范围。
图1~图18是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~图18对本发明做进一步说明。
如图1所示：在赤道坐标系中，常用赤纬角、时角两个参数描述太阳的位置，赤道坐标系将天赤道作为基本圈，当太阳在A点时，平面PAP'所在的圆表示时圈1，与天赤道2垂直，
为向量OA与赤道面的夹角，称为赤纬角，时角是太阳正午所在的时圈1与当前时间所在时圈1的夹角，正午时角为0°，用字母/>
表示，规定上午时角小于0°，下午时角大于0°；
在对太阳运动进行长时间的研究和大量的数据记录的基础上，太阳赤纬角在一年中的变化存在某种规律，对这些数据进行拟合处理，总结了一些有关赤纬角的近似计算公式；
Spencer总结的太阳赤纬角的近似计算公式见式，单位为弧度：
其中，
，N表示积日，指的是当天是一年内的第几天，如1月15日，N=15，3月1日，N=60（平年），或N=61（闰年）。/>
太阳赤纬角近似计算公式见式，单位为度：
太阳赤纬角的近似计算公式见式，单位为度：
其中
，/>
，其中N为积日，/>
用下列等式表示。
其中，year表示年份，如2021年，year=2021，INT表示取整运算，如
。
太阳赤纬角近似计算公式见式，单位为弧度：
其中，
，N表示积日。
太阳时角可用式来计算，单位为角度，其中
表示真太阳时，单位为弧度；
真太阳时的概念不同于我们常用的北京时间，北京时间是太阳相对东经120°地区的地方时间，即平太阳时，真太阳时是指太阳相对观察点的地方时间，真太阳时与平太阳时之间存在转换关系，可用式表示；
其中，
为真太阳时，t为平太阳时，/>
为时差，单位均为小时。
时差的近似计算公式，用来计算太阳时角，其中时差单位为小时；
其中，
。
时差近似计算公式见式：
其中，
。
时差近似计算公式见式：
其中，
，/>
。
时差近似计算公式见式：
其中，
。
以上计算公式只需要已知时间就可以进行太阳赤纬角、时差的近似计算，但也有一些计算结果更精确的复杂公式，考虑到视日运动轨迹跟踪算法的跟踪精度不仅与太阳位置算法有关，还和步进电机、跟踪机构、自然环境情况等多种因素有关，只采用精度更高的复杂算法不能保证太阳跟踪精度，视日运动轨迹跟踪是基于太阳位置算法的一种跟踪方式，在阴天和晴天都能实现跟踪，但这种跟踪方式在跟踪太阳位置时只依赖单一的计算公式，属于典型的开环控制系统，不考虑实际情况的动态变化，如跟踪机构的误差、安装地基的下陷，由于没有反馈环节，导致视日运动轨迹跟踪在跟踪时会积累误差，不能自动修正，随着运行时间的增加跟踪精度会变差，虽然视日运动轨迹跟踪会带来误差，但可以采用其他方式补偿。
光电跟踪通过检测光敏电阻的电流信号随光线强度变化来进行跟踪，当光线发生偏移时，不同位置的光敏电阻会因照射的光线强度不同，对外输出信号不同，通过比较这些信号，可以判断出入射光线的具体方向，将光敏电阻按不同的排列方式安装布置，设计光电传感器，当光线发生偏移，光敏传感器输出偏差信号，把传感器的偏差信号经微型计算机处理分析，驱动电机旋转，调整跟踪装置的角度。当光电传感器对准太阳时，光电传感器不再输出偏差信号，达到跟踪太阳的目的，光电跟踪的跟踪精度较高，但在阴天时光线比较均匀，传感器检测不到太阳光线入射角度的变化，只能在晴天时才能工作。
光电跟踪通过光电转换元件实时检测太阳位置，对步进电机进行调整，实现自动追光，隔板式传感器和光筒式传感器是目前使用较多的光电传感器设计方案，光电转换元件采用光电传感器。
隔板式传感器设计原理如图2所示，两个隔光板3垂直布置，把四个型号相同的光敏电阻4分别放在隔光板3隔开的空间中，将光敏电阻4安装在紧靠基板中心的位置，当光线在不同方向入射时，四个光敏电阻4感受的光线强度不同，阻值会发生变化，太阳光线偏射的角度越大，四个光敏电阻4的偏差越大，在一定范围内传感器越灵敏，但受环境中杂散光线的影响较大。
