引言

太陽能是資源豐富、無污染的能源替代品，怎樣提高對其的利用率逐漸成為各國的研究焦點。太陽能的利用存在以下問題：首先，太陽能雖然資源豐富，但能量分散，集中在某點的能量較少，同時太陽能的方向性決定了較長時間內不可能在固定方向一直獲取較大的能量；第二，太陽能受環(huán)境條件的制約，只有在白天太陽光線較好的情況下，才能獲得穩(wěn)定的太陽能；第三，太陽能電池板的轉換效率不高，目前世界上太陽能電池板的轉換效率最高也只有30％，而國內使用的轉換效率大都在20％左右。本課題主要針對太陽能利用率低這一問題，利用太陽定位算法以及光敏電阻傳感器反饋法，并通過Fusion系列單片機模數混合的FpGA協(xié)調控制電機，驅動太陽能電池板實時追日，以提高太陽能的利用率。后續(xù)通過FpGA的pWM模塊對蓄電池進行智能充電和電源管理，最后在開發(fā)板的LCD單元中顯示天氣和電源狀態(tài)信息，并同時通過串口及時反饋相關信息到pC機上。

1系統(tǒng)設計

1．1系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)主要由中央處理單元、智能采光、電源管理和上位機軟件4個部分組成。系統(tǒng)主要實現(xiàn)了太陽能利用率的提高，太陽能的轉換和存儲，UpS功能。本設計還提供了對系統(tǒng)的檢測和管理。

如圖1所示，系統(tǒng)包括控制處理單元、電源管理單元、供電和輸電單元(包括太陽能電池板、蓄電池、市電、電能輸出接口)、接口單元、LCD顯示單元、按鍵、指示和報警單元、步進電機驅動單元和采光單元。利用FpGAAFS600作為控制處理單元，主要通過VerilogHDL硬件邏輯和cote51軟核實現(xiàn)數據采集、處理、電機的驅動控制以及電源管理單元的控制。采光單元和步進電機驅動單元主要實現(xiàn)采集光強數據以及控制機械傳動改變太陽能電池板的方位的功能。電源管理單元與供電和輸電單元實現(xiàn)蓄電池充／供電切換、市電供電和蓄電池供電切換、太陽能充／供電切換、電能變換輸出。

1．2智能采光的設計

系統(tǒng)提供兩種方式對太陽方位進行跟蹤：光敏電阻陣列自適應控制算法和定位跟蹤算法。其中以光敏電阻陣列自適應控制算法為核心，以定位跟蹤算法為輔助校正。這兩種方式有機結合，以增強系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性，使其能更好地適合各種環(huán)境。

1．2．1光敏電阻陣列

光敏電阻是電阻性傳感器，在所受到的光強度發(fā)生變化時，其電阻值相應變化，可將光信號轉換為電信號。

(1)陣列布局設計

如圖2右側所示，p1～p8為光敏電阻，分別布置在圓筒內外東、南、西、北四個方位。p1～p4裸露在外，東西對稱的一對(p1，p3)用于粗略檢測太陽方位角θA；另一對(p2，p4)用于粗略檢測太陽入射角θZ；p5～p8在圓筒內部，東西對稱的(p5，p7)用于精確檢測太陽方位角θA；另一對(p6，p8)用于精確檢測太陽入射角θZ。采光板設置了一個保護圓筒，它可以較大程度屏蔽外界環(huán)境的散射光及其他干擾光線，使得外界的干擾光源對跟蹤效果的影響降到較低，提高跟蹤精度。

(2)跟蹤原理

布置在外部的4個光敏電阻p1～p4能反映出當前天氣情況，例如陰天、晴天或者黑夜，從而可以決定是否需要調整太陽能電池板；布置在內部的4個光敏電阻p5～p8用于精細調整電池板的方位。

當太陽光偏離垂直方向一個較小的角度時，由于受環(huán)境散射光的影響，外部光敏電阻不會反映出太陽光線的變化；而內部光敏電阻受到了圓筒對環(huán)境散射光的屏蔽保護，它們接收的照度會出現(xiàn)差值，即偏離信號。當太陽光偏離了一個較大的角度時(陰雨天，烏云過后或者日夜交替)，筒內的光敏電阻可能接收不到太陽光，筒外的光敏電阻就能反映出照度差值?？刂茊卧ㄟ^對信號再進行判斷和處理，控制太陽光接收裝置角度的調整，直到太陽能電池板對準太陽。詳細的自適應跟蹤流程見2．2節(jié)。

