徐海洲　王菲　李子軒　李志剛

關(guān)鍵詞：光能發(fā)電；雙軸追蹤；逆向光源追蹤

中圖分類號：TM615；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

本文介紹了太陽能雙軸追蹤系統(tǒng)的控制方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽光照的追蹤，大大提高了發(fā)電效率，降低了環(huán)境污染和對資源的依賴。該系統(tǒng)主要由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)組成，其中機(jī)械部分包括舵機(jī)、光能傳感器、太陽能光伏發(fā)電板和STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)板。通過比例積分微分（proportional integral derivative，PID）控制算法計算擺放在4 個方向的光能傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的差值，來判斷太陽的方位。通過逆向光源追蹤算法，能夠在太陽能光伏板密集區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光能的高效利用，并且有效減小熱斑效應(yīng)，延長太陽能發(fā)電板使用壽命[1]。該系統(tǒng)具有反饋速度快、運(yùn)行時間短、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 研究背景及意義

1.1 研究背景

光伏發(fā)電的背景可以追溯到19 世紀(jì)初，當(dāng)時科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些材料在受到光照時會產(chǎn)生電流。這個現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)，為光伏發(fā)電的研究奠定了理論基礎(chǔ)[2]。然而，直到20 世紀(jì)中葉，才出現(xiàn)了真正可用的太陽能電池技術(shù)。

最早的太陽能電池是由硅材料制成的，其基于光照射到材料上時電子會受到激發(fā)而產(chǎn)生電流的原理。隨著科技的進(jìn)步，太陽能電池的效率不斷提高，成本不斷降低，使得光伏發(fā)電逐漸成為可行的能源解決方案。

在過去的幾十年里，光伏發(fā)電得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。許多國家都推出了政策和鼓勵措施來推動太陽能發(fā)電的發(fā)展。同時，隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)的出現(xiàn)，太陽能電池板的成本大幅下降[3]，使得光伏發(fā)電成為經(jīng)濟(jì)可行的能源選擇。

光伏發(fā)電不僅可以降低人們對化石燃料的依賴，減少溫室氣體排放，還能為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電力，改善人們的生活條件[4]。同時，多個國家還將光伏發(fā)電作為戰(zhàn)略性發(fā)展領(lǐng)域，并加大研發(fā)投入，推動技術(shù)進(jìn)步。

1.2 研究意義

傳統(tǒng)光儲電站采用的技術(shù)是“被動”的，即電站建設(shè)完成就幾乎處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，光伏發(fā)電的功率曲線也被動地隨著太陽能資源的波動呈正態(tài)分布。因此，這引發(fā)了一系列問題，如易受到太陽照射角度、天氣等影響，光儲隨機(jī)性大、波動性高等。而太陽能雙軸追蹤系統(tǒng)可以追隨光源，主動接收光源。

傳統(tǒng)太陽能板會出現(xiàn)陰影遮擋，從而產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，這降低了太陽能板的使用壽命。而太陽能雙軸追蹤系統(tǒng)能夠利用逆向光源追蹤法，有效解決熱斑效應(yīng)問題，并大大提高土地利用率，且在很小的范圍內(nèi)可以放置更多的光伏板，進(jìn)而提高光能利用率。

2 系統(tǒng)應(yīng)用前景

在實際應(yīng)用中，太陽光線與太陽能光伏板的角度是影響太陽能發(fā)電效率的關(guān)鍵因素[5]。本文設(shè)計的太陽能雙軸追蹤系統(tǒng)能有效提高太陽能收集效率，降低系統(tǒng)成本[6]，并減少維護(hù)需求。相較于傳統(tǒng)固定式太陽能板，該系統(tǒng)在日照時間、功率輸出和生命周期等方面具有顯著優(yōu)勢。追光發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常廣泛，可以應(yīng)用于多個領(lǐng)域，也可以解決生活中的多種問題。

2.1 在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

高原地區(qū)海拔高，土地溫度低且多凍土，但空氣稀薄，太陽能資源豐富。如果利用該系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為熱量，使得凍土融化，建設(shè)適合植物生長的溫室大棚，就可能實現(xiàn)在高原地區(qū)種植蔬菜、水果等農(nóng)作物，從而提高土地利用率，帶來經(jīng)濟(jì)收益。

2.2 在住宅方面的應(yīng)用

追光發(fā)電系統(tǒng)可以安裝在住宅的屋頂上，利用太陽能進(jìn)行發(fā)電。這種系統(tǒng)可以與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)并聯(lián)，將電力輸送到家庭用電系統(tǒng)中。追光發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以利用太陽能這種可再生能源，減少對傳統(tǒng)能源的依賴[7]，同時還可以為家庭提供額外的電力支持，節(jié)省電費(fèi)支出。

3 整體系統(tǒng)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本產(chǎn)品為追光發(fā)電系統(tǒng)，是由一塊太陽能板、電池、主控板、光敏電阻以及兩個舵機(jī)組成。產(chǎn)品實物與產(chǎn)品模型分別如圖1 和圖2 所示。該系統(tǒng)通過程序控制舵機(jī)帶動太陽能板隨著光源移動，能夠?qū)崿F(xiàn)“主動追光”的過程，并且其還具有將光能轉(zhuǎn)化為電能從而給其他用電器供電的功能。

3.2 硬件設(shè)計

3.2.1 追光部分

追光部分由太陽能板、光敏電阻、舵機(jī)以及主控板共同組成。通過程序采集光敏電阻引腳處的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）值，將其輸入函數(shù)中并通過PID 控制算法調(diào)節(jié)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度來使太陽能板垂直于光源，從而實現(xiàn)本產(chǎn)品的追光功能。