如图3所示：当太阳光在隔光板3东侧时，左侧的两个光敏电阻4接受的光强较大，电阻值小，西侧因太阳光线被隔光板遮挡，右侧的两个光敏电阻4接受的光强较小，电阻值大，光电传感器通过采集光敏电阻4的变化值，输出偏差信号，微型计算机对四组偏差信号比较，判断出太阳在东侧位置，驱动步进电机在水平和俯仰方向调整，从而将跟踪装置垂直对准太阳，此时四个光敏电阻4感光强度相同，光电传感器输出偏差为0，停止太阳跟踪，同理，当太阳在传感器的东南方向时，四个光敏电阻4接受的光强不同，光电传感器输出四组偏差信号，由微型计算机分析处理判断出太阳的位置，当跟踪装置没有对准太阳时，就会有其中几个光敏电阻4被遮挡，传感器将这些偏差信号传送到微型计算机，根据控制跟踪装置同时调整水平和俯仰方向的角度，从而达到跟踪的目的。
如图4所示：采用圆筒遮光，在圆筒顶部设计一个透光孔5，太阳光通过透光孔5照射到圆筒底部，透光孔5用透明玻璃封装，在圆筒底部有四个均匀分布的光敏电阻4，当太阳光在传感器偏向东侧的位置入射时，太阳光在圆筒底部的西侧投射的面积较大，此时右侧光敏电阻4接受的光强最大，光电传感器输出的四个光敏电阻的偏差信号，微型计算机检测到该光敏电阻4与其他光敏电阻的差值较大，从而判断出太阳在东侧位置，控制步进电机在水平和俯仰方向调整，将跟踪装置垂直对准太阳，当太阳光垂直入射时，太阳光线投射到底部中心，此时四个光敏电阻接受的光强相同，偏差信号为0，跟踪装置停止跟踪；减小误差。
综上所示，且结合实验数据，选用
。
隔板式传感器容易受周围环境的干扰，光筒式传感器对入射光线角度要求较为严格，分析比较以上设计方案，本文采用光筒式传感器的设计结构，考虑到这种结构在入射角度较大的情况下有可能照射不到光敏电阻4，可以先进行一次视日运动轨迹跟踪，这时的跟踪角度虽然有偏差，但在光筒式传感器入射角度允许范围内，光电跟踪能正常工作，避免了不能跟踪的情况，同时采用四象限光电池替代光敏电阻4，四象限光电池由四个光伏电池构成，光伏电池输出电流和光照强度之间存在良好的线性关系，利用运算放大器把短路电流变化转变为电压变化，方便单片机对偏差信号分析处理；
当光线通过透光孔投射到四象限光电池时，四个象限输出电流的大小与接受照射的面积有关，如图5所示，阴影区域A、B、C、D分别为光电池的四个象限，太阳光通过透光孔后在四象限光电池上产生光斑，光斑中心O'和光电池中心O在x轴方向和y轴方向的偏移量分别为
、/>
，当太阳光发生偏射时，光斑中心O'和光电池中心O不再重合，产生一个偏移量/>
和/>
，通过调整光电传感器的角度，使/>
，这时光斑中心O'和光电池中心O重合，太阳光线又重新对准光电传感器。
四象限光电池的输出电流IA、IB、IC、ID经过运算放大器处理，分别转换为电压信号
、/>
、/>
、/>
。对四个电压信号进行处理，/>
和/>
分别反应偏移量/>
和/>
：
光斑照射功率的变化会改变UA、UB、UC、UD的大小，如果用上述式计算时可能会影响
和/>
的结果，使光电传感器发生误判，为了消除光斑功率的影响，将上述式进行处理，得到式下式：
这里规定
时，太阳高度角向西偏移，/>
时，太阳高度角向上偏移。
通过对追光算法的研究和设计，选择了基于视日运动轨迹跟踪与光电跟踪的追光算法。
在光电跟踪算法研究中，通过分析光电传感器的工作原理，对比隔板式传感器和光筒式传感器两种设计方案的优缺点，设计了基于四象限光电池的光筒式传感器，采取先进行一次视日运动轨迹跟踪，再进行光电跟踪的跟踪策略，保证光筒式传感器的正常工作；
为了保证跟踪精度，同时考虑到跟踪装置设计难度和成本，跟踪方式选择高度角-方位角式跟踪。
