基于單片機(jī)的太陽雙軸自動跟蹤系統(tǒng)的研究

李嘉晟，孔鈺媛，李佳星，俞雨馨，李瑞英

（大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江大慶，163712）

1 本系統(tǒng)的應(yīng)用背景

自古以來，能源一直是人類賴以生存的必要資源，隨著國民對生活水平要求的不斷提高，能源與環(huán)境問題已成為全球各地廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題，目前長期占據(jù)人類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、天然氣、核燃料等），而這些一次性不可再生能源燃燒時產(chǎn)生大量的二氧化碳，這是產(chǎn)生溫室相應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)?。由于環(huán)境問題迫使政府大力發(fā)展各式可再生能源來替代一次能源。但是2014 年6月英國石油公司（BP Amoco）在第21屆世界石油大會上發(fā)布的《英國石油公司2014年世界能源統(tǒng)計回顧》指出：可再生能源發(fā)電增速迅猛，但占全球能源消費(fèi)的比例很低還不到 2.2%，還是無法快速替代一次性不可再生能源的。其中圖 1 為 2018 年全球和中國能源消費(fèi)占比示意圖。可見可再生能源的發(fā)展?jié)摿Ψ浅４?。眾所周知，大慶油田是中國第一大油田，原油產(chǎn)量依然一直穩(wěn)居我國第一。隨著石油儲量的下降，大慶于2021年4月建立了大慶市第一座光伏發(fā)電基地，使得大慶能源除了經(jīng)典產(chǎn)業(yè)石油之外，有了綠色新能源基地，新能源平臺的開發(fā)，使得大慶成為新的城市能源轉(zhuǎn)型的成功案例，大慶成為多元化能源城市，為祖國能源提供保障。該項目可設(shè)計“時空+光控”的雙控光伏發(fā)電裝置，可大大提高發(fā)電效率，從而提高大慶等寒冷地帶光伏發(fā)電的效能力。

1.1 本系統(tǒng)研究進(jìn)度和需求

國內(nèi)的許多專家也對太陽能自動追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，特別是最近的取得的成果大多都令人驚喜。1990年左右中國國家氣象局對太陽的輻射進(jìn)行了研究，制作出全國第一臺全自動追光系統(tǒng)，但由于成本過于高昂，不適用于大批量生產(chǎn)。1992 年，新疆的張迎勝發(fā)明了一種太陽能灶自動跟蹤系統(tǒng)。1994年中科院的王志峰研制了一種太陽能單軸跟蹤系統(tǒng)，用于集熱器和熱發(fā)電并被《太陽能》雜志刊登。21世紀(jì)初，一種采用五片光電池進(jìn)行比較式跟蹤的五象限雙軸跟蹤裝置的研究論文在《應(yīng)用光學(xué)》上發(fā)表，該論文提出了黑腔式五象限光電跟蹤的概念，雖然是將黑腔底部劃分為上、下、左、右、中五個部分，但實(shí)際上還是四象限。

太陽能作為可持續(xù)再生能源中最容易獲得的資源，其應(yīng)用前景非常寬廣，在現(xiàn)有的新能源中占據(jù)極大的優(yōu)勢。光伏發(fā)電由于全世界各地對太陽能發(fā)電技術(shù)重視的不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上發(fā)展最快的技術(shù)。但由于它存在能量損耗過高，不好采集，生成不穩(wěn)定，隨季節(jié)氣候和天氣晝夜變化而變化等缺點(diǎn)，為了解決這些問題同時滿足價格等方面的需求，我們在除了精確度較高的元件以外，其余零件降低成本；傳輸信息速度快；操作簡單。

1.2 本系統(tǒng)主要部件及功能

本系統(tǒng)采用 STM32F103R8T6 單片機(jī)為控制核心，并結(jié)合光電跟蹤和時控跟蹤進(jìn)行太陽能電池板的雙軸旋轉(zhuǎn)控制。將系統(tǒng)分為7大模塊，相互協(xié)調(diào)又互相獨(dú)立，它們由光照強(qiáng)度傳感器、光電探測器、步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、時鐘模塊、風(fēng)速傳感器以及太陽能電池板參數(shù)采集模塊組成，將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析比較得出結(jié)論，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

（1）系統(tǒng)硬件原理圖

本裝置是一種根據(jù)太陽光照強(qiáng)度來自動調(diào)整太陽能板角度的裝置，基于單片機(jī)的太陽能光線自動追蹤系統(tǒng)硬件原理圖如圖3所示。

圖3 基于單片機(jī)的太陽能光線自動追蹤系統(tǒng)硬件原理圖

（2）控制系統(tǒng)的設(shè)計思想和目標(biāo)

本文在確定采納時控與光電相結(jié)合的跟蹤方法后，明確了系統(tǒng)的設(shè)計思想和需要實(shí)現(xiàn)的功能。

這個程序由三個模塊構(gòu)成，分別是在判斷為晴天后通過光敏元件追蹤光線的光電追蹤模塊和判斷為陰天后根據(jù)之前設(shè)定的時間和太陽運(yùn)動軌跡轉(zhuǎn)動太陽能光板的時鐘追蹤模塊以及在確定為黑天之后對太陽能光板復(fù)位的復(fù)位模塊。

