于源霖 李鳳霞

摘 要：一直以來，人類對于能源都是依賴的。煤、石油這些不可再生能源更是我們生活不可或缺的重要資源。但不可再生能源的開采與焚燒對環(huán)境造成了嚴重的破壞，以損壞環(huán)境而促進經(jīng)濟增長終歸不是長久之計，因此，科研人員開始向新型能源探究，并在發(fā)現(xiàn)太陽能資源的基礎(chǔ)上，對太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)進行了重點研究。

關(guān)鍵詞：太陽能電池板；雙軸追蹤控制系統(tǒng)；太陽方位計算器

中圖分類號：TM914.4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：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

太陽能作為新型能源，具有取之不盡用之不竭的巨大優(yōu)勢。[1]在太陽能基礎(chǔ)上，我們對太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)進行深入研究。明確其系統(tǒng)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，并從整體結(jié)構(gòu)入手，對其硬件的設(shè)計及軟件的開發(fā)進行研究，了解其調(diào)試方式，掌握太陽運轉(zhuǎn)規(guī)律，為太陽能轉(zhuǎn)化為電能提供更好的助力[1]。

1 國內(nèi)外追蹤系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 太陽能跟蹤裝置的分類

在對太陽能電池板追蹤控制系統(tǒng)進行研究之前，我們應(yīng)該明確太陽能追蹤裝置的分類。對于該裝置的分類，我們可以分為兩種情況。

第一，根據(jù)裝置反饋系統(tǒng)是否存在區(qū)分為：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、混合控制。開環(huán)控制是指沒有追蹤反饋裝置的系統(tǒng)，而閉環(huán)控制是指利用光敏儀器如二極管、電阻等對太陽光進行監(jiān)測，如出現(xiàn)日照偏差，會產(chǎn)生偏差信號傳遞，進行提示?；旌峡刂?，則是指將開環(huán)控制與閉環(huán)控制有效整合起來，形成更加高效的追蹤控制裝置。第二，根據(jù)追蹤太陽的方向角度不同，又可以分為單軌追蹤與雙軌追蹤。

1.2 太陽光追蹤系統(tǒng)國外研究現(xiàn)狀

在太陽光追蹤方面，世界上最有發(fā)言權(quán)的莫過于美國。早在上世紀末期，美國研究出了第一臺單軸追蹤系統(tǒng)，更大程度的追蹤陽光，提升能源的轉(zhuǎn)化率。一年后，再次由美國科學(xué)家創(chuàng)造出雙軸追蹤系統(tǒng)，這一系統(tǒng)在單軸系統(tǒng)上進行改善，利用平面鏡聚光原理改善能源轉(zhuǎn)化問題。

隨后，方位太陽光追蹤裝置研發(fā)成功，根據(jù)太陽東升西落的原理，該裝置也可以從東到西的追蹤太陽進行能力轉(zhuǎn)化，這與兩年后研發(fā)出的記憶合金追蹤裝置異曲同工。最后，2006年一家名為安迅能的能源公司利用太陽追蹤系統(tǒng)，創(chuàng)建了太陽能發(fā)電站，并借由以上技術(shù)創(chuàng)新改良，提高了百分之三十五的能量轉(zhuǎn)化。

1.3 太陽光追蹤系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國地域遼闊人口眾多，長期被能源問題所困擾，也面臨著重大的環(huán)境危機，因此，近年來越來越多的科研人員致力于新能源的開發(fā)與研究。而我國也較為側(cè)重太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。早在二十世紀90年代初，便已經(jīng)開始了對太陽能的探索，1995年，我國自主研發(fā)的太陽能追蹤系統(tǒng)便可以精準(zhǔn)的追蹤太陽，且準(zhǔn)確度很高[2]。2007年，我國首套能夠利用光伏發(fā)電系統(tǒng)進行太陽跟蹤的系統(tǒng)問世，預(yù)示著我國在太陽能產(chǎn)業(yè)中又邁進了一步。

