太陽能雙軸追蹤系統

徐海洲　王菲　李子軒　李志剛

關鍵詞：光能發電；雙軸追蹤；逆向光源追蹤

中圖分類號：TM615；TP277 文獻標識碼：A

0 引言

本文介紹了太陽能雙軸追蹤系統的控制方法，其能夠實現對太陽光照的追蹤，大大提高了發電效率，降低了環境污染和對資源的依賴。該系統主要由機械部分和控制系統組成，其中機械部分包括舵機、光能傳感器、太陽能光伏發電板和STM32F103C8T6 最小系統板。通過比例積分微分（proportional integral derivative，PID）控制算法計算擺放在4 個方向的光能傳感器傳輸的數據的差值，來判斷太陽的方位。通過逆向光源追蹤算法，能夠在太陽能光伏板密集區域實現光能的高效利用，并且有效減小熱斑效應，延長太陽能發電板使用壽命[1]。該系統具有反饋速度快、運行時間短、制作成本低等優點。

1 研究背景及意義

1.1 研究背景

光伏發電的背景可以追溯到19 世紀初，當時科學家發現某些材料在受到光照時會產生電流。這個現象被稱為光電效應，為光伏發電的研究奠定了理論基礎[2]。然而，直到20 世紀中葉，才出現了真正可用的太陽能電池技術。

最早的太陽能電池是由硅材料制成的，其基于光照射到材料上時電子會受到激發而產生電流的原理。隨著科技的進步，太陽能電池的效率不斷提高，成本不斷降低，使得光伏發電逐漸成為可行的能源解決方案。

在過去的幾十年里，光伏發電得到了廣泛的應用和推廣。許多國家都推出了政策和鼓勵措施來推動太陽能發電的發展。同時，隨著技術的進步和規模效應的出現，太陽能電池板的成本大幅下降[3]，使得光伏發電成為經濟可行的能源選擇。

光伏發電不僅可以降低人們對化石燃料的依賴，減少溫室氣體排放，還能為偏遠地區提供電力，改善人們的生活條件[4]。同時，多個國家還將光伏發電作為戰略性發展領域，并加大研發投入，推動技術進步。

1.2 研究意義

傳統光儲電站采用的技術是“被動”的，即電站建設完成就幾乎處于相對靜止狀態，光伏發電的功率曲線也被動地隨著太陽能資源的波動呈正態分布。因此，這引發了一系列問題，如易受到太陽照射角度、天氣等影響，光儲隨機性大、波動性高等。而太陽能雙軸追蹤系統可以追隨光源，主動接收光源。

傳統太陽能板會出現陰影遮擋，從而產生熱斑效應，這降低了太陽能板的使用壽命。而太陽能雙軸追蹤系統能夠利用逆向光源追蹤法，有效解決熱斑效應問題，并大大提高土地利用率，且在很小的范圍內可以放置更多的光伏板，進而提高光能利用率。

2 系統應用前景

在實際應用中，太陽光線與太陽能光伏板的角度是影響太陽能發電效率的關鍵因素[5]。本文設計的太陽能雙軸追蹤系統能有效提高太陽能收集效率，降低系統成本[6]，并減少維護需求。相較于傳統固定式太陽能板，該系統在日照時間、功率輸出和生命周期等方面具有顯著優勢。追光發電系統的應用前景非常廣泛，可以應用于多個領域，也可以解決生活中的多種問題。

2.1 在農業方面的應用

高原地區海拔高，土地溫度低且多凍土，但空氣稀薄，太陽能資源豐富。如果利用該系統將太陽能轉化為熱量，使得凍土融化，建設適合植物生長的溫室大棚，就可能實現在高原地區種植蔬菜、水果等農作物，從而提高土地利用率，帶來經濟收益。

2.2 在住宅方面的應用

追光發電系統可以安裝在住宅的屋頂上，利用太陽能進行發電。這種系統可以與傳統的電力系統并聯，將電力輸送到家庭用電系統中。追光發電系統的優點是可以利用太陽能這種可再生能源，減少對傳統能源的依賴[7]，同時還可以為家庭提供額外的電力支持，節省電費支出。

3 整體系統設計

3.1 結構設計

本產品為追光發電系統，是由一塊太陽能板、電池、主控板、光敏電阻以及兩個舵機組成。產品實物與產品模型分別如圖1 和圖2 所示。該系統通過程序控制舵機帶動太陽能板隨著光源移動，能夠實現“主動追光”的過程，并且其還具有將光能轉化為電能從而給其他用電器供電的功能。