3.2.2 發(fā)電部分

太陽能板將光能轉(zhuǎn)化為電能，其產(chǎn)生的電能一小部分供電給系統(tǒng)，其余電能則可供電給其他用電器， 圖3 為降壓電路原理圖， 其中，solar為太陽能板正負(fù)極，VS 為輔助電源正極，GND為電源負(fù)極，PWM 為單片機(jī)輸出的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM），BAT 為單片機(jī)5 V 供電端口。系統(tǒng)通過最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT） 算法可以最大限度地利用轉(zhuǎn)化的電能，減少電能的損耗。在沒有陽光或者發(fā)電電量不穩(wěn)定時，該算法需要輔助電源給系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行，圖4 為輔助電源原理圖，其中，VIN為該芯片電源正極，OUTPUT 為該芯片PWM 輸出端口，F(xiàn)B 為電壓反饋端口，ON_OFF 為該芯片使能端口。

3.3 軟件設(shè)計

本產(chǎn)品以STM32 單片機(jī)作為主控，光敏電阻按照特定位置進(jìn)行放置。當(dāng)陽光照射時，不同方位電阻的電壓值不同，單片機(jī)ADC 采集每個方位的電壓，比較對應(yīng)方位電壓值。采用PID 控制算法，將輸出結(jié)果以PWM 的形式傳送給舵機(jī)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)閉環(huán)控制。在算法上，本文設(shè)計了一種融合算法，將光電追蹤和位置追蹤相融合，實現(xiàn)更加精準(zhǔn)、有效地控制整個系統(tǒng)，圖5 為系統(tǒng)流程。

追光發(fā)電是一種利用太陽能進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)，其原理是通過聚光鏡將太陽光線集中到一個小點(diǎn)，然后使用熱能轉(zhuǎn)換器將這個小點(diǎn)的能量轉(zhuǎn)換為熱能，再用熱能發(fā)動機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為電能，圖6 為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

4 主要算法

4.1 逆向光源追蹤法

由于早晚太陽高度角低，太陽能光伏發(fā)電板影子變長，在發(fā)電密集區(qū)域會出現(xiàn)陰影遮擋，導(dǎo)致熱斑效應(yīng)的出現(xiàn)。解決該問題有兩種方式：第一種是采用大間距的太陽能發(fā)電板，但弊端是會增加土地占用面積，也會使太陽能的利用不充分；第二種是采用逆向光源追蹤算法。

逆向光源追蹤算法是在有光源遮擋的情況下采取的一種補(bǔ)救措施，其可以提高太陽能板的發(fā)電效率和使用壽命，在單位區(qū)域內(nèi)，可放置的發(fā)電板數(shù)量增多，從而提高土地單位發(fā)電效率。逆向光源追蹤法原理圖如圖7 所示。已知太陽能板長為W，發(fā)電板間距為M，太陽能板與地面夾角為γ，太陽高度角為θ。γ 的計算公式如下：

此算法可以提高光伏電池板使用壽命和發(fā)電效率，避免熱斑效應(yīng)。

4.2 PID 控制算法

PID 控制算法是現(xiàn)階段比較成熟的控制理論。由于該系統(tǒng)兩側(cè)的光敏電阻阻值不同，ADC 采集到的電壓不同，電壓的差值作為輸入?yún)?shù)傳入PID，輸出結(jié)果以PWM 的形式傳送給舵機(jī)，使得舵機(jī)旋轉(zhuǎn)并追蹤太陽光。當(dāng)晴天時，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確追蹤到陽光，但當(dāng)多云或者外部光源變化較大時，會出現(xiàn)無法準(zhǔn)確追蹤陽光的現(xiàn)象，因此在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩種方式的改進(jìn)。

第一是采用差比和算法，在橫豎向擺放4 個光敏電阻，如圖8 所示，計算公式如下：

式中，E 為當(dāng)次光源誤差；L₁、R₁分別為外側(cè)左、右光敏傳感器采集值；L₂、R₂分別為內(nèi)側(cè)左、右光敏傳感器采集值；A、B、C 分別為差比和系數(shù)。

采用式（2）可以使光照強(qiáng)度抗干擾能力增強(qiáng)，從而有效減小多云、陰天等外界干擾。再對差比和公式得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階低通濾波，使得數(shù)據(jù)不會變化過大，舵機(jī)變化更加平穩(wěn)。

第二是增加PID 控制算法運(yùn)算的時間，傳統(tǒng)PID 控制算法運(yùn)算時間為5 ms，可將運(yùn)算時間增加到50 ms。由于采用增量式PID 控制算法，單片機(jī)輸出PWM 周期為20 ms，舵機(jī)脈沖高電平時間為0.5 ～ 2.5 ms，積分項I（誤差的累積）會使數(shù)據(jù)突然變大，因此本文僅采用PD 算法（需要去除積分項I），進(jìn)而能夠保持更加穩(wěn)定的追光。

經(jīng)過以上兩種方式的改進(jìn)，能夠完全實現(xiàn)在戶外穩(wěn)定追逐陽光，系統(tǒng)魯棒性有顯著提升，并且能夠在室外不借助電源的情況下完成系統(tǒng)自供電運(yùn)行。

5 結(jié)語與展望

太陽能雙軸追蹤系統(tǒng)是提高太陽能收集效率的關(guān)鍵技術(shù)，具有顯著優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。盡管面臨一些挑戰(zhàn)，如設(shè)備成本、電力消耗和精度控制等，但通過不斷的研究和改進(jìn)，相信雙軸追蹤系統(tǒng)將在未來發(fā)揮更大的作用，為全球能源轉(zhuǎn)型做出重要貢獻(xiàn)。