太阳能电池板双轴追踪控制系统的研究

于源霖 李凤霞

摘 要：一直以来，人类对于能源都是依赖的。煤、石油这些不可再生能源更是我们生活不可或缺的重要资源。但不可再生能源的开采与焚烧对环境造成了严重的破坏，以损坏环境而促进经济增长终归不是长久之计，因此，科研人员开始向新型能源探究，并在发现太阳能资源的基础上，对太阳能电池板双轴追踪控制系统进行了重点研究。

关键词：太阳能电池板；双轴追踪控制系统；太阳方位计算器

中图分类号：TM914.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0056-02

Abstract： Human beings have been dependent on energy for a long time. Coal， oil and other non-renewable energy resources are indispensable to our lives. However， the exploitation and burning of non-renewable energy have caused serious damage to the environment， and it is ultimately not a long-term solution to promote economic growth by damaging the environment. Therefore， researchers have begun to explore new sources of energy， and on the basis of the discovery of solar energy resources， the two-axis tracking control system of solar panels is studied in detail.

Keywords： solar panels； two-axis tracking control system； solar azimuth calculator

太阳能作为新型能源，具有取之不尽用之不竭的巨大优势。[1]在太阳能基础上，我们对太阳能电池板双轴追踪控制系统进行深入研究。明确其系统目前的发展现状，并从整体结构入手，对其硬件的设计及软件的开发进行研究，了解其调试方式，掌握太阳运转规律，为太阳能转化为电能提供更好的助力[1]。

1 国内外追踪系统的研究现状

1.1 太阳能跟踪装置的分类

在对太阳能电池板追踪控制系统进行研究之前，我们应该明确太阳能追踪装置的分类。对于该装置的分类，我们可以分为两种情况。

第一，根据装置反馈系统是否存在区分为：开环控制、闭环控制、混合控制。开环控制是指没有追踪反馈装置的系统，而闭环控制是指利用光敏仪器如二极管、电阻等对太阳光进行监测，如出现日照偏差，会产生偏差信号传递，进行提示。混合控制，则是指将开环控制与闭环控制有效整合起来，形成更加高效的追踪控制装置。第二，根据追踪太阳的方向角度不同，又可以分为单轨追踪与双轨追踪。

1.2 太阳光追踪系统国外研究现状

在太阳光追踪方面，世界上最有发言权的莫过于美国。早在上世纪末期，美国研究出了第一台单轴追踪系统，更大程度的追踪阳光，提升能源的转化率。一年后，再次由美国科学家创造出双轴追踪系统，这一系统在单轴系统上进行改善，利用平面镜聚光原理改善能源转化问题。

随后，方位太阳光追踪装置研发成功，根据太阳东升西落的原理，该装置也可以从东到西的追踪太阳进行能力转化，这与两年后研发出的记忆合金追踪装置异曲同工。最后，2006年一家名为安迅能的能源公司利用太阳追踪系统，创建了太阳能发电站，并借由以上技术创新改良，提高了百分之三十五的能量转化。

1.3 太阳光追踪系统国内研究现状

我国地域辽阔人口众多，长期被能源问题所困扰，也面临着重大的环境危机，因此，近年来越来越多的科研人员致力于新能源的开发与研究。而我国也较为侧重太阳能光伏产业。早在二十世纪90年代初，便已经开始了对太阳能的探索，1995年，我国自主研发的太阳能追踪系统便可以精准的追踪太阳，且准确度很高[2]。2007年，我国首套能够利用光伏发电系统进行太阳跟踪的系统问世，预示着我国在太阳能产业中又迈进了一步。

2 太阳光追踪系统的整体结构

2.1 太阳光追踪方式的选择

一般来说，太阳光的追踪方式可分为两类。一类是根据视日运动轨迹中太阳角度的计算。地球存在自转，又在围绕着太阳进行公转，所以地球上不同地点的每一时刻，太阳的高度与照射角度都不会相同。但是，因为地球的自转与公转都遵循一定的规律，所以研究人员在将地球设置为一个理想球体，并给予其相应参数。根据地球不同的变化规律，计算出同一地点不同时间的太阳高度角。

2.2 系统的总体设计方案

经过对以上多种追踪方式及分类的分析，我们针对太阳能电池板追踪控制系统进行了总体设计。其工作流程可以分解为以下几点：

2.2.1 光敏设备监测

在整个控制追踪系统中，最先发挥作用的是光敏原件，光敏设备在经过设置后，可以自动判断白天与夜晚，并将信息传递到控制系统。

2.2.2 控制中心

在光伏系统监测到信息后，控制系统会根据获取的信息進行工作。若检测到的是白天，变会开启设备运行装置，进入工作模式电池板进行太阳光追踪。若检测到的是夜晚，则发出睡眠指令，整个设备停止工作。

