基于ESP8266 的太阳能自动跟踪和智能控制装置＊

2021-07-08李双斌吕志华朱鹏洲

南方农机 2021年12期

李双斌，吕志华，朱鹏洲

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

近年来，由于能源消费量的逐步增加，导致传统的能源日益匮乏，人们迫切地渴望获取一种全新的能源[1]。因此，为了充分满足社会和经济增长的需要，寻找一种绿色、可再生型的新能源已经引起了全世界的重视。

太阳能是一种不容忽视、无限度的新型清洁再生能源，其应用已经受到世界各国的广泛关注。相关统计资料表明，全世界79.6%的人口都居住在地球的“阳光地带”，而处于这个位置的人拥有超过全球40%的发动机和太阳能电力。这些“阳光地带”地区在光伏发电方面具备得天独厚的自然条件。欧洲光伏协会(epia)指出，预计2022年清洁太阳能将渐渐发展成为整个地球范围内的主流能源，并且在2030 年前将逐渐成为主要的清洁光伏电力来源。由此可以看出，光伏发电行业拥有良好的发展前景。

鉴于党中央国务院提出的“西部大开发”发展战略、全国经济工作会议以及党的十九大报告中多次明确指出的中国特色社会主义的基本方略(坚持人与自然和谐共生。必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策)与科学发展核心理念(坚持新发展理念。发展是解决我国一切问题的基础和关键，发展必须是科学发展，必须坚定不移贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念)，本课题小组研制了一款ESP8266wifi的太阳能板位置自动调整、智能控制设备，综合使用单片机、传感器和ESP8266wifi 串口模块，根据太阳照射角度和地理环境调节太阳能板的角度，检测太阳能电池板工作状态，将太阳能利用率提高，发展绿色清洁能源。

1 国内外研究现状

国外研究起步较早，技术相对成熟，一些太阳能自动追踪系统已在相关领域中商业化。其中，最具国际代表性的产品包括了由美国亚利桑那大学于2002 年9 月推出的新型遥控太阳能自动追踪器[2]，该遥控装置主要是基于一种可以进行自动控制的智能电机系统来进行实现自动跟踪，具有结构紧凑、重量轻等优点，实现了新型太阳能自动追踪器应用领域的进一步扩大。

而国内西藏羊八井可再生能源示范基地则成功并网投入运行大型高压并网光伏逆变器以及单、双轴自动跟踪的并网光伏发电系统[3]，该风力发电系统由中国科学院电工研究所、北京科诺伟业科技有限公司共同研制，拥有噪音低、耗电量小、跟踪精度高等诸多优点，是目前我国风力发电技术最先进及容量最大的追溯系统，具有广阔的市场应用前景。

2 基于ESP8266的太阳能自动跟踪和智能控制装置

2.1 系统总体需求

近年来，根据研究结果可以看出，计算一个发电量应该是在一个方阵表面上完全无任何阴影条件下进行计算得到。若大气中的日光不能直接通过太阳能电池，那么就只能采用散射式太阳电池进行发电[4]，而散射光比直接照射太阳电池的发电量减少10%～20%，甚至高达30%～40%。长期如此，太阳能电池板发电效率会大大折损，发电量达不到人们理想的效果。

在实际情况中，很多太阳能发电站面积大，检测设备不够智能化，人工矫正不及时，降低了太阳能电池板发电的效率。因此，智能化的控制设备，对于满足人类生活需求和能源供给、保持世界经济持续增长和发展清洁能源太阳能具有十分重要的意义。

2.2 设计内容

本项目在山东华宇工学院电气学院指导老师的共同指导下，由项目负责人带领的研究小组研究基于ESP8266 的太阳能自动跟踪和智能控制装置。该系统基于太阳能自动跟踪装置及物联网，实时转向稳定性和信息数据采集能力大大提高，利用物联网来实时传输太阳能系统数据，且适应多种区域，性能稳定，利用自动跟踪装置代替传统固定式机构，能够提高太阳能发电效率，完成智能控制。