如图6所示：槽式光热发电的智能追光系统包括控制器、光电传感器、阴晴检测电路，时钟电路、调时模块、驱动电路、调节装置以及显示模块，其中，调节装置包括水平步进电机、俯仰步进电机、水平限位模块、俯仰限位模块以及执行机构。阴晴检测电路、时钟电路和调时模块的信号输出端均与控制器的信号输入端连接，光电传感器依次串联信号处理电路和A/D转换电路后与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端通过驱动电路连接，驱动电路的信号输出端同时与水平步进电机和俯仰步进电机的信号输入端连接，水平步进电机的输出轴通过水平限位模块连接执行机构，俯仰步进电机的输出轴通过俯仰限位模块连接执行机构。
系统采用了基于STC89C52单片机控制的追光系统硬件设计方案，槽式光热发电系统追光系统通过LCD1实时显示太阳和聚光板的高度角和方位角，单片机计算出调整角度，利用步进电机驱动执行机构转向太阳的位置，时钟电路为单片机提供时间信息，通过按键调整系统时间。
如图7~图8所示：光电传感器采用QP50-6型硅四象限探测器作为光电转换器件，该器件受光直径7.8mm，光谱范围400-1100nm，峰值电流10mA，主要应用于太阳能跟踪器、激光制导、光电对中、激光测量等，光电传感器管脚共有六个管脚，PIN1、PIN3、PIN4、PIN6分别连接二极管D、A、B、C的阳极，PIN5为公共阴极，PIN2悬空，QP50-6型硅四象限探测器输出的电流和电压较小，需要进行放大处理，QP50-6电流信号处理电路如图8所示，采用了两片LF444CN 型四运放集成运算放大器，一片运算放大器对QP50-6输出的电流进行电流-电压转换，另一片运算放大器对电压进行放大，通过接入A/D转换，变为单片机可读取的数字量，QP50-6电流信号处理电路中，R1=R2=R3=R4，R5=R6=R7=R8，R9=R10=R11=R12。
光电传感器的电流信号处理电路包括光敏电阻A~D、光电传感器PS1~PS8、电阻R1~R12、单片机U1~U4以及电容C1~C4，光敏电阻4分别设置在四个方位，其中光敏电阻A的阴极同时连接光电传感器PS2的PIN5脚、电阻R2的一端和电容C2的一端，光电传感器PS2的PIN11脚接地，光电传感器PS2的PIN7同时连接电阻R2的另一端、电容C2的另一端和光电传感器PS6的PIN6脚，光电传感器PS6的PIN5脚同时连接电阻R10的一端和电阻R6的一端，电阻R10的另一端接地，电阻R6的另一端和光电传感器PS6的PIN7脚连接同时单片机U2；光敏电阻B的阴极同时连接光电传感器PS3的PIN10脚、电阻R3的一端和电容C3的一端，光电传感器PS3的PIN9脚接地，光电传感器PS3的PIN8脚同时连接电阻R3的另一端、电容C3的另一端和光电传感器PS7的PIN9脚，光电传感器PS7的PIN10脚同时连接电阻R11的一端和电阻R7的一端，电阻R11的另一端接地，电阻R7的另一端和光电传感器PS7的PIN8脚同时连接单片机U3；光敏电阻C的阴极同时连接光电传感器PS4的PIN12脚、电阻R4的一端和电容C4的一端，光电传感器PS4的PIN13脚接地，光电传感器PS4的PIN14脚同时连接电阻R4的另一端、电容C4的另一端和光电传感器PS8的PIN13脚，光电传感器PS8的PIN12脚同时连接电阻R12的一端和电阻R8的一端，电阻R12的另一端接地，电阻R8的另一端和光电传感器PS8的PIN14脚同时连接单片机U4；光敏电阻D的阴极同时连接光电传感器PS1的PIN3脚、电阻R1的一端和电容C1的一端，光电传感器PS1的PIN2脚接地，光电传感器PS1的PIN1脚同时连接电阻R1的另一端、电容C1的另一端和光电传感器PS5的PIN2脚，光电传感器PS5的PIN3脚同时连接电阻R9的一端和电阻R5的一端，电阻R9的另一端接地，电阻R5的另一端和光电传感器PS5的PIN1脚连接单片机U1。
