基于ESP8266 的太陽能自動跟蹤和智能控制裝置＊

李雙斌，呂志華，朱鵬洲

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引言

近年來，由于能源消費量的逐步增加，導致傳統的能源日益匱乏，人們迫切地渴望獲取一種全新的能源[1]。因此，為了充分滿足社會和經濟增長的需要，尋找一種綠色、可再生型的新能源已經引起了全世界的重視。

太陽能是一種不容忽視、無限度的新型清潔再生能源，其應用已經受到世界各國的廣泛關注。相關統計資料表明，全世界79.6%的人口都居住在地球的“陽光地帶”，而處于這個位置的人擁有超過全球40%的發動機和太陽能電力。這些“陽光地帶”地區在光伏發電方面具備得天獨厚的自然條件。歐洲光伏協會(epia)指出，預計2022年清潔太陽能將漸漸發展成為整個地球范圍內的主流能源，并且在2030 年前將逐漸成為主要的清潔光伏電力來源。由此可以看出，光伏發電行業擁有良好的發展前景。

鑒于黨中央國務院提出的“西部大開發”發展戰略、全國經濟工作會議以及黨的十九大報告中多次明確指出的中國特色社會主義的基本方略(堅持人與自然和諧共生。必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策)與科學發展核心理念(堅持新發展理念。發展是解決我國一切問題的基礎和關鍵，發展必須是科學發展，必須堅定不移貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念)，本課題小組研制了一款ESP8266wifi的太陽能板位置自動調整、智能控制設備，綜合使用單片機、傳感器和ESP8266wifi 串口模塊，根據太陽照射角度和地理環境調節太陽能板的角度，檢測太陽能電池板工作狀態，將太陽能利用率提高，發展綠色清潔能源。

1 國內外研究現狀

國外研究起步較早，技術相對成熟，一些太陽能自動追蹤系統已在相關領域中商業化。其中，最具國際代表性的產品包括了由美國亞利桑那大學于2002 年9 月推出的新型遙控太陽能自動追蹤器[2]，該遙控裝置主要是基于一種可以進行自動控制的智能電機系統來進行實現自動跟蹤，具有結構緊湊、重量輕等優點，實現了新型太陽能自動追蹤器應用領域的進一步擴大。

而國內西藏羊八井可再生能源示范基地則成功并網投入運行大型高壓并網光伏逆變器以及單、雙軸自動跟蹤的并網光伏發電系統[3]，該風力發電系統由中國科學院電工研究所、北京科諾偉業科技有限公司共同研制，擁有噪音低、耗電量小、跟蹤精度高等諸多優點，是目前我國風力發電技術最先進及容量最大的追溯系統，具有廣闊的市場應用前景。

2 基于ESP8266的太陽能自動跟蹤和智能控制裝置

2.1 系統總體需求

近年來，根據研究結果可以看出，計算一個發電量應該是在一個方陣表面上完全無任何陰影條件下進行計算得到。若大氣中的日光不能直接通過太陽能電池，那么就只能采用散射式太陽電池進行發電[4]，而散射光比直接照射太陽電池的發電量減少10%～20%，甚至高達30%～40%。長期如此，太陽能電池板發電效率會大大折損，發電量達不到人們理想的效果。

在實際情況中，很多太陽能發電站面積大，檢測設備不夠智能化，人工矯正不及時，降低了太陽能電池板發電的效率。因此，智能化的控制設備，對于滿足人類生活需求和能源供給、保持世界經濟持續增長和發展清潔能源太陽能具有十分重要的意義。

2.2 設計內容

本項目在山東華宇工學院電氣學院指導老師的共同指導下，由項目負責人帶領的研究小組研究基于ESP8266 的太陽能自動跟蹤和智能控制裝置。該系統基于太陽能自動跟蹤裝置及物聯網，實時轉向穩定性和信息數據采集能力大大提高，利用物聯網來實時傳輸太陽能系統數據，且適應多種區域，性能穩定，利用自動跟蹤裝置代替傳統固定式機構，能夠提高太陽能發電效率，完成智能控制。

