基于单片机控制的移动式光伏跟踪系统研究与设计

摘 要

　　面对严峻的能源危机和环境问题，各国科研工作者都在加大对新能源的开发和利用。随着我国两会的结束，国家电网围绕"碳达峰、碳中和"的目标，明确提出：到 2025年，实现输送清洁能源占比达到 50%.到 2030 年，光伏装机容量总计将达到 10 亿千瓦。

　　光伏发电作为太阳能开发和利用的主要形式之一，得到了广泛推广和应用，但由于实际安装方式大多采用固定式或单轴跟踪，致使太阳能电池板的辐射接收总量大打折扣。因此，本文结合 GPS 特点设计出一款以 51 单片机为控制核心的可移动式光伏跟踪装置，用于提高辐射接收总量，进而提升光伏发电效率。主要工作如下：

　　跟踪方案的确立：通过分析地平坐标系下的太阳运行轨迹规律，结合常用跟踪原理及安装方式特点，确定采用轨迹跟踪和光电跟踪相结合的双轴混合跟踪方案。

　　跟踪模型的设计与调试：首先，进行硬件电路及软件程序的设计，包括控制单元、检测单元及驱动单元等电路的设计和控制程序编写。重点分析和对比传统光电检测方法，最终采用遮光筒和遮光板相结合的改进型四象限光电检测手段；在程序编写中，采用短时断续策略进行跟踪，用以克服系统实时跟踪自身耗能大的弊端。通过 PROTEUS 进 行跟踪电路搭建，并结合 Keil 编写系统控制程序完成软件仿真。

　　实物模型实验：跟踪模型制作和调试完成后，进行了两天不同天气状况的实验数据采集，通过专业数据处理软件 OrginPro 进行数据对比，分析结果表明：该模型的跟踪精度在±0.5°以内，同等光照条件下，采用跟踪模型太阳能电池板的发电效率相比于固定式最高可以提升近 30%.

　　综上所述，采用 GPS 的双轴混合跟踪装置在提高光伏发电效率的途径方面提供了参考，对未来光伏产业发展具有一定的理论意义和实用价值。

　　关键词：移动式 光伏系统 跟踪 单片机 GPS 光电检测

Abstract

　　In the face of severe energy crisis and environmental problems, researchers in various countries are increasing the development and utilization of new energy. With the end of China's two sessions, the State Grid around the "carbon peak, carbon neutral" goal, clearly put forward: by 2025, to achieve the transmission of clean energy accounted for 50%. By 2030, the total installed photovoltaic capacity will reach 1 billion kilowatts. As one of the main forms of solar energy development and utilization, photovoltaic power generation has been widely promoted and applied. However, due to the actual installation mode mostly using fixed or single axis tracking, the total radiation reception of solar panels is greatly reduced. Therefore, combined with the characteristics of GPS, this paper designs a mobile photovoltaic tracking device with 51 single chip microcomputer as the control core, which is used to improve the total amount of radiation reception, and then improve the efficiency of photovoltaic power generation. The main work is as follows.

　　The establishment of tracking scheme: by analyzing the law of the sun's orbit in the horizontal coordinate system, combined with the common tracking principle and the characteristics of the installation mode, the dual axis hybrid tracking scheme combining trajectory tracking and photoelectric tracking is determined.

　　Tracking model design and debugging: firstly, the hardware circuit and software program design, including the control unit, detection unit and drive unit circuit design and control program writing. This paper focuses on the analysis and comparison of traditional photoelectric detection methods, and finally adopts the improved four quadrant photoelectric detection method which combines the shading cylinder and the shading plate; in the programming, the short-time intermittent strategy is used to track, so as to overcome the disadvantages of the system's real-time tracking with high energy consumption. The tracking circuit is built by Proteus, and the system control program is written by keil to complete the software simulation.

　　Physical model experiment: after the tracking model is made and debugged, the experimental data of different weather conditions are collected for two days, and the data is compared by professional data processing software OrginPro. The analysis results show that the tracking accuracy of the model is within ± 0.5 ° and the power generation efficiency of the tracking model solar panel is higher than that of the fixed solar panel under the same lighting conditions Up nearly 30%.

