太阳能双轴追踪系统

徐海洲　王菲　李子轩　李志刚

关键词：光能发电；双轴追踪；逆向光源追踪

中图分类号：TM615；TP277 文献标识码：A

0 引言

本文介绍了太阳能双轴追踪系统的控制方法，其能够实现对太阳光照的追踪，大大提高了发电效率，降低了环境污染和对资源的依赖。该系统主要由机械部分和控制系统组成，其中机械部分包括舵机、光能传感器、太阳能光伏发电板和STM32F103C8T6 最小系统板。通过比例积分微分（proportional integral derivative，PID）控制算法计算摆放在4 个方向的光能传感器传输的数据的差值，来判断太阳的方位。通过逆向光源追踪算法，能够在太阳能光伏板密集区域实现光能的高效利用，并且有效减小热斑效应，延长太阳能发电板使用寿命[1]。该系统具有反馈速度快、运行时间短、制作成本低等优点。

1 研究背景及意义

1.1 研究背景

光伏发电的背景可以追溯到19 世纪初，当时科学家发现某些材料在受到光照时会产生电流。这个现象被称为光电效应，为光伏发电的研究奠定了理论基础[2]。然而，直到20 世纪中叶，才出现了真正可用的太阳能电池技术。

最早的太阳能电池是由硅材料制成的，其基于光照射到材料上时电子会受到激发而产生电流的原理。随着科技的进步，太阳能电池的效率不断提高，成本不断降低，使得光伏发电逐渐成为可行的能源解决方案。

在过去的几十年里，光伏发电得到了广泛的应用和推广。许多国家都推出了政策和鼓励措施来推动太阳能发电的发展。同时，随着技术的进步和规模效应的出现，太阳能电池板的成本大幅下降[3]，使得光伏发电成为经济可行的能源选择。

光伏发电不仅可以降低人们对化石燃料的依赖，减少温室气体排放，还能为偏远地区提供电力，改善人们的生活条件[4]。同时，多个国家还将光伏发电作为战略性发展领域，并加大研发投入，推动技术进步。

1.2 研究意义

传统光储电站采用的技术是“被动”的，即电站建设完成就几乎处于相对静止状态，光伏发电的功率曲线也被动地随着太阳能资源的波动呈正态分布。因此，这引发了一系列问题，如易受到太阳照射角度、天气等影响，光储随机性大、波动性高等。而太阳能双轴追踪系统可以追随光源，主动接收光源。

传统太阳能板会出现阴影遮挡，从而产生热斑效应，这降低了太阳能板的使用寿命。而太阳能双轴追踪系统能够利用逆向光源追踪法，有效解决热斑效应问题，并大大提高土地利用率，且在很小的范围内可以放置更多的光伏板，进而提高光能利用率。

2 系统应用前景

在实际应用中，太阳光线与太阳能光伏板的角度是影响太阳能发电效率的关键因素[5]。本文设计的太阳能双轴追踪系统能有效提高太阳能收集效率，降低系统成本[6]，并减少维护需求。相较于传统固定式太阳能板，该系统在日照时间、功率输出和生命周期等方面具有显著优势。追光发电系统的应用前景非常广泛，可以应用于多个领域，也可以解决生活中的多种问题。

2.1 在农业方面的应用

高原地区海拔高，土地温度低且多冻土，但空气稀薄，太阳能资源丰富。如果利用该系统将太阳能转化为热量，使得冻土融化，建设适合植物生长的温室大棚，就可能实现在高原地区种植蔬菜、水果等农作物，从而提高土地利用率，带来经济收益。

2.2 在住宅方面的应用

追光发电系统可以安装在住宅的屋顶上，利用太阳能进行发电。这种系统可以与传统的电力系统并联，将电力输送到家庭用电系统中。追光发电系统的优点是可以利用太阳能这种可再生能源，减少对传统能源的依赖[7]，同时还可以为家庭提供额外的电力支持，节省电费支出。

3 整體系统设计

3.1 结构设计

本产品为追光发电系统，是由一块太阳能板、电池、主控板、光敏电阻以及两个舵机组成。产品实物与产品模型分别如图1 和图2 所示。该系统通过程序控制舵机带动太阳能板随着光源移动，能够实现“主动追光”的过程，并且其还具有将光能转化为电能从而给其他用电器供电的功能。

3.2 硬件设计

3.2.1 追光部分

追光部分由太阳能板、光敏电阻、舵机以及主控板共同组成。通过程序采集光敏电阻引脚处的模拟数字转换器（analog to digital converter，ADC）值，将其输入函数中并通过PID 控制算法调节舵机旋转角度来使太阳能板垂直于光源，从而实现本产品的追光功能。