(3)設計參數的選取

粗略認為太陽在24h內轉過360°，本系統(tǒng)設計指標為每半小時跟蹤1次，所以跟蹤的靈敏度為7．5°，即當太陽角度偏轉7．5°(θ=7．5°)的時候，光敏電阻p5被遮擋，而p7能被光線照射。此時采光板就要進行調整，以跟蹤太陽的方位。

根據實物的布局要求，設定圓桶的直徑D=5cm，S=O．5cm。因此，得到內部傳感器之間距離為L=(5-2×O．5)=4cm。上述的參數選定以后，根據H=S／tan(θ)，即H=S／tan(27c×7．5／360)，把S=O．5cm代入，最后得到H=3．79cm。實際中考慮到光線的散射和干擾，選取圓桶高度為6cm。

1．2．2定位跟蹤算法

因為地球自轉一周為24小時，可以粗略認為太陽每小時自東向西偏移15°(360°／24)，設時角為ω，磁偏角(赤緯角)為э，太陽入射角(天頂角)為θZ，太陽方位角為θA，φ為當地緯度。經計算得到：

根據公式(1)、(2)，考慮到南京經度為e118．77，緯度為n32．O，海拔為50m以下，再參考大數估計算法和相關的校正參數，在Matlab中編程計算出太陽方位角和高度角。由于此計算復雜龐大，會大量消耗FpGA的資源，不利于在FpGA的51軟核下運行?？紤]到本系統(tǒng)只針對南京地區(qū)，地形上忽略海拔和緯度的變化，時間上忽略時區(qū)和分鐘的變化，在KeilC中重新精簡程序，并把前后算法所得數據以及實際測量數據進行對比描繪曲線，如圖3所示。

圖3為根據2008年2月19號8：25～16：25每隔1小時南京太陽天頂角θZ和方位角θA以及實際測量的相應值而描繪得出。其中左圖表示太陽方位角(θA)隨時間變化自東向西偏轉的軌跡；右圖表示太陽高度角(90-θZ)隨時間變化的軌跡。通過對比，證明經過KeilC的簡化，并未帶來明顯的軌跡偏差，而且定位算法所得到的軌跡與實際測量軌跡基本吻合。這樣便使系統(tǒng)通過自行計算太陽方位來實現(xiàn)追日成為可能。圖中曲線還表明對于太陽方位角和高度角，計算值整體比測量值大，這主要是由于大氣對太陽光折射以及測量的誤差而造成的，在實際調試中可以做出一定的修正，以改善追日效果。

2系統(tǒng)流程設計與仿真測試

2．1系統(tǒng)流程設計

本系統(tǒng)采用前后臺系統(tǒng)。主程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中通過調用相應的函數完成相應的操作，而對于與時間關系很強的關鍵操作通過中斷處理完成。主程序軟件流程如圖4所示。

利用該FpGA的core51核作為控制處理單元的核心，通過所提供的帶有模擬功能的AD模塊對多路AD采樣的數據進行處理和分析；由core51核配置，門驅動核輸出，控制電機驅動的脈沖信號，實現(xiàn)對系統(tǒng)采光的機械驅動，從而調整太陽能電池板的方位。由于太陽光的變化是比較緩慢的，所以影響本系統(tǒng)數據采集精度的主要因數是AD自身轉換的誤差以及瞬時強光干擾。系統(tǒng)通過51核用軟件的方法對AD輸入的數據進行平滑濾波。

該FpGA還為用戶提供了可編程的脈寬調制(pWM)核，即可以通過軟件的方式改變輸出脈沖的周期和占空比。其中pWM模塊提供了pWM_addr、pWM_data輸入信號，用于修改pWM波形的周期和占空比。通過core51核的配置，pWM核輸出pWM控制信號，實現(xiàn)對蓄電池充電的控制。最后通過LCD實時顯示天氣和蓄電池狀態(tài)信息，并通過串口反饋到pC。