3.2 硬件設計

3.2.1 追光部分

追光部分由太陽能板、光敏電阻、舵機以及主控板共同組成。通過程序采集光敏電阻引腳處的模擬數字轉換器（analog to digital converter，ADC）值，將其輸入函數中并通過PID 控制算法調節舵機旋轉角度來使太陽能板垂直于光源，從而實現本產品的追光功能。

3.2.2 發電部分

太陽能板將光能轉化為電能，其產生的電能一小部分供電給系統，其余電能則可供電給其他用電器， 圖3 為降壓電路原理圖， 其中，solar為太陽能板正負極，VS 為輔助電源正極，GND為電源負極，PWM 為單片機輸出的脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM），BAT 為單片機5 V 供電端口。系統通過最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT） 算法可以最大限度地利用轉化的電能，減少電能的損耗。在沒有陽光或者發電電量不穩定時，該算法需要輔助電源給系統供電，保證系統能夠安全穩定地運行，圖4 為輔助電源原理圖，其中，VIN為該芯片電源正極，OUTPUT 為該芯片PWM 輸出端口，FB 為電壓反饋端口，ON_OFF 為該芯片使能端口。

3.3 軟件設計

本產品以STM32 單片機作為主控，光敏電阻按照特定位置進行放置。當陽光照射時，不同方位電阻的電壓值不同，單片機ADC 采集每個方位的電壓，比較對應方位電壓值。采用PID 控制算法，將輸出結果以PWM 的形式傳送給舵機，舵機轉動實現閉環控制。在算法上，本文設計了一種融合算法，將光電追蹤和位置追蹤相融合，實現更加精準、有效地控制整個系統，圖5 為系統流程。

追光發電是一種利用太陽能進行發電的技術，其原理是通過聚光鏡將太陽光線集中到一個小點，然后使用熱能轉換器將這個小點的能量轉換為熱能，再用熱能發動機將熱能轉化為電能，圖6 為系統整體結構。

4 主要算法

4.1 逆向光源追蹤法

由于早晚太陽高度角低，太陽能光伏發電板影子變長，在發電密集區域會出現陰影遮擋，導致熱斑效應的出現。解決該問題有兩種方式：第一種是采用大間距的太陽能發電板，但弊端是會增加土地占用面積，也會使太陽能的利用不充分；第二種是采用逆向光源追蹤算法。

逆向光源追蹤算法是在有光源遮擋的情況下采取的一種補救措施，其可以提高太陽能板的發電效率和使用壽命，在單位區域內，可放置的發電板數量增多，從而提高土地單位發電效率。逆向光源追蹤法原理圖如圖7 所示。已知太陽能板長為W，發電板間距為M，太陽能板與地面夾角為γ，太陽高度角為θ。γ 的計算公式如下：

此算法可以提高光伏電池板使用壽命和發電效率，避免熱斑效應。

4.2 PID 控制算法

PID 控制算法是現階段比較成熟的控制理論。由于該系統兩側的光敏電阻阻值不同，ADC 采集到的電壓不同，電壓的差值作為輸入參數傳入PID，輸出結果以PWM 的形式傳送給舵機，使得舵機旋轉并追蹤太陽光。當晴天時，該系統能夠準確追蹤到陽光，但當多云或者外部光源變化較大時，會出現無法準確追蹤陽光的現象，因此在原有基礎上進行了兩種方式的改進。

第一是采用差比和算法，在橫豎向擺放4 個光敏電阻，如圖8 所示，計算公式如下：

式中，E 為當次光源誤差；L₁、R₁分別為外側左、右光敏傳感器采集值；L₂、R₂分別為內側左、右光敏傳感器采集值；A、B、C 分別為差比和系數。

采用式（2）可以使光照強度抗干擾能力增強，從而有效減小多云、陰天等外界干擾。再對差比和公式得到的數據進行一階低通濾波，使得數據不會變化過大，舵機變化更加平穩。

第二是增加PID 控制算法運算的時間，傳統PID 控制算法運算時間為5 ms，可將運算時間增加到50 ms。由于采用增量式PID 控制算法，單片機輸出PWM 周期為20 ms，舵機脈沖高電平時間為0.5 ～ 2.5 ms，積分項I（誤差的累積）會使數據突然變大，因此本文僅采用PD 算法（需要去除積分項I），進而能夠保持更加穩定的追光。

經過以上兩種方式的改進，能夠完全實現在戶外穩定追逐陽光，系統魯棒性有顯著提升，并且能夠在室外不借助電源的情況下完成系統自供電運行。

5 結語與展望

太陽能雙軸追蹤系統是提高太陽能收集效率的關鍵技術，具有顯著優勢和廣闊的應用前景。盡管面臨一些挑戰，如設備成本、電力消耗和精度控制等，但通過不斷的研究和改進，相信雙軸追蹤系統將在未來發揮更大的作用，為全球能源轉型做出重要貢獻。