基于單片機的太陽雙軸自動跟蹤系統的研究

李嘉晟，孔鈺媛，李佳星，俞雨馨，李瑞英

（大慶師范學院機電工程學院，黑龍江大慶，163712）

1 本系統的應用背景

自古以來，能源一直是人類賴以生存的必要資源，隨著國民對生活水平要求的不斷提高，能源與環境問題已成為全球各地廣泛關注的熱點問題，目前長期占據人類能源消耗的首要地位的能源是一次性不可再生能源（例如石油、天然氣、核燃料等），而這些一次性不可再生能源燃燒時產生大量的二氧化碳，這是產生溫室相應的罪魁禍首。由于環境問題迫使政府大力發展各式可再生能源來替代一次能源。但是2014 年6月英國石油公司（BP Amoco）在第21屆世界石油大會上發布的《英國石油公司2014年世界能源統計回顧》指出：可再生能源發電增速迅猛，但占全球能源消費的比例很低還不到 2.2%，還是無法快速替代一次性不可再生能源的。其中圖 1 為 2018 年全球和中國能源消費占比示意圖。可見可再生能源的發展潛力非常大。眾所周知，大慶油田是中國第一大油田，原油產量依然一直穩居我國第一。隨著石油儲量的下降，大慶于2021年4月建立了大慶市第一座光伏發電基地，使得大慶能源除了經典產業石油之外，有了綠色新能源基地，新能源平臺的開發，使得大慶成為新的城市能源轉型的成功案例，大慶成為多元化能源城市，為祖國能源提供保障。該項目可設計“時空+光控”的雙控光伏發電裝置，可大大提高發電效率，從而提高大慶等寒冷地帶光伏發電的效能力。

1.1 本系統研究進度和需求

國內的許多專家也對太陽能自動追蹤系統進行了大量的研究，特別是最近的取得的成果大多都令人驚喜。1990年左右中國國家氣象局對太陽的輻射進行了研究，制作出全國第一臺全自動追光系統，但由于成本過于高昂，不適用于大批量生產。1992 年，新疆的張迎勝發明了一種太陽能灶自動跟蹤系統。1994年中科院的王志峰研制了一種太陽能單軸跟蹤系統，用于集熱器和熱發電并被《太陽能》雜志刊登。21世紀初，一種采用五片光電池進行比較式跟蹤的五象限雙軸跟蹤裝置的研究論文在《應用光學》上發表，該論文提出了黑腔式五象限光電跟蹤的概念，雖然是將黑腔底部劃分為上、下、左、右、中五個部分，但實際上還是四象限。

太陽能作為可持續再生能源中最容易獲得的資源，其應用前景非常寬廣，在現有的新能源中占據極大的優勢。光伏發電由于全世界各地對太陽能發電技術重視的不斷提高，現在已經成為世界上發展最快的技術。但由于它存在能量損耗過高，不好采集，生成不穩定，隨季節氣候和天氣晝夜變化而變化等缺點，為了解決這些問題同時滿足價格等方面的需求，我們在除了精確度較高的元件以外，其余零件降低成本；傳輸信息速度快；操作簡單。

1.2 本系統主要部件及功能

本系統采用 STM32F103R8T6 單片機為控制核心，并結合光電跟蹤和時控跟蹤進行太陽能電池板的雙軸旋轉控制。將系統分為7大模塊，相互協調又互相獨立，它們由光照強度傳感器、光電探測器、步進電機和機械執行機構、時鐘模塊、風速傳感器以及太陽能電池板參數采集模塊組成，將數據傳輸給單片機進行分析比較得出結論，系統結構框圖如圖 2 所示。

圖2 系統結構構圖

1.3 系統詳細設計

（1）系統硬件原理圖

本裝置是一種根據太陽光照強度來自動調整太陽能板角度的裝置，基于單片機的太陽能光線自動追蹤系統硬件原理圖如圖3所示。

圖3 基于單片機的太陽能光線自動追蹤系統硬件原理圖

（2）控制系統的設計思想和目標

本文在確定采納時控與光電相結合的跟蹤方法后，明確了系統的設計思想和需要實現的功能。

這個程序由三個模塊構成，分別是在判斷為晴天后通過光敏元件追蹤光線的光電追蹤模塊和判斷為陰天后根據之前設定的時間和太陽運動軌跡轉動太陽能光板的時鐘追蹤模塊以及在確定為黑天之后對太陽能光板復位的復位模塊。