2.3 整體設計

基于ESP8266 的太陽能自動跟蹤和智能控制裝置總體框架設計：系統總體框架設計中，太陽能自動跟蹤和智能控制裝置是一套由ESP8266 芯片作為主控芯片，用于太陽能自動跟蹤和智能控制的裝置，該芯片具有大容量、低能耗、高性能等優點。太陽能電池板、蓄電池作為太陽能自動跟蹤及智能控制的驅動能源，并在自動跟蹤和智能控制裝置上搭載一系列傳感器，以自動跟蹤裝置代替傳統固定式機構，以4個光敏元件為基礎，在自然環境下實現對太陽的自動追蹤。設備信息由各種傳感器采集來獲取，工作人員可通過手機APP或PC端遠距離地信息監測及控制太陽能自動跟蹤和智能控制裝置，系統設計如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.4 硬件設計

太陽能自動跟蹤和智能控制裝置的主要硬件是ESP8266 芯片、單晶硅太陽能板、蓄電池、電機、二軸跟蹤裝置、光敏元件、顯示器以及聯網模塊等。

硬件平臺的設計主要包括：1）太陽能自動跟蹤電路結構設計；2）太陽能自動跟蹤機械結構設計；3）控制系統結構設計。實物結構圖如圖2所示。

圖2 實物結構圖

執行該系統的主要控制部件所發出的主要控制指令，需要首先將其傳遞至主要執行元器件，因此，要使得單晶硅太陽能電池板自動追蹤太陽光線方位并隨之轉動，執行元器件就是其中不可或缺的一個重要組成部分。為了真正實現精準追蹤的目標，本系統中所選擇的執行元器件均為步進電機，能夠有效地控制太陽能電池的運動方位和角度。又因為步進電機和普通的直流電機不同，步進電機若想真正完成自動追蹤的任務，系統必須裝有步進電機的驅動器，兩者只有相互配合，才能共同做好自動追蹤的任務。

自動追溯控制系統需要兩個執行元件來協調其中的工作，而雙軸追溯可以完成預期目標，這就需要兩個執行元件來協調其中的工作。所以，本系統中的執行元件應該是選擇兩臺型號相同的步進電機。基于對整個系統結構框架的研究與設計以及對太陽能電池負載重量的考慮，最終確定了四相六線制85byg11450a 型步進電機。以ESP8266 單片機為主要控制核心，設計系統控制部分。ESP8266單片機首先將來自太陽位置的傳感器發出的信號進行接收，然后用一定的可變編程算法來準確地判斷太陽具體的方位，同時，計算輸入信號顯示其位置并經過控制信號的輸出，將位置提供給步進電機驅動器，最后步進電機驅動器根據接受到的指令來操控步進電機，使其能夠帶動太陽能電池追趕著太陽的轉動。

而控制太陽能轉向裝置的工作狀態只需工作人員通過PC 端或手機APP 進行相關操作，把太陽能自動跟蹤和智能控制裝置作為遠程的工作平臺，其上配有傳感器系統、供電系統、物聯網通信等系統，以強大的阿里云作為云服務平臺，為太陽能轉向裝置提供了穩定的工作條件，更保障了數據上傳工作的順利完成。

2.5 軟件設計

基于ESP8266 的太陽能自動跟蹤和智能控制裝置由ESP8266 芯片作為主控芯片，用Arduino IDE 軟件進行程序編輯。在其上集成一系列傳感器，并通過物聯網和互聯網相配合進行數據傳輸。用各種傳感器采集數據后進行回傳并統計，讓工作人員在PC端或手機APP上實現對各個區域太陽能發電系統的實時監測。智能控制裝置安裝有精確定位系統，可通過PC 端或手機APP 實時監測各區域檢測裝置的位置，這使工作人員尋找故障太陽能發電裝置時因廠區巨大而未能及時準確找到的概率顯著降低，節省了大量的時間。

可根據自然條件不同，設計不同的安裝要求，在太陽能自動跟蹤和智能控制設備上集成所需的檢測設備信息的傳感器，通過這些傳感器采集到檢測信息，再將采集到的檢測信息，由單片機進行反饋。用于與手機APP 或PC 端傳輸數據軟件設計圖如圖3所示。

圖3 軟件設計圖

3 結論

通過學習和研究，用自動跟蹤裝置代替傳統固定式機構，并遠程實時傳輸設備檢測數據，使發電效率顯著提高。本項目設計的基于ESP8266 的太陽能自動跟蹤和智能控制裝置各個方面的性能均較好，有著較高的研究價值及廣闊的發展前景。