2.3 整体设计

基于ESP8266 的太阳能自动跟踪和智能控制装置总体框架设计：系统总体框架设计中，太阳能自动跟踪和智能控制装置是一套由ESP8266 芯片作为主控芯片，用于太阳能自动跟踪和智能控制的装置，该芯片具有大容量、低能耗、高性能等优点。太阳能电池板、蓄电池作为太阳能自动跟踪及智能控制的驱动能源，并在自动跟踪和智能控制装置上搭载一系列传感器，以自动跟踪装置代替传统固定式机构，以4个光敏元件为基础，在自然环境下实现对太阳的自动追踪。设备信息由各种传感器采集来获取，工作人员可通过手机APP或PC端远距离地信息监测及控制太阳能自动跟踪和智能控制装置，系统设计如图1所示。

图1 系统结构图

2.4 硬件设计

太阳能自动跟踪和智能控制装置的主要硬件是ESP8266 芯片、单晶硅太阳能板、蓄电池、电机、二轴跟踪装置、光敏元件、显示器以及联网模块等。

硬件平台的设计主要包括：1）太阳能自动跟踪电路结构设计；2）太阳能自动跟踪机械结构设计；3）控制系统结构设计。实物结构图如图2所示。

图2 实物结构图

执行该系统的主要控制部件所发出的主要控制指令，需要首先将其传递至主要执行元器件，因此，要使得单晶硅太阳能电池板自动追踪太阳光线方位并随之转动，执行元器件就是其中不可或缺的一个重要组成部分。为了真正实现精准追踪的目标，本系统中所选择的执行元器件均为步进电机，能够有效地控制太阳能电池的运动方位和角度。又因为步进电机和普通的直流电机不同，步进电机若想真正完成自动追踪的任务，系统必须装有步进电机的驱动器，两者只有相互配合，才能共同做好自动追踪的任务。

自动追溯控制系统需要两个执行元件来协调其中的工作，而双轴追溯可以完成预期目标，这就需要两个执行元件来协调其中的工作。所以，本系统中的执行元件应该是选择两台型号相同的步进电机。基于对整个系统结构框架的研究与设计以及对太阳能电池负载重量的考虑，最终确定了四相六线制85byg11450a 型步进电机。以ESP8266 单片机为主要控制核心，设计系统控制部分。ESP8266单片机首先将来自太阳位置的传感器发出的信号进行接收，然后用一定的可变编程算法来准确地判断太阳具体的方位，同时，计算输入信号显示其位置并经过控制信号的输出，将位置提供给步进电机驱动器，最后步进电机驱动器根据接受到的指令来操控步进电机，使其能够带动太阳能电池追赶着太阳的转动。

而控制太阳能转向装置的工作状态只需工作人员通过PC 端或手机APP 进行相关操作，把太阳能自动跟踪和智能控制装置作为远程的工作平台，其上配有传感器系统、供电系统、物联网通信等系统，以强大的阿里云作为云服务平台，为太阳能转向装置提供了稳定的工作条件，更保障了数据上传工作的顺利完成。

2.5 软件设计

基于ESP8266 的太阳能自动跟踪和智能控制装置由ESP8266 芯片作为主控芯片，用Arduino IDE 软件进行程序编辑。在其上集成一系列传感器，并通过物联网和互联网相配合进行数据传输。用各种传感器采集数据后进行回传并统计，让工作人员在PC端或手机APP上实现对各个区域太阳能发电系统的实时监测。智能控制装置安装有精确定位系统，可通过PC 端或手机APP 实时监测各区域检测装置的位置，这使工作人员寻找故障太阳能发电装置时因厂区巨大而未能及时准确找到的概率显著降低，节省了大量的时间。

可根据自然条件不同，设计不同的安装要求，在太阳能自动跟踪和智能控制设备上集成所需的检测设备信息的传感器，通过这些传感器采集到检测信息，再将采集到的检测信息，由单片机进行反馈。用于与手机APP 或PC 端传输数据软件设计图如图3所示。