如图9所示：A/D转换电路包括芯片C以及单片机U5，芯片C的P3.0/RXD脚连接单片机U5的SCL脚，芯片C的P3.1/TXD脚连接单片机U5的SDA脚，单片机U5的A0脚、A1脚、A2脚以及EXT脚接地，单片机U5的VREF脚连接+5V的电压，单片机U5的AGND脚接地。其中单片机U5采用常见市售芯片即可，如型号为PCF8591的单片机。芯片C采用市售常见芯片即可，如信号为STC89C52的芯片。
A/D转换电路中QP50-6型硅四象限探测器输出的电流经过处理电路转换为模拟电压信号，A/D转换电路把模拟电压再转化为数字量，传送到单片机中，考虑到STC89C52型单片机I/O接口数量有限，4路信号如果采用常用的并行数据传输，A/D转换电路会占用大量的接口，单片机的功能扩展将会比较困难，PCF8591有1个串行
总线接口，数据的输入输出可通过总线进行串行数据传输，只需要占用单片机两个I/O口，PCF8591具有4个模拟输入（AIN0~AIN3），刚好满足光电传感器四路信号的A/D转换。
如图10所示：阴晴检测电路包括或门4071、运算放大器CF1~CF2、光敏二极管LDR5~LDR6以及电阻R13~R16电阻R23、R24，运算放大器CF1的PIN1脚和CF2的PIN7脚均通过或门4071接芯片C；运算放大器CF1的PIN4连接+5V电压，运算放大器CF1的PIN3接入光敏二极管LDR5的输出极与电阻R24的一端，电阻R24的另一端接地，运算放大器CF1的PIN2接入电阻R13和R14的公共端，电阻R14的另一端接入+5V电压，电阻R13的另一端接地，运算放大器CF1的PIN11脚接地；运算放大器CF2的PIN4连接+5V电压，运算放大器CF2的PIN5接入光敏二极管LDR6输出极与电阻R23的一端，电阻R23的另一端接地，运算放大器CF2的PIN6接入电阻R15和R16的公共端，电阻R16的另一端接入+5V电压，电阻R15的另一端接地，运算放大器CF2的PIN11接地。
阴晴检测电路的作用是检测光照强度，当达到晴天的光照强度电路输出高电平，否则输出低电平，光敏传感器要求对光线强度变化的感应比较灵敏，阴晴检测电路选择2CU101D型光敏二极管作为光敏器件，当光照强度变化时，光敏二极管的导通电流变化，R22、R23的电压发生变化，R13、R15的对地电压等于晴天时R14、R16的最小电压，通过比较R0和R1的电压，晴天时，UR22>UR14或UR23>UR16，此时电路输出高电平。
如图11所示：驱动电路包括芯片C、单片机U3~U4以及步进电机M1~M2，芯片C的P2.0/A8脚连接单片机U3的3B脚，芯片C的P2.1/A9脚连接单片机U3的4B脚，芯片C的P2.2/A10脚连接单片机U3的5B脚，芯片C的P2.3/A11脚连接单片机U3的6B脚，芯片C的P2.4/A12脚连接单片机U4的3B脚，芯片C的P2.5/A13脚连接单片机U4的4B脚，芯片C的P2.6/A14脚连接U4的5B脚连接，芯片C的P2.7/A15脚连接单片机U4的6B脚连接，单片机U3的COM脚连接+5V电压，单片机U3的3C脚、4C脚、5C脚和6C脚分别连接水平步进电机的G1、G2、G3和G4接线端，水平步进电机的中间两个接线端同时连接+5V电压，单片机U4的COM脚连接+5V电压，单片机U4的3C脚、4C脚、5C脚和6C脚分别连接俯仰步进电机的S1、S2、S3和S4接线端，俯仰步进电机的中间两个接线端同时连接+5V电压。
单片机U3和单片机U4采用市售常见芯片即可，如型号为ULN2003A的单片机。