2 太陽光追蹤系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2.1 太陽光追蹤方式的選擇

一般來說，太陽光的追蹤方式可分為兩類。一類是根據(jù)視日運動軌跡中太陽角度的計算。地球存在自轉(zhuǎn)，又在圍繞著太陽進行公轉(zhuǎn)，所以地球上不同地點的每一時刻，太陽的高度與照射角度都不會相同。但是，因為地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)都遵循一定的規(guī)律，所以研究人員在將地球設(shè)置為一個理想球體，并給予其相應(yīng)參數(shù)。根據(jù)地球不同的變化規(guī)律，計算出同一地點不同時間的太陽高度角。

2.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

經(jīng)過對以上多種追蹤方式及分類的分析，我們針對太陽能電池板追蹤控制系統(tǒng)進行了總體設(shè)計。其工作流程可以分解為以下幾點：

2.2.1 光敏設(shè)備監(jiān)測

在整個控制追蹤系統(tǒng)中，最先發(fā)揮作用的是光敏原件，光敏設(shè)備在經(jīng)過設(shè)置后，可以自動判斷白天與夜晚，并將信息傳遞到控制系統(tǒng)。

2.2.2 控制中心

在光伏系統(tǒng)監(jiān)測到信息后，控制系統(tǒng)會根據(jù)獲取的信息進行工作。若檢測到的是白天，變會開啟設(shè)備運行裝置，進入工作模式電池板進行太陽光追蹤。若檢測到的是夜晚，則發(fā)出睡眠指令，整個設(shè)備停止工作。

2.2.3 信號轉(zhuǎn)換

無論是采用視日運動軌跡追蹤方式還是光電追蹤設(shè)施，殊途同歸的將光源信號轉(zhuǎn)化為電信號，最終促使電池板進行正常運轉(zhuǎn)已達到追蹤太陽的目的。

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

3.1 光電檢測電路設(shè)計

光電檢測電路設(shè)計是利用光電原理制成光電傳感器，以二極管為載體，采用四象限原理安置4個光敏元件，即小電阻。在安裝完成后，利用該裝置進行太陽光的檢測，根據(jù)光敏電阻不同位置檢測的光強不同，將檢測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，在經(jīng)過過濾后，選擇電信號最強的方位調(diào)控電池板的轉(zhuǎn)向，保證太陽能電池板最大限度實現(xiàn)太陽光的直射。

3.2 控制器的選擇

在控制器的選擇問題上，技術(shù)工程師一般會在滿足基礎(chǔ)操作的基礎(chǔ)上選擇性價比高、經(jīng)濟且使用便捷的芯片。這一方面，單機片是比較常用的，其具有結(jié)構(gòu)精簡操作、操作易上手、滿足系統(tǒng)所需全部要求，并且具有較強的抗干擾能力。另一方面，控制器作為硬件系統(tǒng)的核心部分，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性與整體協(xié)調(diào)能力具有較高要求，而單機片恰恰具有性價比高、溫差承受能力強、能夠在各種惡劣環(huán)境下正常運行的特點，完美切合了主控制器的需要。

3.3 溫度傳感器

在太陽能電池板追蹤控制系統(tǒng)的溫度傳感器的選擇上，我們有諸多選擇，但使用最為廣泛的是DS18B20，這取決于他與所需電路具有相同的特點，傳感精度高且占據(jù)體積小，并且具有較強的抗干擾能力，非常適用于太陽能電池板的應(yīng)用。除此之外，太陽能電池板追蹤控制系統(tǒng)一般假設(shè)在環(huán)境較為惡劣的地方，溫差跨度可能存在較大差異，而該款溫度傳感器能夠很好的適用于各種環(huán)境而不影響其檢測結(jié)果，故此被普遍應(yīng)用。

4 追蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計

上文中我們曾提到太陽光的追蹤方式有兩種，視日運動軌跡追蹤與光電追蹤，因此在系統(tǒng)的主程序設(shè)計中，我們也采納了這兩個方面。主程序運行初始，我們需對數(shù)據(jù)進行清零再開始檢測，在系統(tǒng)中輸入光照強度預(yù)設(shè)值，光照一旦達到預(yù)設(shè)，系統(tǒng)便開始自動運行。但如一直未達到預(yù)設(shè)，將處于休眠狀態(tài)。第二次檢測將修改預(yù)設(shè)值為光電追蹤的預(yù)設(shè)，再次嘗試。如達到預(yù)設(shè)，則進行光電追蹤，若未到預(yù)設(shè)值，將繼續(xù)采用視日運動軌跡追蹤方式進行工作。