本系統為了增強對各個地域的適應性并且安裝操作方便而采用時鐘控制與光電比較控制兩種方法進行太陽跟蹤，可以減少位置信息模塊的使用。

1.4 系統的工作原理

為了避免盲目跟蹤，減少對光板壽命的消耗，根據當地太陽升起時間設定時鐘模塊每天工作時間。發光二極管來判斷當時環境是否天亮，若判斷為已經亮天，則從最初設定跟蹤方式進行跟蹤。若是在跟蹤途中突然檢測不到光源則暫時停止系統的繼續運轉，當檢測到確實沒有光源后，將太陽能光板恢復到初始位置，若是再次檢測到光源則繼續啟動系統進行實時跟蹤。另外，由于早上或者傍晚太陽光微弱，進行光電跟蹤可能還會浪費產生的電能，則啟用時控跟蹤在一段時間之后光照強度達到設定標準后轉變為光電跟蹤。由于太陽東升西落耗時24小時，意味著平均每15分鐘轉動1°，為了減少太陽能光板因為微小的角度變化對光板方向進行調整降低光板壽命并消耗能量，單片機每15分鐘讀取一次的數據調整光板角度。測定當時的光照強度，根據單片機的判斷進行跟蹤：晴天時啟動光電檢測跟蹤，驅動步進電機帶動光電探測器和太陽能板運動，開始搜索跟蹤太陽的位置，使電池板與太陽光線垂直，完成后暫停跟蹤，系統進入15分鐘的暫停等待狀態，直到15分鐘后再次接收到光照強度傳感器的信號。陰雨天時啟動時控跟蹤，使電池板在水平和豎直方向上各轉動1°，然后每15分鐘轉動1°。當光電模塊檢測到陰雨天轉為晴天時，則又采用光電跟蹤。若判斷為黑夜，則停止轉動，等待下一次檢測，若下一次檢測還是黑夜時，則進行太陽能光板的復位，使其回到原始位置，等待第二天白天的到來。

2 系統實驗成果分析

準備兩臺條件相同的設備，并將其中的一臺控制部分換為本次設計的跟蹤裝置。另外一臺未作改裝，采用固定最佳角度（正午太陽方位）放置。每天均從清晨開始讀取電壓和電流，直到工作12小時后結束，若當日變為黑夜用黑色布料將其遮蓋，確保時間準確。為確保數據準確每15分鐘對裝置信息進行采集，將一天所有采集的48次數據傳輸到電腦上。

根據數據表格繪制電壓和功率曲線，電壓曲線如圖 4所示。輸出功率由輸出電流和電壓計算獲得，其曲線如圖 5 所示。從兩幅圖中看出無論是電壓還是輸出功率添加跟蹤系統的裝置在同樣條件下除了中午太陽直射時期一直高于未安裝跟蹤裝置的設備，電壓和功率總的變化趨勢都是上午增加下午降低，這與太陽的能量在不同的時間提供的能量不同。對平均功率進行統計，經計算，一天中總功率提升約 31%。

圖4 跟蹤與非跟蹤電壓對比曲線

圖5 跟蹤與非跟蹤輸出功率對比曲線

3 結束語

太陽能以其取之不盡用之不竭、綠色、環保等特點成為人們備受矚目的焦點。利用太陽能追蹤系統能極大地提高太陽能的利用率已被大多數人知曉，從目前的研究來看結合光電跟蹤和時控跟蹤進行太陽能電池板的旋轉控制系統，精度較高具有無與倫比的優越性，但一個真正運行的高效的太陽能跟蹤系統不僅是單一的系統控制，我們還應該注意外界環境對裝置的影響，因此我們應該因地制宜制作適合當地發展的太陽能自動跟蹤系統，這有利于更好地提高太陽的利用效率，也是我們接下來繼續認真研究的問題。