步进电机在接收到一个脉冲信号后，按指定的方向转动一个固定的角度，转动的角度称为步距角，步进电机转动方向与脉冲的触发顺序有关，转动的角度与脉冲个数有关，单片机根据计算出的转动角度和方向，控制输出脉冲的个数和触发顺序，从而控制步进电机旋转。
步进电机型号选择86BYGH2504，步距角1.8°，力矩12 N·m，相电流4.2A，通过2HB064M驱动器驱动，由于单片机I/O口输出电流小，不能直接控制驱动器，这里使用ULN2003林顿阵列驱动进行驱动2HB064M，再由驱动器进一步控制步进电机，ULN2003有七路输入输出通道，驱动电路需要驱动两台步进电机，采用两块驱动ULN2003驱动。
如图12所示：时钟电路包括电池BAT1~BAT2、单片机U2、晶振X2以及芯片C，单片机U2的X1脚串联晶振X2后连接单片机U2的X2脚，单片机U2的VCC1脚依次串联电池BAT2和BAT1后接地，单片机U2的VCC2引脚连接电源端子VCC，单片机U2的RST脚连接芯片C的P1.0/T2脚，单片机U2的SCLK脚连接芯片C的P1.1/T2EX脚，单片机U2的I/O脚连接芯片C的P1.2脚。
单片机U2采用市售常见芯片即可，如型号为DS1302的单片机。
时钟电路在视日运动轨迹跟踪算法中，需要获取时间信息，对时间精度的要求比较高，虽然单片机本身可实现计时，但单片机在跟踪时还需要同时计算太阳的角度和处理光电传感器的信号等，会增加单片机的运行负担，导致在跟踪中产生误差，采用外部时钟芯片DSl302，可以获取更精确的日期信息，提高单片机的运行速度，DSl302通过串行口与单片机通信，接口简单，具有对日期（年、月、日、时、分、秒）计时和闰年补偿功能，其中X2连接32.768kHz晶振， SCLK为串行时钟输入，数据通过I/O口串行传输。
如图13所示：显示模块包括显示屏LCD1、电位器RV1、排阻RP1以及芯片C，显示屏LCD1的VSS脚接地，显示屏LCD1的VDD脚连接+5V电压，显示屏LCD1的VEE引脚连接电位器RV1的一端，电位器RV1的另外两端分别连接+5V电压、接地，显示屏LCD1的D0脚同时连接芯片C的P0.0/AD0脚和排阻RP1的2脚，显示屏LCD1的D1脚同时连接芯片C的P0.1/AD1脚和排阻RP1的3脚，显示屏LCD1的D2脚同时连接芯片C的P0.2/AD2脚和排阻RP1的4脚，显示屏LCD1的D3脚同时连接芯片C的P0.3/AD3脚和排阻RP1的5脚，显示屏LCD1的D4脚同时连接芯片C的P0.4/AD4脚和排阻RP1的6脚，显示屏LCD1的D5脚同时连接芯片C的P0.5/AD5脚和排阻RP1的7脚，显示屏LCD1的D6脚同时连接芯片C的P0.6/AD6脚和排阻RP1的8脚，显示屏LCD1的D7脚同时连接芯片C的P0.7/AD7脚和排阻RP1的9脚，排阻RP1的1脚连接+5V电压。
显示模块中显示器需要实时显示时间信息及太阳和聚光板的高度角和方位角，用来了解追光系统的实时跟踪情况，显示屏采用LCD11602，可以显示2×16个字符，由于STC89C52单片机的P0口是漏极开路型，没有上拉电阻，不能直接驱动LCD11602，需要在P0加上拉电阻，保证LCD11602能正常显示。
如图14所示：水平限位模块和俯仰限位模块组合成限位模块。限位模块包括单片机U6和U8、开关S7~S8、电阻R15~R16和R24~R25以及三级管Q1~Q2，单片机U6的1脚连接+5V电压，单片机U6的2脚串联开关S8后接地，单片机U6的5脚连接+5V电压，单片机U6的4脚串联电阻R15后连接三级管Q1的基极，三级管Q1的发射极接地，集电极串联电阻R26后连接+5V电压，单片机U8的1脚连接+5V电压，单片机U8的2脚串联开关S7后接地，单片机U8的5脚连接+5V电压，单片机U8的4脚串联电阻R16后连接三级管Q2的基极，三级管Q2的发射极接地，集电极串联电阻R25后连接+5V电压.
