基于单片机的太阳双轴自动跟踪系统的研究

李嘉晟，孔钰媛，李佳星，俞雨馨，李瑞英

（大庆师范学院机电工程学院，黑龙江大庆，163712）

1 本系统的应用背景

自古以来，能源一直是人类赖以生存的必要资源，随着国民对生活水平要求的不断提高，能源与环境问题已成为全球各地广泛关注的热点问题，目前长期占据人类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、天然气、核燃料等），而这些一次性不可再生能源燃烧时产生大量的二氧化碳，这是产生温室相应的罪魁祸首。由于环境问题迫使政府大力发展各式可再生能源来替代一次能源。但是2014 年6月英国石油公司（BP Amoco）在第21届世界石油大会上发布的《英国石油公司2014年世界能源统计回顾》指出：可再生能源发电增速迅猛，但占全球能源消费的比例很低还不到 2.2%，还是无法快速替代一次性不可再生能源的。其中图 1 为 2018 年全球和中国能源消费占比示意图。可见可再生能源的发展潜力非常大。众所周知，大庆油田是中国第一大油田，原油产量依然一直稳居我国第一。随着石油储量的下降，大庆于2021年4月建立了大庆市第一座光伏发电基地，使得大庆能源除了经典产业石油之外，有了绿色新能源基地，新能源平台的开发，使得大庆成为新的城市能源转型的成功案例，大庆成为多元化能源城市，为祖国能源提供保障。该项目可设计“时空+光控”的双控光伏发电装置，可大大提高发电效率，从而提高大庆等寒冷地带光伏发电的效能力。

1.1 本系统研究进度和需求

国内的许多专家也对太阳能自动追踪系统进行了大量的研究，特别是最近的取得的成果大多都令人惊喜。1990年左右中国国家气象局对太阳的辐射进行了研究，制作出全国第一台全自动追光系统，但由于成本过于高昂，不适用于大批量生产。1992 年，新疆的张迎胜发明了一种太阳能灶自动跟踪系统。1994年中科院的王志峰研制了一种太阳能单轴跟踪系统，用于集热器和热发电并被《太阳能》杂志刊登。21世纪初，一种采用五片光电池进行比较式跟踪的五象限双轴跟踪装置的研究论文在《应用光学》上发表，该论文提出了黑腔式五象限光电跟踪的概念，虽然是将黑腔底部划分为上、下、左、右、中五个部分，但实际上还是四象限。

太阳能作为可持续再生能源中最容易获得的资源，其应用前景非常宽广，在现有的新能源中占据极大的优势。光伏发电由于全世界各地对太阳能发电技术重视的不断提高，现在已经成为世界上发展最快的技术。但由于它存在能量损耗过高，不好采集，生成不稳定，随季节气候和天气昼夜变化而变化等缺点，为了解决这些问题同时满足价格等方面的需求，我们在除了精确度较高的元件以外，其余零件降低成本；传输信息速度快；操作简单。

1.2 本系统主要部件及功能

本系统采用 STM32F103R8T6 单片机为控制核心，并结合光电跟踪和时控跟踪进行太阳能电池板的双轴旋转控制。将系统分为7大模块，相互协调又互相独立，它们由光照强度传感器、光电探测器、步进电机和机械执行机构、时钟模块、风速传感器以及太阳能电池板参数采集模块组成，将数据传输给单片机进行分析比较得出结论，系统结构框图如图 2 所示。

图2 系统结构构图

1.3 系统详细设计

（1）系统硬件原理图

本装置是一种根据太阳光照强度来自动调整太阳能板角度的装置，基于单片机的太阳能光线自动追踪系统硬件原理图如图3所示。

图3 基于单片机的太阳能光线自动追踪系统硬件原理图

（2）控制系统的设计思想和目标

本文在确定采纳时控与光电相结合的跟踪方法后，明确了系统的设计思想和需要实现的功能。

这个程序由三个模块构成，分别是在判断为晴天后通过光敏元件追踪光线的光电追踪模块和判断为阴天后根据之前设定的时间和太阳运动轨迹转动太阳能光板的时钟追踪模块以及在确定为黑天之后对太阳能光板复位的复位模块。

本系统为了增强对各个地域的适应性并且安装操作方便而采用时钟控制与光电比较控制两种方法进行太阳跟踪，可以减少位置信息模块的使用。

1.4 系统的工作原理

为了避免盲目跟踪，减少对光板寿命的消耗，根据当地太阳升起时间设定时钟模块每天工作时间。发光二极管来判断当时环境是否天亮，若判断为已经亮天，则从最初设定跟踪方式进行跟踪。若是在跟踪途中突然检测不到光源则暂时停止系统的继续运转，当检测到确实没有光源后，将太阳能光板恢复到初始位置，若是再次检测到光源则继续启动系统进行实时跟踪。另外，由于早上或者傍晚太阳光微弱，进行光电跟踪可能还会浪费产生的电能，则启用时控跟踪在一段时间之后光照强度达到设定标准后转变为光电跟踪。由于太阳东升西落耗时24小时，意味着平均每15分钟转动1°，为了减少太阳能光板因为微小的角度变化对光板方向进行调整降低光板寿命并消耗能量，单片机每15分钟读取一次的数据调整光板角度。测定当时的光照强度，根据单片机的判断进行跟踪：晴天时启动光电检测跟踪，驱动步进电机带动光电探测器和太阳能板运动，开始搜索跟踪太阳的位置，使电池板与太阳光线垂直，完成后暂停跟踪，系统进入15分钟的暂停等待状态，直到15分钟后再次接收到光照强度传感器的信号。阴雨天时启动时控跟踪，使电池板在水平和竖直方向上各转动1°，然后每15分钟转动1°。当光电模块检测到阴雨天转为晴天时，则又采用光电跟踪。若判断为黑夜，则停止转动，等待下一次检测，若下一次检测还是黑夜时，则进行太阳能光板的复位，使其回到原始位置，等待第二天白天的到来。

2 系统实验成果分析

准备两台条件相同的设备，并将其中的一台控制部分换为本次设计的跟踪装置。另外一台未作改装，采用固定最佳角度（正午太阳方位）放置。每天均从清晨开始读取电压和电流，直到工作12小时后结束，若当日变为黑夜用黑色布料将其遮盖，确保时间准确。为确保数据准确每15分钟对装置信息进行采集，将一天所有采集的48次数据传输到电脑上。

根据数据表格绘制电压和功率曲线，电压曲线如图 4所示。输出功率由输出电流和电压计算获得，其曲线如图 5 所示。从两幅图中看出无论是电压还是输出功率添加跟踪系统的装置在同样条件下除了中午太阳直射时期一直高于未安装跟踪装置的设备，电压和功率总的变化趋势都是上午增加下午降低，这与太阳的能量在不同的时间提供的能量不同。对平均功率进行统计，经计算，一天中总功率提升约 31%。

图4 跟踪与非跟踪电压对比曲线

图5 跟踪与非跟踪输出功率对比曲线

3 结束语

太阳能以其取之不尽用之不竭、绿色、环保等特点成为人们备受瞩目的焦点。利用太阳能追踪系统能极大地提高太阳能的利用率已被大多数人知晓，从目前的研究来看结合光电跟踪和时控跟踪进行太阳能电池板的旋转控制系统，精度较高具有无与伦比的优越性，但一个真正运行的高效的太阳能跟踪系统不仅是单一的系统控制，我们还应该注意外界环境对装置的影响，因此我们应该因地制宜制作适合当地发展的太阳能自动跟踪系统，这有利于更好地提高太阳的利用效率，也是我们接下来继续认真研究的问题。