　　To sum up, the dual axis hybrid tracking device using GPS provides a reference in improving the efficiency of photovoltaic power generation, which has a certain theoretical significance and practical value for the future development of photovoltaic industry.

　　Keywords:Mobile Photovoltaic system Tracking MCU GPS Photoelectric detection

目 录

　　第一章 绪论

　　1.1 课题研究背景

　　自从第一次工业革命以来，"能源"一词开始为人们所熟知。特别是进入二十世纪，人类科技进入了超高速发展阶段，对能源的需求也呈几何倍数增长，年增长率可达七到八个百分点[1].可是，地球上能源的储量是一定的，特别是能源结构和分布不合理的现实一直影响着人类发展。尤其是近些年来，非可再生能源越来越少，使得能源问题在国际事务中更加突出。相关研究机构统计表明，全球的已经探明的天然气储量约为131800~152900Mm3,石油储备约为 1180~1510 亿吨，煤炭的储存量约为 560 亿吨。

　　如果按照目前使用速度计算，天然气和石油最多可持续使用 70 年和 40 年左右，煤炭最多可再挖掘利用 200 年[2].随着全球的发展，能源消费总量持续增长，仅 2017 年，全球一次能源消费总量达 135.11 亿吨油当量，较十年前增长了 17%.其中，石油高于过去十年 1.0%的平均增速，天然气总消费量增长了近 25%,由于全球去煤炭化，煤炭消费也略有上涨[3].化石能源持续大量使用，还会引起严重的环境污染，甚至引发持续极端天气出现，伴随次生灾害的发生，严重破坏生态平衡，影响人们的生产生活。由此可见，非可再生能源的利用和开发已经不能满足人类社会的可持续发展，寻找新的可再生的清洁能源已是当务之急。

　　我国虽然幅员辽阔，矿物资源丰富，但"富煤、贫油、少气"仍是最基本特征。据资料表明：截止 2015 年底，我国天然气可采量为 14Mm3,已探明的高达 3.86Mm3,世界排名第十五位，占地球总量的 0.9%;而煤炭资源至今探明总储量近 2.6 万亿吨，列世界第三；石油可勘探利用总量约 150 亿吨，排全球第六，亚洲第一。但我国人口基数大，煤炭人均资源占有量仅为世界人均水平的 86.2%,石油资源约为世界人均水平的 20%,天然气更是令人担忧，不足世界人均水平 4.5%[4].预计我国人口还将不断扩大，人均占有量还会下降。近些年，随着城市化进程加快，我国经济飞速发展，国内对能源需求也随之增大，仅 2019 年石油、天然气对外依存度分别高达 70.8%和 43%.我国已经跃然成为全球能源生产和消费的第一大国[5].因此，我国坚持走可持续发展道路，不断优化产能结构，统筹能源产业布局。目前，我国能源生产结构组成中，原煤的占比为 68.6%,原油的占比为 7.6%,天然气的占比为 5.5%,水电、核电以及风电等新能源占比总计为18.3%,新能源比重持续上升[6].

　　当前，环境和发展是人类社会的两大问题，如何科学有效的使用能源，成为摆在我 们面前的一道难题。无疑，走可持续发展的道路是世界上所有国家的最好选择，新能源的开发和利用为全球的发展指明了方向。

　　21 世纪必然将是新能源全速发展的时代，我国的光伏发电产业也由起步期逐步进入了高速发展期。由于我国国土面积广袤，从地理角度来看，并具有极强的区位优势。图1-1 为我国太阳能资源分布图[7].