限位模块中步进电机在天黑复位时，为了使步进电机能准确到达限位位置，同时防止步进电机越位对系统产生损坏，在跟踪装置需要加装限位模块，利用光电耦合器实现光电隔离，避免干扰而触发系统中断，保证限位检测的可靠性，光电耦合器安装在限位凹槽内部，输出端接三极管的基极，三极管的集电极接单片机的外部中断，天黑复位时，步进电机转向初始位置，在限位杆未到达限位前，限位开关闭合，光电耦合器的电流输出到三极管的基极，三极管导通，集电极为高电平，当到达限位时，限位开关断开，光电耦合器无电流输出，三极管的集电极输出0，外部中断口检测到下降沿，进入中断处理程序，电机立即停止转动，同时单片机记录的步进电机旋转节拍数和角度清零，完成复位，其中，外部中断0：水平方向限位信号；外部中断1：俯仰方向限位信号。
如图15所示：单片机外围辅助电路中的晶振电路的作用是提供稳定的工作频率，保证单片机指令的正常执行，其中，晶振12MHz，C1=C2=22pF。
振荡电路包括电容C5和C6、晶振X1以及单片机U1，单片机U1的XTAL1脚和XTAL2脚分别连接晶振X1的两端，晶振X1的两端分别串联电容C5和C6后接地。
如图16所示：单片机外围辅助电路中的单片机没有自动复位功能，为了保证单片机在开始启动时处于初始状态，需要外加复位电路，其采用按键复位，复位电路的作用是在单片机的复位端输出一定时间的高电平，使单片机初始化，在发生故障时重新执行软件程序，让单片机稳定工作。
复位电路包括单片机U1、电阻R17、电容C7以及开关S6，单片机U1的RST脚同时连接开关S6的一端、电容C7的一端以及电阻R17的一端，电阻R17的另一端接地，电容C7的另一端和开关S6的另一端同时连接+5V电压。
如图17所示：调时模块包括按键开关S1~S5、芯片C以及电阻R18~R22，芯片C的P1.3脚同时连接电阻R18的一端和按键开关S1的一端，电阻R18的另一端连接+5V电压，按键开关S1的另一端接地，芯片C的P1.4脚同时连接电阻R19的一端和按键开关S2的一端，电阻R19的另一端连接+5V电压，按键开关S2的另一端接地，芯片C的P1.5脚同时连接电阻R20的一端和按键开关S3的一端，电阻R20的另一端连接+5V电压，按键开关S3的另一端接地，芯片C的P1.6脚同时连接电阻R21的一端和按键开关S4的一端，电阻R21的另一端连接+5V电压，按键开关S4的另一端接地，芯片C的P1.7脚同时连接电阻R22的一端和按键开关S5的一端，电阻R22的另一端连接+5V电压，按键开关S5的另一端接地。
视日运动轨迹跟踪算法根据时间信息获取太阳的角度，为了保证系统时间准确，需要设计按键开关电路，对系统时间进行调整，按键开关电路共有5个按键开关，按下设定键系统进入时间调整，按下选择键可以选择调整年月日时分秒，+、-键分别对日期加1、减1，按下确定键完成时间调整。
如图18所示：追光系统控制方法包括如下步骤：
S1：判断调节装置是否复位，如已复位则执行步骤S2，如未复位则执行复位操作后再执行步骤S2；
S2：读取时间；
复位后单片机从DS1302读取时间；
S3：计算太阳的高度角和方位角；
通过太阳位置计算程序得到太阳的高度角和方位角；
S4：判断太阳高度角是否大于3°，如否则执行步骤S2，如是则执行步骤S5；
根据太阳的高度角判断当前是否是白天，当太阳高度角>3°时，系统认为当前为白天，开始执行太阳跟踪程序；
S5：进行一次视日运动轨迹跟踪；
进行一次视日运动轨迹跟踪（初步跟踪），保证光筒式传感器能接收到光照，再根据阴晴天进行视日运动轨迹跟踪或光电跟踪；
S6：判断是否为晴天，如是则执行光电跟踪，如否则执行步骤S7；
在完成初跟踪后，系统读取阴晴检测电路的输出，晴天为高电平，阴天为低电平，如果是晴天，系统开始执行光电跟踪程序，对上一次的视日运动轨迹跟踪修正，通过光电传感器检测太阳位置，驱动步进电机按计算出的方向和角度转动，频繁的跟踪会使追光系统消耗较多的能量，在完成光电跟踪后等待一个时间间隔，可以降低能量消耗，提高太阳能的利用效率，考虑到每隔4分钟，太阳的角度会变化约1°，这里设定10分钟的时间间隔，到下一次跟踪前的最大误差为2.5°，对太阳能的利用效率不会有太大的影响；
S7：进行视日运动轨迹跟踪，将聚光板调到5min后太阳所在的位置；