3.2.2 发电部分

太阳能板将光能转化为电能，其产生的电能一小部分供电给系统，其余电能则可供电给其他用电器， 图3 为降压电路原理图， 其中，solar为太阳能板正负极，VS 为辅助电源正极，GND为电源负极，PWM 为单片机输出的脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM），BAT 为单片机5 V 供电端口。系统通过最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT） 算法可以最大限度地利用转化的电能，减少电能的损耗。在没有阳光或者发电电量不稳定时，该算法需要辅助电源给系统供电，保证系统能够安全稳定地运行，图4 为辅助电源原理图，其中，VIN为该芯片电源正极，OUTPUT 为该芯片PWM 输出端口，FB 为电压反馈端口，ON_OFF 为该芯片使能端口。

3.3 软件设计

本产品以STM32 单片机作为主控，光敏电阻按照特定位置进行放置。当阳光照射时，不同方位电阻的电压值不同，单片机ADC 采集每个方位的电压，比较对应方位电压值。采用PID 控制算法，将输出结果以PWM 的形式传送给舵机，舵机转动实现闭环控制。在算法上，本文设计了一种融合算法，将光电追踪和位置追踪相融合，实现更加精准、有效地控制整个系统，图5 为系统流程。

追光发电是一种利用太阳能进行发电的技术，其原理是通过聚光镜将太阳光线集中到一个小点，然后使用热能转换器将这个小点的能量转换为热能，再用热能发动机将热能转化为电能，图6 为系统整体结构。

4 主要算法

4.1 逆向光源追踪法

由于早晚太阳高度角低，太阳能光伏发电板影子变长，在发电密集区域会出现阴影遮挡，导致热斑效应的出现。解决该问题有两种方式：第一种是采用大间距的太阳能发电板，但弊端是会增加土地占用面积，也会使太阳能的利用不充分；第二种是采用逆向光源追踪算法。

逆向光源追踪算法是在有光源遮挡的情况下采取的一种补救措施，其可以提高太阳能板的发电效率和使用寿命，在单位区域内，可放置的发电板数量增多，从而提高土地单位发电效率。逆向光源追踪法原理图如图7 所示。已知太阳能板长为W，发电板间距为M，太阳能板与地面夹角为γ，太阳高度角为θ。γ 的计算公式如下：

此算法可以提高光伏电池板使用寿命和发电效率，避免热斑效应。

4.2 PID 控制算法

PID 控制算法是现阶段比较成熟的控制理论。由于该系统两侧的光敏电阻阻值不同，ADC 采集到的电压不同，电压的差值作为输入参数传入PID，输出结果以PWM 的形式传送给舵机，使得舵机旋转并追踪太阳光。当晴天时，该系统能够准确追踪到阳光，但当多云或者外部光源变化較大时，会出现无法准确追踪阳光的现象，因此在原有基础上进行了两种方式的改进。

第一是采用差比和算法，在横竖向摆放4 个光敏电阻，如图8 所示，计算公式如下：

式中，E 为当次光源误差；L₁、R₁分别为外侧左、右光敏传感器采集值；L₂、R₂分别为内侧左、右光敏传感器采集值；A、B、C 分别为差比和系数。

采用式（2）可以使光照强度抗干扰能力增强，从而有效减小多云、阴天等外界干扰。再对差比和公式得到的数据进行一阶低通滤波，使得数据不会变化过大，舵机变化更加平稳。

第二是增加PID 控制算法运算的时间，传统PID 控制算法运算时间为5 ms，可将运算时间增加到50 ms。由于采用增量式PID 控制算法，单片机输出PWM 周期为20 ms，舵机脉冲高电平时间为0.5 ～ 2.5 ms，积分项I（误差的累积）会使数据突然变大，因此本文仅采用PD 算法（需要去除积分项I），进而能够保持更加稳定的追光。

经过以上两种方式的改进，能够完全实现在户外稳定追逐阳光，系统鲁棒性有显著提升，并且能够在室外不借助电源的情况下完成系统自供电运行。

5 结语与展望

太阳能双轴追踪系统是提高太阳能收集效率的关键技术，具有显著优势和广阔的应用前景。尽管面临一些挑战，如设备成本、电力消耗和精度控制等，但通过不断的研究和改进，相信双轴追踪系统将在未来发挥更大的作用，为全球能源转型做出重要贡献。