　　根据相关统计资料报道，我国近 2/3 以上的国土面积，约 640 万平方千米的地区，年均太阳辐射总量高达 5000MJ/m2,日照时长总计达 2000 小时。以此推算，每年我国陆地可接收到的太阳辐射总量可达 3.3×103~8.4×103MJ/m2,相当于 2.4×104 亿吨标准煤完全燃烧放出的热量[7].随着高新技术的迅猛发展，产业结构和能源结构不断优化，特别是近几年，全国各地清洁能源发电设施的建设规模逐渐扩大。仅 2018 年一年，我国全年光伏发电站输出总量可达 1536 亿 kWh,比 2014 年得发电水平增加了 1284 亿 kWh,年平均增长率高达 57.2%[8].因此，进一步合理利用太阳能资源，可以在一定程度上优化我国的能源产业结构，使之更好为促进社会经济可持续发展服务。

　　作为新能源中重要一员，太阳能较其它传统能源具有以下优势[9]: （1）储量巨大：地球接受太阳辐射的能量巨大，而且经有关部门测算可知，太阳的存活寿命还有 600 多亿年，可以为人类提供源源不断的能源。

　　（2）分布广泛：有光照的地方就有太阳能，其辐射的范围具有普遍性。我国本身自然资源的分布就不均匀，若能够充分利用好太阳能资源，可以很好的解决偏远山区、海岛等地区的能源供应问题，有助于缓解能源短缺的压力。

　　（3）对环境无污染：与使用传统化石能源不同，在太阳能使用过程中，无燃料消耗、无噪声的产生和废气、废水、废渣等有害物质的排放，因而能够更好的保护我们赖以生存的环境。

　　（4）可持续经济性：虽然目前光伏发电成本还处于高位，但从长远角度看，光伏发电站的建设将具有经济性和持续性的特点。

　　Jurgenschmide 博士[10]作为世界观察研究所的负责人，曾经在第二届世界太阳能光伏大会上预言："太阳能光伏发电技术是一种典型的绿色能源利用技术，将会成为 21世纪发展最迅速的科技领域，二十一世纪也将成为太阳能世纪".

　　1.2 国内外研究现状

　　光伏发电凭借其独特的优势，已经成为全世界能源开发的焦点之一。然而光电转换和利用效率不高，一直是制约其进一步发展的瓶颈。太阳光自动跟踪系统应运而生，成为提高太阳能转化效率的重要手段。十九世纪六十年代智利的 Finser 和 Maldonado 共同设计了一款将微处理控制和光电控制结合到一起的太阳能跟踪器[11];1997 年美国学者Biackace 成功研制了单轴自动跟踪装置，对太阳进行水平方位角跟踪，并通过测试得出光伏发电效率提高了近 15%[12];随着光学技术的进步，美国加利福尼亚州的科技工作者于 1998 年将具有聚光特性的菲涅尔透镜安装在太阳能电池板上，并利用 ATM 两轴跟踪器，大大提高了太阳辐射的接受率，使得发电效率得到了进一步提升[13];随着 GPS 技术的普遍推广，2000 年 AMONIX 公司开发了基于定位系统跟踪和光敏元件定向跟踪的光伏发电系统[14];2002 年捷克科学院物理研究所的工作人员们发现合金材料具有形状记忆效应，并能够根据日照温度的变化产生规则性形变，并研制成功了单轴太阳跟踪调节器[15];2006 年西班牙建造了当时世界上最大的太阳能光伏电站，14400 块光伏电池板采用南北固定 45°，东西跟踪方式进行安装，与固定放置相比可提高了近 35%的发电效率[16];2019 年，我国首例 11 联动旋转式光伏跟踪系统，在湖北随州投入运行，进一步提高了土地利用率，降低了建设成本[17].

　　我国科技工作者对太阳跟踪技术的研究起步较晚，但随着我国近些年来光伏产业的不断发展壮大，在利用跟踪装置提高光伏发电效率方面也取得了一定的成果。1979 年梁绍贤等[18]设计出采用蜗轮蜗杆传动技术的自动跟踪装置，极大的提高了当时太阳能电池板的输出功率；1994 年陆利生[19]将液压传动装置应用到单轴太阳跟踪设备中，降低了传动摩擦力，跟踪精度得到了提升；刘四洋[20]等于 2007 年成功研制出主动式双轴太阳跟踪器，经过在西藏羊八井可再生能源实验基地的测试，将光伏发电效率提高了 30%;王林军[21]等于 2014 年从跟踪策略，执行机构等不同角度对太阳跟踪进行了深入研究；王万乐[22]等于 2017 年研制出一套以 STM32F103ZET6 芯片为控制核心的太阳跟踪系统，该装置可实现全天候跟踪，减少了环境因素对跟踪的影响和运行成本；张宇思[23]等于 2019 年设计了一款太阳跟踪微控制系统，将图像跟踪和伺服技术应用其中，进一步提高了控制精度。