2.2.3 信号转换

无论是采用视日运动轨迹追踪方式还是光电追踪设施，殊途同归的将光源信号转化为电信号，最终促使电池板进行正常运转已达到追踪太阳的目的。

3 系统的硬件电路设计

3.1 光电检测电路设计

光电检测电路设计是利用光电原理制成光电传感器，以二极管为载体，采用四象限原理安置4个光敏元件，即小电阻。在安装完成后，利用该装置进行太阳光的检测，根据光敏电阻不同位置检测的光强不同，将检测到的光信号转化为电信号，在经过过滤后，选择电信号最强的方位调控电池板的转向，保证太阳能电池板最大限度实现太阳光的直射。

3.2 控制器的选择

在控制器的选择问题上，技术工程师一般会在满足基础操作的基础上选择性价比高、经济且使用便捷的芯片。这一方面，单机片是比较常用的，其具有结构精简操作、操作易上手、满足系统所需全部要求，并且具有较强的抗干扰能力。另一方面，控制器作为硬件系统的核心部分，对系统的稳定性与整体协调能力具有较高要求，而单机片恰恰具有性价比高、温差承受能力强、能够在各种恶劣环境下正常运行的特点，完美切合了主控制器的需要。

3.3 温度传感器

在太阳能电池板追踪控制系统的温度传感器的选择上，我们有诸多选择，但使用最为广泛的是DS18B20，这取决于他与所需电路具有相同的特点，传感精度高且占据体积小，并且具有较强的抗干扰能力，非常适用于太阳能电池板的应用。除此之外，太阳能电池板追踪控制系统一般假设在环境较为恶劣的地方，温差跨度可能存在较大差异，而该款温度传感器能够很好的适用于各种环境而不影响其检测结果，故此被普遍应用。

4 追踪系统的软件设计

4.1 系统的主程序设计

上文中我们曾提到太阳光的追踪方式有两种，视日运动轨迹追踪与光电追踪，因此在系统的主程序设计中，我们也采纳了这两个方面。主程序运行初始，我们需对数据进行清零再开始检测，在系统中输入光照强度预设值，光照一旦达到预设，系统便开始自动运行。但如一直未达到预设，将处于休眠状态。第二次检测将修改预设值为光电追踪的预设，再次尝试。如达到预设，则进行光电追踪，若未到预设值，将继续采用视日运动轨迹追踪方式进行工作。

4.2 太阳方位计算器软件

这一软件开发属于常规类型，创建工程文件，建立基础页面并附加所需程序，在工程文件中插入必备的模块与特殊要求的内容，并进行检测调试，最终保存成品。软件开发成功后，使用者只需要根据自己所处的地区输入相应的经度与纬度，以及时间，部分软件需要输入太阳的高度值，便可以精准计算出此时此地太阳的高度角与方位角，方便电池板进行太阳光的追踪。

4.3 光电追踪模式

光电追踪方式是依赖光敏元件进行追踪的一种追踪方式，根据太阳光的直射强度判断是否工作，也根据光敏元件感知到的光能成度对阳光进行精准的追踪。其工作原理是利用光敏二极管进行光照监控，如果检测到的光强大于预先设定的值，便会对阳光进行追踪，二极管不断检测光强，一旦光强下降低于预设，便会停止追踪，在这样的软件流程，确保太阳能电池板双轴追踪控制系统的正常运转。

5 系统的调试与分析

5.1 系统调试

经过以上研究，技术工程师们已经对追踪控制系统的软件硬件进行安装调试，接下来需要对系统进行更新及升级，已检测在硬件软件相结合的情况下能否正常工作。其具体测试方法如下：

5.1.1 参数设置

针对不同地区，其经纬度也不尽相同。科研人员需根据本地区的经纬度进行参数设置，保证实验数据偏差最小。

5.1.2 初始化系统

系统工作之初，需要技术工程师手动校对角度，直至电池板能够感知到关照的角度后，会自动进入工作状态，经过一段时间的追踪后，电池板会自主判断追踪角度，再次确认工作模式。

5.1.3 系统检测结果

在经过多次数据测试后，如系统能够正常运行，需要记录实验数据，并根据所得数据进行综合分析。如测试失败，系统无法正常运行，则需要从参数设置开始进行监测，并重新调节软硬件设计。

5.2 实验数据

在经过系统调配升级后，追踪系统将进入正式工作状态。通过软件正常工作，我们能够精准测算出太阳高度角与方位角。再将之与之前参数相比对，我们不难发现太阳每天的运动轨迹都不尽相同，所以匀速的电池板追踪存在偏差，而光伏电池板能够更好的获取电能源。

6 结束语

综上所述，对于中国这样一个能量高消耗的国家来说，经济、环境与能源的关系日趋紧张。太阳能、风能等资源取代不可再生能源是必然的选择，新能源开发也是世界各国的战略方针。在众多新能源中，太阳能以其取之不尽用之不竭的巨大优势，被广泛的使用。其中，太阳能电池板双轴追踪控制系统，便在太阳能发電中发挥重要作用。

参考文献：

[1]陈舟.太阳能双轴自动跟踪系统设计与研究[D].湖北工业大学，2015.

[2]秦兴盛，陈晓荣，聂道林.基于STM32的太阳能双轴跟踪控制系统[J].信息技术，2013（4）：113-115.