本系統(tǒng)為了增強(qiáng)對各個地域的適應(yīng)性并且安裝操作方便而采用時鐘控制與光電比較控制兩種方法進(jìn)行太陽跟蹤，可以減少位置信息模塊的使用。

1.4 系統(tǒng)的工作原理

為了避免盲目跟蹤，減少對光板壽命的消耗，根據(jù)當(dāng)?shù)靥柹饡r間設(shè)定時鐘模塊每天工作時間。發(fā)光二極管來判斷當(dāng)時環(huán)境是否天亮，若判斷為已經(jīng)亮天，則從最初設(shè)定跟蹤方式進(jìn)行跟蹤。若是在跟蹤途中突然檢測不到光源則暫時停止系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測到確實(shí)沒有光源后，將太陽能光板恢復(fù)到初始位置，若是再次檢測到光源則繼續(xù)啟動系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時跟蹤。另外，由于早上或者傍晚太陽光微弱，進(jìn)行光電跟蹤可能還會浪費(fèi)產(chǎn)生的電能，則啟用時控跟蹤在一段時間之后光照強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)后轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆姼櫋Ｓ捎谔枛|升西落耗時24小時，意味著平均每15分鐘轉(zhuǎn)動1°，為了減少太陽能光板因?yàn)槲⑿〉慕嵌茸兓瘜獍宸较蜻M(jìn)行調(diào)整降低光板壽命并消耗能量，單片機(jī)每15分鐘讀取一次的數(shù)據(jù)調(diào)整光板角度。測定當(dāng)時的光照強(qiáng)度，根據(jù)單片機(jī)的判斷進(jìn)行跟蹤：晴天時啟動光電檢測跟蹤，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動光電探測器和太陽能板運(yùn)動，開始搜索跟蹤太陽的位置，使電池板與太陽光線垂直，完成后暫停跟蹤，系統(tǒng)進(jìn)入15分鐘的暫停等待狀態(tài)，直到15分鐘后再次接收到光照強(qiáng)度傳感器的信號。陰雨天時啟動時控跟蹤，使電池板在水平和豎直方向上各轉(zhuǎn)動1°，然后每15分鐘轉(zhuǎn)動1°。當(dāng)光電模塊檢測到陰雨天轉(zhuǎn)為晴天時，則又采用光電跟蹤。若判斷為黑夜，則停止轉(zhuǎn)動，等待下一次檢測，若下一次檢測還是黑夜時，則進(jìn)行太陽能光板的復(fù)位，使其回到原始位置，等待第二天白天的到來。

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成果分析

準(zhǔn)備兩臺條件相同的設(shè)備，并將其中的一臺控制部分換為本次設(shè)計的跟蹤裝置。另外一臺未作改裝，采用固定最佳角度（正午太陽方位）放置。每天均從清晨開始讀取電壓和電流，直到工作12小時后結(jié)束，若當(dāng)日變?yōu)楹谝褂煤谏剂蠈⑵湔谏w，確保時間準(zhǔn)確。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確每15分鐘對裝置信息進(jìn)行采集，將一天所有采集的48次數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上。

根據(jù)數(shù)據(jù)表格繪制電壓和功率曲線，電壓曲線如圖 4所示。輸出功率由輸出電流和電壓計算獲得，其曲線如圖 5 所示。從兩幅圖中看出無論是電壓還是輸出功率添加跟蹤系統(tǒng)的裝置在同樣條件下除了中午太陽直射時期一直高于未安裝跟蹤裝置的設(shè)備，電壓和功率總的變化趨勢都是上午增加下午降低，這與太陽的能量在不同的時間提供的能量不同。對平均功率進(jìn)行統(tǒng)計，經(jīng)計算，一天中總功率提升約 31%。

圖4 跟蹤與非跟蹤電壓對比曲線

圖5 跟蹤與非跟蹤輸出功率對比曲線

3 結(jié)束語

太陽能以其取之不盡用之不竭、綠色、環(huán)保等特點(diǎn)成為人們備受矚目的焦點(diǎn)。利用太陽能追蹤系統(tǒng)能極大地提高太陽能的利用率已被大多數(shù)人知曉，從目前的研究來看結(jié)合光電跟蹤和時控跟蹤進(jìn)行太陽能電池板的旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，精度較高具有無與倫比的優(yōu)越性，但一個真正運(yùn)行的高效的太陽能跟蹤系統(tǒng)不僅是單一的系統(tǒng)控制，我們還應(yīng)該注意外界環(huán)境對裝置的影響，因此我們應(yīng)該因地制宜制作適合當(dāng)?shù)匕l(fā)展的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，這有利于更好地提高太陽的利用效率，也是我們接下來繼續(xù)認(rèn)真研究的問題。