高精度太阳追踪系统研究与实现

  黄杭昌1,俞  磊2,唐晓晟2,姜曦轮2

  (1.福建鑫叶投资管理集团有限公司,福建 厦门361022;2.北京邮电大学,北京100876)

  摘  要: 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应用。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传感器对太阳进行精细的自动追踪。系统对传感器做了优化设计,保证了追踪精度;采用粗定位与精度结合的方式,对追踪算法做了优化设计,从而提高了追踪速度。

  关键词: 高精度;太阳追踪;GPS;PSD传感器;控制算法

0 引言

  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应用,尤其在电力、烟草、文教等领域。其中,太阳追踪系统是太阳能应用中的重要组件。但传统的追踪系统一般适用于1 000倍以下的聚光系统,而在自然光导入照明的新兴领域,往往需要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满足要求。因此,实现高精度的太阳自动追踪显得尤其重要。

  当前关于太阳自动追踪主要有两种方法: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缺陷,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整追踪姿态[1],实现了对太阳的高精度自动追踪。

1 系统设计

  1.1 光学要求及设计

  本文选取太阳光光纤照明应用设计追踪系统。该类系统的聚光比达到2 000倍以上,远远高于其他聚光应用的倍数(比如太阳光聚光发电的500~1 000倍),对于精度的要求要远远高于传统的系统要求。

  因此,首先需要根据实际应用的光学系统计算出追踪系统所需要达到的精度要求。图1是光学系统的光学结构图。假设太阳光是平行光,经过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,光纤所采集的能量损失情况。由图可见,当偏离角度达到0.05°时,能量损失约为10%,达到0.1°时,能量损失将达到约25%,为了尽可能提高太阳光的收集效率,并且尽可能降低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。考虑到太阳平均每240 s将产生大约1°的角度偏转,所以将追踪频率设定在12 s。

图像 001.png

图1  光学系统的光学结构图

图像 002.png

图2  光纤对准效率随菲涅尔透镜入射偏角变化曲线

  1.2 PSD传感器设计

  1.2.1 PSD传感器

  本系统用的二维PSD位置传感器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。系统采用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情况下,太阳偏移角度分辨率约为0.001°。本系统选取0.05°作为更新误差阈值,其对应的位移约为44 ,则传感器完全可以满足该精度。PSD传感器为4路信号输出,传感器套在具有小孔的长方体金属屏蔽罩里[2]。其结构示意图如图3所示。

图像 003.png

图3  PSD传感器结构示意图

  1.2.2 PSD信号处理电路板

  PSD传感器的信号处理电路板如图4所示。电路中,PSD传感器输入的电流信号(PSD0~PSD3)接运放的反向输入端,并通过运放转换成输出的电压信号(AD0~AD3),直接接入控制芯片的AD引脚。

图像 004.png

图4  PSD信号处理电路板示意图

  1.3 控制电路设计

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