2．2自適應的采光定位流程設計

為了實現(xiàn)的方便，本系統(tǒng)東西方向上對太陽跟蹤的詳細流程如圖5所示(南北方向的跟蹤原理是一樣的)。系統(tǒng)先通過AD采集到外部4個以及內部東西方向的2個光敏電阻電壓，外部4路與所設門限比較，判斷當前天氣情況。如果連續(xù)3次采樣值低于黑夜的門限時，則認為是黑夜，系統(tǒng)將停止工作。如果判為陰天，則系統(tǒng)控制太陽能電池板，讓其方位保持不變。如果為晴天，則按照所采到的內部兩路光敏電阻電壓差值進行判別，當差值大于所設門限時、則認為電池板方位需要進行調整。調整原則為：若東邊電壓值大于西邊，則電池板向東邊轉動1．8°；反之，向西邊轉動1．8°。調整以后再返回到數據采集，重復上述過程。系統(tǒng)對于太陽方位角度的計算，可以作為一種備用和補充校正方案，即當光敏電阻損壞或者向光采光電路出現(xiàn)故障時，所采到的數據會出現(xiàn)異常(例如長時間的為0或者電壓過高)，可以通過上位機發(fā)命令，用定位算法所得結果調整太陽能電池板的方位。

在不同的環(huán)境下反復測試并改善遮光效果，得到內電阻采樣電壓再判別晴天、陰天和黑夜的門限分別為6．1V、5．8V和0．1V(采用6．2V電源供電)；在太陽光偏離一定角度時，內電阻因遮光筒遮光而產生的電壓差值在1V左右；在白天由于突然而來的強光而產生的外部電阻采樣電壓波動在0．2V左右。通過改變內電阻采樣電壓差值門限發(fā)現(xiàn)，門限電壓過低將使得電機轉動過于靈敏，浪費電能；門限電壓過高，將導致不能實時追日。最終設門限為0．8V，達到最佳效果。

2．3AD的仿真

由于AFS600有16路12位的AD，因此用5位表示通道號，用12位表示對應的數據。在設計AD數據與core51的數據交換中，采用分3字節(jié)的傳輸方式把17位數據分高、中、低3個字節(jié)分別傳給core51，測試激勵與仿真結果，如圖6所示。

av_0為通道1，r_clk為core51的讀命令端口，在一次數據有效(DATAVALID產生一個脈沖)分別讀取3個字節(jié)的數據。先把十六進制的采樣數據轉換成十進制，除以4095再乘以8，([D(0x9c4)／4095]×8)，計算得到4．88V，而實際值為5V，誤差為2．4％。av_1為通道4，同理得到轉換結果為2．91V，實際值為3V，誤差為3％。

2．4上位機軟件

上位機軟件共包括兩個模塊：顯示模塊，負責刷新界面上的狀態(tài)、數據等；通信模塊，與MCU進行通信，并且將通信的結果放入上位機內存，調用顯示模塊刷新界面。上位機軟件通過串口與MCU連接后，若沒有傳遞經緯度時間信息的命令，則每隔3s上位機向單片機請求1次數據；若有傳遞經緯度時間信息的命令，則優(yōu)先發(fā)送該命令。任何命令發(fā)送給MCU以后，如果1s內沒有收到MCU的回應，則判斷已經斷開了連接。

結語

本系統(tǒng)的設計和調試雖只是在實驗階段，但基本能實現(xiàn)預定功能，而且所得數據和調試結果將為相關方面的研究提供寶貴經驗。目前，仍有需要改進的地方：首先，考慮到陰雨天氣系統(tǒng)仍能正常工作，則采光筒的保護需要完善；第二，完善太陽跟蹤機械裝置的設計，提高裝置的精度、穩(wěn)定性、節(jié)能性；第三，本系統(tǒng)只實現(xiàn)了太陽在東西方向的跟蹤，在南北方向上的跟蹤還需要進一步的完善。

本系統(tǒng)稍加成本便可以較大幅度提升太陽能的轉化和利用性能，并且具有良好的擴展性；還可結合具體背景廣泛應用到汽車、家居、公共場所和工業(yè)現(xiàn)場等用電領域。