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用于碟式太阳能聚能器的太阳自动跟踪系统研制 第37卷第1期2011年1月信息化研究 InformatizationResearch Vo1.37No.1 Feb.2011 用于碟式太阳能聚能器的太阳自动跟踪系统研制 尤力,周建江 (南京航空航天大学大学信息科学与技术学院,江苏南京,210016) 摘要:本文研制了一种用于碟式太阳能聚能器的太阳自动跟踪系统,该系统利用高精度的PSD (PositionSensitiveDetector,位置敏感探测器)传感器来获取太阳的指向位置,通过ARM7微控制器 S3C44BOX控制高精度机械转台转动,从而使聚能器指向太阳光入射方向.全文设计论证了系统软, 硬件的实现方案,并研制出了相应的系统平台.实际测试结果表明,相比固定朝向式的聚能器,该系 统对太阳能的采集效率能够提高约30%. 关键词:太阳能;自动跟踪;PSD;ARM 中图分类号:TP273 0引言 在现今全球科技飞速发展的环境下,太阳能作为 一 种免费,无污染,取之不尽并且能够用来发电的能 源,其利用越来越受到人们的重视.在太阳能光发电 中,相同条件下,自动跟踪式太阳能发电设备要比固 定朝向式太阳能发电设备的发电量提高35%,而成本 下降125%.因此在太阳能的聚能利用中,对太阳的指 向进行跟踪是很有必要的,而跟踪装置的精度将显着 地影响聚能器利用太阳能的效率.本文主要设计研 制了一种用于碟式太阳能聚能器的太阳自动跟踪系 统,该系统利用高精度的PSD传感器来获取太阳的入 射方位,然后通过32位的嵌入式ARM7微控制器 S3C44BOX实现开闭环结合的控制算法来控制步进电 机带动高精度机械转台转动,从而使得聚能器指向太 阳入射方向.系统实现了对太阳的全自动跟踪. 1太阳自动跟踪系统结构设计与工作原理 碟式太阳能聚能器的基本原理是利用旋转抛物 面反射镜,将入射太阳光聚集在焦点上,从而使得放 置在焦点处的太阳能接收器能够高效地采集太阳能. 如果系统能够始终保持聚焦镜面指向太阳,并自动对 太阳进行跟踪,那么太阳能聚能器对太阳能的利用效 率能得到很大程度的提高.本文所设计的太阳自动 跟踪系统主要由3个部分组成:高精度光学位置传感 器,系统控制电路和高精度跟踪转台,其结构示意图 如图1所示. 太阳自动跟踪系统的工作原理是这样的:首先, 收稿日期:2010—11—08;修回日期:2010—12-08 置 高精度跟 踪转台 图1太阳自动跟踪系统结构示意图 系统利用光电位置探测器测量太阳的入射方位信息, 然后探测器信号调理电路把所得到的位置信息经过 调理放大后传送到控制模块,控制模块根据所接收到 的位置信息通过相应的控制算法,控制高精度转台的 转动实现对太阳指向的对准.随着一天中太阳位置 的变化,系统重复进行上述过程,从而实现系统对太 阳指向的自动跟踪对准. 2太阳定位模块硬件电路设计 系统硬件部分主要由微处理器模块,传感器模 块,电机驱动模块3个部分组成,下面主要对传感器模 块和微处理器模块进行设计. 2.1传感器模块设计 PSD是一种能测量光点在探测器表面上连续位置 的光学探测器,与CCD(ChargeCoupledDevice,电荷耦 .9? ? 研究与设计?信息化研究2011年1月 合器件)探测器相比,PSD具有位置分辨率高,响应速 度快和处理电路简单等诸多优点.本设计中选用沈 阳光敏科技有限公司生产的二维面型PSD作为光电 位置探测器来获取太阳的入射方位信息. 面型PSD有5个引脚,分别为X,yI,X2,,Vref,其 中厂为PSD提供工作电压,一般为+6V,而其余四个 引脚则分别输出光电流信号,.以PSD的几何中心为 原点,光线照射在PSD上的位置坐标(,y)与4个引 脚输出电流的关系为 x=考×㈤ y一一L!垄±!二!垄±!f 2一墨++y1+y2一 其中L为PSD传感器中.电极与电极(或y1电极与 y2电极)的间距,L=15mm.根据上述公式,可将PSD 传感器模块划分为PSD传感器基准电压电路,电流电 压转换,模拟加减运算电路以及二象限模拟除法器等 几个部分,其结构框图如图2所示. PSD基准 电压电路 蜀电压 卫电压 电压 电压 l器器馏暑 图2传感嚣信号调理模块结构框图 2.2微处理器控制模块硬件电路设计 系统控制模块的功能主要是接收太阳定位模块 传来的太阳入射的方位信息,然后根据相应的算法控 制机械转台转动,使得碟式太阳能聚能器指向太阳入 射方向,从而实现其对太阳的自动跟踪.控制模块的 硬件电路部分主要是构架能使S3C44BOX正常工作的 嵌入式硬件平台以及该平台同太阳光定位模块和机 械模块等模块电路之间的接口,使得控制模块能更好 地发挥核心控制作用,提高系统的性能. 3太阳自动跟踪系统软件设计 根据系统的设计要求,系统的软件