阴天时光照强度比较低，此时光热发电系统接收到的太阳能降低，每个方向的光照强度都比较均匀，通过光电传感器不能判断太阳位置，会使跟踪不稳定，有较大的误差，因此不能进行光电跟踪，为了保证追光的稳定，这里进行视日运动轨迹跟踪程序，将聚光板调到5分钟后太阳所在的位置；
S8：等待10min；
在10分钟的等待间隔中，假设天气变为晴天，前5分钟太阳的角度会逐渐接近聚光板的角度，在后5分钟太阳的角度逐渐偏移聚光板的位置，跟踪角度的最大误差约为1.25°，即使在10分钟的待机间隔中天气转为晴天，系统不再进行跟踪，但由于采用了超前5分钟的跟踪方式，可以尽可能的提高太阳能的利用效率，这种跟踪方法既可以减小在阴天时的跟踪误差，同时降低追光系统的能量消耗，最大限度的接受太阳光照，保证追光系统的稳定；
S9：判断调养高度角是否小于3°，如是则执行步骤S10，如否则执行步骤S5；
S10：调节装置复位。
当太阳高度角<3°时，此时太阳高度较低，考虑到聚光板的支撑问题，系统不再进行追踪，20分钟后步进电机复位。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：包括控制器、光电传感器、阴晴检测电路，时钟电路、调时模块、驱动电路以及调节装置，阴晴检测电路、时钟电路和调时模块的信号输出端均与控制器的信号输入端连接，光电传感器依次串联信号处理电路和A/D转换电路后与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端通过驱动电路与调节装置连接；
控制方法包括如下步骤：
S1：判断调节装置是否复位，如已复位则执行步骤S2，如未复位则执行复位操作后再执行步骤S2；
S2：读取时间；
S3：计算太阳的高度角和方位角；
S4：判断太阳高度角是否大于3°，如否则执行步骤S2，如是则执行步骤S5；
S5：进行一次视日运动轨迹跟踪；
S6：判断是否为晴天，如是则执行光电跟踪，如否则执行步骤S7；
S7：进行视日运动轨迹跟踪，将聚光板调到5min后太阳所在的位置；
S8：等待10min；
S9：判断调养高度角是否小于3°，如是则执行步骤S10，如否则执行步骤S5；
S10：调节装置复位。
2.根据权利要求1所述的槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：步骤S2中所述的时间为真太阳时，真太阳时
为：
其中，
为真太阳时，t为平太阳时，/>
为时差，单位均为小时；
其中，
，N为积日。
3.根据权利要求1所述的槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：所述的阴晴检测电路包括或门4071、运算放大器CF1~CF2、光敏二极管LDR5~LDR6以及电阻R13~R16电阻R23、R24，运算放大器CF1和CF2的PIN7脚均通过或门4071接芯片C；
运算放大器CF1的PIN4连接+5V电压，运算放大器CF1的PIN3接入光敏二极管LDR5的输出极与电阻R24的一端，电阻R24的另一端接地，运算放大器CF1的PIN2接入电阻R13和R14的公共端，电阻R14的另一端接入+5V电压，电阻R13的另一端接地，运算放大器CF1的PIN11脚接地；
运算放大器CF2的PIN4连接+5V电压，运算放大器CF2的PIN5接入光敏二极管LDR6输出极与电阻R23的一端，电阻R23的另一端接地，运算放大器CF2的PIN6接入电阻R15和R16的公共端，电阻R16的另一端接入+5V电压，电阻R15的另一端接地，运算放大器CF2的PIN11接地。
4.根据权利要求1所述的槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：所述的A/D转换电路包括芯片C以及单片机U5，芯片C的P3.0/RX脚连接单片机U5的SCL脚，芯片C的P3.1/TXD脚连接单片机U5的SDA脚，单片机U5的A0脚、A1脚、A2脚以及EXT脚均接地，单片机U5的VREF脚连接+5V电压，单片机U5的AGND脚接地。