　　1.3 课题研究意义

　　太阳能虽然具有很多其它能源无法比拟的优点，但是目前在开发和利用方面还存在一系列问题，最为突出的就是进行光电能量转换效率不够高，另一方面光伏材料价格居高不下，也导致部分地区的总装机容量偏少，使得这种开发潜力好、无污染的清洁能源没有能够在社会经济发展中发挥最大的价值。

　　如何提高光伏发电系统的转换效率成为其推广和应用的首要的问题。目前，国内外的科研学者们在这方面也作了大量的研究，通常从两方面入手，一方面是研究新型光伏材料以及光电池制造新工艺，以提高转换光电效率，这是科研工作者长期研究的重点；另一方面就是在现有的光伏材料及太阳电池组件基础上，如何能够最大化的发掘太阳能的转换潜能，提高能量转换效率。太阳跟踪技术就是随着太阳相对位置的不断变化，太阳能电池板也跟随太阳方位发生角度的转变，使之能够始终与太阳光保持垂直关系，从而增加接收的太阳光辐射总量，最终提高转换效率。对太阳实施跟踪与否，得到的辐射量对比效果是显而易见的。香港大学的两位教授 KPCheung 和 SCMHui[24]对此进行了深入研究发现，太阳光辐射总量一定时，采用固定安装方式与采用跟踪方式的太阳辐射能量接收率最高可相差 37.7%.采用太阳跟踪技术能有效的提高太阳光伏发电效率，对进行大规模化的太阳光伏发电有着重要的实际意义。

　　1.4 内容安排

　　本文主要从而提高光伏发电系统光电转换效率入手，设计开发太阳跟踪系统。首先对目前太阳能利用的国内外现状及发展方向进行了分析，在此基础上针对相关理论知识进行了阐述，并从硬件组成与软件流程两方面进行了系统设计，最后对系统进行仿真、调试及测试等工作，具体内容安排如下：

　　（1）第一章绪论。本章节主要介绍了本课题的研究背景及国内外相关领域的发展现状，最后对本课题的研究意义及必要性进行总结性的阐述。

　　（2）第二章光伏跟踪系统方案设计。首先，对光伏发电系统和太阳运行轨迹规律进行了深入研究，并阐述了目前常见的三种跟踪方式的优点和弊端；再次，从实际施工的安装方式进行了说明，最终确定了本系统的总体设计方案。

　　（3）第三章跟踪系统硬件设计。首先，介绍了跟踪系统总体硬件设计；其次，详细阐述了各单元的设计过程：从控制单元选择、到端口地址的分配；从定位模块，到光电检测装置，再到执行装置及外围电路，最终完成整体硬件设计。

　　（4）第四章跟踪系统软件流程设计。本章节分别从流程设计和程序编写角度，对系统的整体跟踪流程、视日运动轨迹跟踪模式和光电跟踪模式展开说明。

　　（5）第五章跟踪模型的仿真、调试与测试。首先，通过 PROTEUS 软件对系统原理进行仿真；在此基础上，根据设计原理图进行跟踪装置的制作和调试，并采用跟踪装置进行了对照实验，测试结果进行分析和总结。