4.2 太陽方位計算器軟件

這一軟件開發(fā)屬于常規(guī)類型，創(chuàng)建工程文件，建立基礎(chǔ)頁面并附加所需程序，在工程文件中插入必備的模塊與特殊要求的內(nèi)容，并進行檢測調(diào)試，最終保存成品。軟件開發(fā)成功后，使用者只需要根據(jù)自己所處的地區(qū)輸入相應(yīng)的經(jīng)度與緯度，以及時間，部分軟件需要輸入太陽的高度值，便可以精準(zhǔn)計算出此時此地太陽的高度角與方位角，方便電池板進行太陽光的追蹤。

4.3 光電追蹤模式

光電追蹤方式是依賴光敏元件進行追蹤的一種追蹤方式，根據(jù)太陽光的直射強度判斷是否工作，也根據(jù)光敏元件感知到的光能成度對陽光進行精準(zhǔn)的追蹤。其工作原理是利用光敏二極管進行光照監(jiān)控，如果檢測到的光強大于預(yù)先設(shè)定的值，便會對陽光進行追蹤，二極管不斷檢測光強，一旦光強下降低于預(yù)設(shè)，便會停止追蹤，在這樣的軟件流程，確保太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

5 系統(tǒng)的調(diào)試與分析

5.1 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)過以上研究，技術(shù)工程師們已經(jīng)對追蹤控制系統(tǒng)的軟件硬件進行安裝調(diào)試，接下來需要對系統(tǒng)進行更新及升級，已檢測在硬件軟件相結(jié)合的情況下能否正常工作。其具體測試方法如下：

5.1.1 參數(shù)設(shè)置

針對不同地區(qū)，其經(jīng)緯度也不盡相同。科研人員需根據(jù)本地區(qū)的經(jīng)緯度進行參數(shù)設(shè)置，保證實驗數(shù)據(jù)偏差最小。

5.1.2 初始化系統(tǒng)

系統(tǒng)工作之初，需要技術(shù)工程師手動校對角度，直至電池板能夠感知到關(guān)照的角度后，會自動進入工作狀態(tài)，經(jīng)過一段時間的追蹤后，電池板會自主判斷追蹤角度，再次確認工作模式。

5.1.3 系統(tǒng)檢測結(jié)果

在經(jīng)過多次數(shù)據(jù)測試后，如系統(tǒng)能夠正常運行，需要記錄實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行綜合分析。如測試失敗，系統(tǒng)無法正常運行，則需要從參數(shù)設(shè)置開始進行監(jiān)測，并重新調(diào)節(jié)軟硬件設(shè)計。

5.2 實驗數(shù)據(jù)

在經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)配升級后，追蹤系統(tǒng)將進入正式工作狀態(tài)。通過軟件正常工作，我們能夠精準(zhǔn)測算出太陽高度角與方位角。再將之與之前參數(shù)相比對，我們不難發(fā)現(xiàn)太陽每天的運動軌跡都不盡相同，所以勻速的電池板追蹤存在偏差，而光伏電池板能夠更好的獲取電能源。

6 結(jié)束語

綜上所述，對于中國這樣一個能量高消耗的國家來說，經(jīng)濟、環(huán)境與能源的關(guān)系日趨緊張。太陽能、風(fēng)能等資源取代不可再生能源是必然的選擇，新能源開發(fā)也是世界各國的戰(zhàn)略方針。在眾多新能源中，太陽能以其取之不盡用之不竭的巨大優(yōu)勢，被廣泛的使用。其中，太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)，便在太陽能發(fā)電中發(fā)揮重要作用。

參考文獻：

[1]陳舟.太陽能雙軸自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]秦興盛，陳曉榮，聶道林.基于STM32的太陽能雙軸跟蹤控制系統(tǒng)[J].信息技術(shù)，2013（4）：113-115.