5.根据权利要求1所述的槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：所述的时钟电路包括电池BAT1~BAT2、单片机U2、晶振X2以及芯片C，单片机U2的X1脚串联晶振X2后连接单片机U2的X2脚，单片机U2的VCC1脚依次串联电池BAT2和BAT1后接地，单片机U2的VCC2引脚连接电源端子VCC，单片机U2的RST脚连接芯片C的P1.0/T2脚，单片机U2的SCLK脚连接芯片C的P1.1/T2EX脚，单片机U3的I/O脚连接芯片C的P1.2脚。
6.根据权利要求1所述的槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：所述的调节装置包括水平步进电机、俯仰步进电机、水平限位模块、俯仰限位模块以及执行机构，驱动电路的信号输出端同时与水平步进电机和俯仰步进电机的信号输入端连接，水平步进电机的输出轴通过水平限位模块连接执行机构，俯仰步进电机的输出轴通过俯仰限位模块连接执行机构。
7.根据权利要求1所述的槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：还包括显示模块，显示模块的信号输入端与控制器的信号输出端连接。
8.根据权利要求7所述的槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：所述的显示模块包括显示屏LCD1、电位器RV1、排阻RP1以及芯片C，显示屏LCD1的VSS脚接地，显示屏LCD1的VDD脚连接+5V电压，显示屏LCD1的VEE引脚连接电位器RV1的一端，电位器RV2的另外两端分别连接+5V电压、接地，显示屏LCD1的D0脚同时连接芯片C的P0.0/AD0脚和排阻RP1的2脚，显示屏LCD1的D1脚同时连接芯片C的P0.1/AD1脚和排阻RP1的3脚，显示屏LCD1的D2脚同时连接芯片C的P0.2/AD2脚和排阻RP1的4脚，显示屏LCD1的D3脚同时连接芯片C的P0.3/AD3脚和排阻RP1的4脚，显示屏LCD1的D4脚同时连接芯片C的P0.4/AD4脚和排阻RP1的6脚，显示屏LCD1的D5脚同时连接芯片C的P0.5/AD5脚和排阻RP1的7脚，显示屏LCD1的D6脚同时连接芯片C的P0.6/AD6脚和排阻RP1的8脚，显示屏LCD1的D7脚同时连接芯片C的P0.7/AD7脚和排阻RP1的9脚，排阻RP1的1脚连接+5V电压。
9.根据权利要求1所述的槽式光热发电的智能追光系统，其特征在于：所述的调时模块包括按键开关S1~S5、芯片C以及电阻R17~R20，芯片C的P1.3脚同时连接电阻R17的一端和按键开关S1的一端，电阻R17的另一端连接+5V电压，按键开关S1的另一端接地，芯片C的P1.4脚同时连接电阻R18的一端和按键开关S2的一端，电阻R18的另一端连接+5V电压，按键开关S2的另一端接地，芯片C的P1.5脚同时连接电阻R19的一端和按键开关S3的一端，电阻R19的另一端连接+5V电压，按键开关S3的另一端接地，芯片C的P1.6脚同时连接电阻R20的一端和按键开关S4的一端，电阻R20的另一端连接+5V电压，按键开关S4的另一端接地，芯片C的P1.7脚同时连接电阻R21的一端和按键开关S5的一端，电阻R21的另一端连接+5V电压，按键开关S5的另一端接地。
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| CN (1) | CN116185085A (zh) |
Citations (6)
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| CN202548648U (zh) * | 2012-04-20 | 2012-11-21 | 中国科学院遥感应用研究所 | 一种太阳自动追踪系统 |
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-
2023
- 2023-04-26 CN CN202310456816.4A patent/CN116185085A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (6)
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