　　（6）第六章总结与展望。主要对整个研究过程中的重点工作进行了总结，并对其中不足及进一步的研究方向提出展望。

　　第二章 光伏跟踪系统方案设计

　　2.1 光伏发电

　　2.2 太阳运行轨迹分析

　　2.3 跟踪方案选择

　　2.3.1 视日运动轨迹跟踪方式

　　2.3.2 光电跟踪方式

　　2.3.3 混合跟踪方式

　　2.4 安装方式

　　2.5 跟踪方案确定

　　2.6 本章小结

　　第三章 光伏跟踪系统硬件设计

　　3.1 系统硬件总体设计

　　3.2 控制单元

　　3.3 GPS 单元

　　3.4 光电检测单元

　　3.4.1 检测元件

　　3.4.2 检测方法

　　3.4.3 光强检测

　　3.5 驱动单元

　　3.5.1 步进电机

　　3.5.2 驱动电路

　　3.6 电源控制电路

　　3.7 模式切换及指示电路

　　3.8 本章小结

　　第四章 光伏跟踪系统软件设计

　　4.1 系统软件总体设计

　　4.2 视日运动轨迹跟踪设计

　　4.3 光电跟踪设计

　　4.4 本章小结

　　第五章 跟踪系统的仿真、调试及模型测试

　　5.1 跟踪系统软件仿真

　　5.2 跟踪模型制作

　　5.3 跟踪模型调试

　　5.4 跟踪模型测试与分析

　　5.5 本章小结

第六章 总结与展望

　　本文以提高光伏发电系统的转换效率为初衷，设计出了以 51 单片机为控制核心的可移动式双轴光伏跟踪模型。通过对太阳进行断续短时跟踪，不断调整太阳能电池板的倾斜角度，增加光伏组件的辐射接收总量，提高其转换效率。

　　主要完成的工作如下：

　　1）深入分析地平坐标系下的太阳运行轨迹规律，结合常用跟踪原理及安装方式特点，确定采用视日运动轨迹跟踪和光电跟踪的双轴混合跟踪方案。

　　2）进行硬件电路及软件程序的设计，包括控制单元、检测单元及驱动单元等电路的设计和控制程序编写。重点分析和对比传统光电检测方法，最终采用遮光筒和遮光板相结合的改进型四象限光电检测手段；在程序编写中，采用短时断续策略进行跟踪，用以克服系统实时跟踪自身耗能大的弊端。通过 PROTEUS进行电路搭建，并结合 Keil 编写系统控制程序完成软件仿真。

　　3）进行了两天不同天气状况的实物模型对照实验，并利用专业数据处理软 件 OrginPro 进行数据分析，结果表明：该模型的跟踪精度在±0.5°以内，同等光照条件下，相比于固定式，太阳能电池板的发电效率最高可以提升近 30%.

　　虽然本课题较好的完成了光伏跟踪任务，在提高光伏发电效率的途径方面具有一定的参考价值。但还存在一些有待完善的地方，需要进一步探讨分析：

　　（1）本次设计仅适合小型独立光伏设备，对大型光伏电站的并网问题还有待深入研究。 （2）本次设计仅考虑到了较好的天气状况，未涉及应对狂风、冰雹等极端天气的相关预案。

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致 谢

　　在这里，我最要感谢的就是我的导师王永清教授对我的悉心教诲。王老师知识渊博、治学严谨、富有责任心。本论文从选题、论文结构和论文的严谨性都得到了导师的细心教导。最初，我对自己的课题一无所知，感到迷茫，是我的导师细心指导我如何去着手做我的课题。每当我遇到困难时，导师总是会鼓励我，帮助我找到解决问题的思路，同时还为接下来的研究工作指明了前进的方向。王老师不仅仅在做学问上深深影响着我，在生活中更是无微不至的关怀着我。

　　感谢孙荣霞正高级工程师和万真真副教授对我论文的指导，无论是内容还是结构都给我提供了指导性的建议。感谢课题组的同学及师弟师妹们，在论文完成的过程中对我的帮助。

　　感谢母校河北大学给了我学习机会以及良好的教学环境，特别是设在河北大学的国家级光伏技术虚拟仿真实验教学中心为本论文提供了良好的实验设备和环境。

　　感谢我的家人，在生活上对我的照顾和关怀，在学习过程中，对我的默默支持。

　　最后，由衷感谢各位评审专家能够在百忙之中抽出时间来阅读我的论文，并对我的论文提出宝贵的建议和改进意见。

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