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(diǎn)。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(diǎn)的能量較少，同時(shí)太陽能的方向性決定了較長時(shí)間內(nèi)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(zhuǎn)換效率不高，目前世界上太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率最高也只有30％，而國內(nèi)使用的轉(zhuǎn)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(jī)模數(shù)混合的FPGA協(xié)調(diào)控制電機(jī)，驅(qū)動(dòng)太陽能電池板實(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)通過串口及時(shí)反饋相關(guān)信息到PC機(jī)上。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
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(jī)軟件4個(gè)部分組成。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了太陽能利用率的提高，太陽能的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，UPS功能。本設(shè)計(jì)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(bào)警單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和采光單元。利用FPGAAFS600作為控制處理單元，主要通過Verilog HDL硬件邏輯和cote51軟核實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制以及電源管理單元的控制。采光單元和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元主要實(shí)現(xiàn)采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)以及控制機(jī)械傳動(dòng)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(shí)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(shè)計(jì)
系統(tǒng)提供兩種方式對太陽方位進(jìn)行跟蹤：光敏電阻陣列自適應(yīng)控制算法和定位跟蹤算法。其中以光敏電阻陣列自適應(yīng)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(jī)結(jié)合，以增強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，其電阻值相應(yīng)變化，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
(1)陣列布局設(shè)計(jì)
如圖2右側(cè)所示，P1～P8為光敏電阻，分別布置在圓筒內(nèi)外東、南、西、北四個(gè)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(nèi)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(shè)置了一個(gè)保護(hù)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(gè)光敏電阻P1～P4能反映出當(dāng)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(diào)整太陽能電池板；布置在內(nèi)部的4個(gè)光敏電阻P5～P8用于精細(xì)調(diào)整電池板的方位。
當(dāng)太陽光偏離垂直方向一個(gè)較小的角度時(shí)，由于受環(huán)境散射光的影響，外部光敏電阻不會(huì)反映出太陽光線的變化；而內(nèi)部光敏電阻受到了圓筒對環(huán)境散射光的屏蔽保護(hù)，它們接收的照度會(huì)出現(xiàn)差值，即偏離信號。當(dāng)太陽光偏離了一個(gè)較大的角度時(shí)(陰雨天，烏云過后或者日夜交替)，筒內(nèi)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(jìn)行判斷和處理，控制太陽光接收裝置角度的調(diào)整，直到太陽能電池板對準(zhǔn)太陽。詳細(xì)的自適應(yīng)跟蹤流程見 2．2節(jié)。
(3)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取
粗略認(rèn)為太陽在24 h內(nèi)轉(zhuǎn)過360°，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為每半小時(shí)跟蹤1次，所以跟蹤的靈敏度為7．5°，即當(dāng)太陽角度偏轉(zhuǎn)7．5°(θ=7．5°)的時(shí)候，光敏電阻P5被遮擋，而P7能被光線照射。此時(shí)采光板就要進(jìn)行調(diào)整，以跟蹤太陽的方位。
根據(jù)實(shí)物的布局要求，設(shè)定圓桶的直徑D=5 cm，S=O．5 cm。因此，得到內(nèi)部傳感器之間距離為L=(5-2×O．5)=4 cm。上述的參數(shù)選定以后，根據(jù)H=S／tan(θ)，即H=S／tan(2 7c×7．5／360)，把S=O．5 cm代入，最后得到H=3．79 cm。實(shí)際中考慮到光線的散射和干擾，選取圓桶高度為6 cm。
1．2．2 定位跟蹤算法
因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)一周為24小時(shí)，可以粗略認(rèn)為太陽每小時(shí)自東向西偏移15°(360°／24)，設(shè)時(shí)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(dāng)?shù)鼐暥?。?jīng)計(jì)算得到：
根據(jù)公式(1)、(2)，考慮到南京經(jīng)度為e118．77，緯度為n32．O，海拔為50 m以下，再參考大數(shù)估計(jì)算法和相關(guān)的校正參數(shù)，在Matlab中編程計(jì)算出太陽方位角和高度角。由于此計(jì)算復(fù)雜龐大，會(huì)大量消耗FPGA的資源，不利于在 FPGA的51軟核下運(yùn)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(shí)間上忽略時(shí)區(qū)和分鐘的變化，在Keil C中重新精簡程序，并把前后算法所得數(shù)據(jù)以及實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比描繪曲線，如圖3所示。
圖3為根據(jù)2008年2月19號8：25～16：25每隔1小時(shí)南京太陽天頂角θZ和方位角θA以及實(shí)際測量的相應(yīng)值而描繪得出。其中左圖表示太陽方位角 (θA)隨時(shí)間變化自東向西偏轉(zhuǎn)的軌跡；右圖表示太陽高度角(90-θZ)隨時(shí)間變化的軌跡。通過對比，證明經(jīng)過Keil C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(shí)際測量軌跡基本吻合。這樣便使系統(tǒng)通過自行計(jì)算太陽方位來實(shí)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(jì)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(shí)際調(diào)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(shè)計(jì)與仿真測試
2．1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用前后臺(tái)系統(tǒng)。主程序是一個(gè)無限循環(huán)，循環(huán)中通過調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，而對于與時(shí)間關(guān)系很強(qiáng)的關(guān)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；由core51核配置，門驅(qū)動(dòng)核輸出，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的脈沖信號，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)采光的機(jī)械驅(qū)動(dòng)，從而調(diào)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(shù)據(jù)采集精度的主要因數(shù)是AD自身轉(zhuǎn)換的誤差以及瞬時(shí)強(qiáng)光干擾。系統(tǒng)通過51核用軟件的方法對AD輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波。
該FPGA還為用戶提供了可編程的脈寬調(diào)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(shí)現(xiàn)對蓄電池充電的控制。最后通過LCD實(shí)時(shí)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(yīng)的采光定位流程設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)的方便，本系統(tǒng)東西方向上對太陽跟蹤的詳細(xì)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(gè)以及內(nèi)部東西方向的2個(gè)光敏電阻電壓，外部4路與所設(shè)門限比較，判斷當(dāng)前天氣情況。如果連續(xù)3次采樣值低于黑夜的門限時(shí)，則認(rèn)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(nèi)部兩路光敏電阻電壓差值進(jìn)行判別，當(dāng)差值大于所設(shè)門限時(shí)、則認(rèn)為電池板方位需要進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整原則為：若東邊電壓值大于西邊，則電池板向東邊轉(zhuǎn)動(dòng)1．8°；反之，向西邊轉(zhuǎn)動(dòng)1．8°。調(diào)整以后再返回到數(shù)據(jù)采集，重復(fù)上述過程。系統(tǒng)對于太陽方位角度的計(jì)算，可以作為一種備用和補(bǔ)充校正方案，即當(dāng)光敏電阻損壞或者向光采光電路出現(xiàn)故障時(shí)，所采到的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)異常(例如長時(shí)間的為0或者電壓過高)，可以通過上位機(jī)發(fā)命令，用定位算法所得結(jié)果調(diào)整太陽能電池板的方位。
