太陽能電池板自動跟蹤裝置的研究進展

摘 要：隨著世界經濟的發展以及資源消耗的日益加劇，新能源的開發和應用成為當今世界發展的必然趨勢。太陽能作為綠色能源，具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優點，是一種具有潛力的新能源。受太陽能光照的影響，制約太陽能發電的最大瓶頸是太陽利用率低，太陽自動跟蹤系統是提高太陽能利用率卓有成效的方法之一，已經成為重要的研究方向。文章綜述了近年來各種跟蹤方法的類型、原理、跟蹤裝置的機械結構、控制方式及其優缺點。

關鍵詞：自動跟蹤；太陽能電池；裝置

隨著世界經濟的發展以及資源消耗的日益加劇，新能源的開發和應用成為當今世界發展的必然趨勢。太陽能作為綠色能源，具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優點，是一種具有潛力的新能源。光伏發電是當前利用太陽能的主要方式之一，但能否經濟高效地利用太陽能的關鍵在于太陽聚光和跟蹤水平的優劣。由光伏陣列的伏安特性可知，當日照強度增大時太陽能電池的輸出額定值也隨著增加，因此光照強度將會直接影響太陽能電池的輸出效率[3]，而當陽光直射太陽能電池板時太陽能利用率最高。目前主要采用太陽能電池板固定朝南安裝的方式對太陽進行采集，太陽光利用率低。據試驗表明，在太陽能發電中，相同條件下，對太陽能電池板自動跟蹤要比非跟蹤所獲能量高35%，成本下降25%[1、5]。

1 太陽能跟蹤裝置的類型

1.1 根據控制部分是否存在反饋量，可分為閉環控制、開環控制和混合式控制三種類型

1.1.1 開環控制：不存在反饋則為開環控制，又分為時鐘跟蹤（時角跟蹤）和視日運動軌跡跟蹤（程序跟蹤）。時鐘跟蹤是控制太陽能電池板以恒定的轉速旋轉跟蹤太陽，該轉速是由地球自轉的快慢決定的，大約24h一周，而太陽運行的時角是自東向西勻速變化的，因此這種跟蹤可以看成是對太陽時角進行跟蹤，也可稱其為時角跟蹤[4]。這種跟蹤方式電路簡單，但是跟蹤精度低。視日運動軌跡跟蹤是按照太陽的實際運行軌跡先編程，再采用計算機程控步進電機轉動，從而調整太陽能電池板的高度角和方位角跟蹤太陽。這種方法的優點是不受天氣影響，可全天候跟蹤，但太陽的運行軌跡是隨著季節的變化而不斷變化的，且累積誤差無法消除，所以這種跟蹤方式也存在著跟蹤精度較低的問題。

1.1.2 閉環控制：是利用光電傳感器來測定太陽光入射光線是否與太陽能電池板垂直，若不垂直，則當偏差超過一定的值時通過電機驅動機械部分轉動，減小偏差，直到偏差接近零為止，這樣不斷進行，從而實現了對太陽高度角和方位角的全方位跟蹤，這種方法雖然使太陽能電池板的發電效率最高，但要檢測光線是否垂直于太陽能電池板是本控制的一個難點。

1.1.3 混合式控制：方式是將開環控制和閉環控制相結合，開環控制的優點是不受天氣影響，但其存在自身無法消除的累積誤差，閉環控制則可以通過反饋來消除誤差，但是受天氣影響較大，甚至出現誤動作。所以一般在沒有云的情況下使用閉環控制跟蹤，當有云擋住了太陽時，立即改變為開環控制，知道云散后重新變回閉環控制。混合控制控制控制信號最為準確，且消除了開環控制和閉環控制單獨使用時各自存在的缺點。

1.2 根據跟蹤裝置的機械結構中轉動調級部件所含轉動軸的個數，分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤

1.2.1 單軸跟蹤：即只是跟蹤太陽方位角，高度角固定或作人為的周期性調整。按轉軸的布置不同又分為東西軸向方式、南北軸向方式、偏離角軸向方式和傾斜角軸向方式。單軸跟蹤忽略了太陽高度角的變化，其跟蹤精度不高，但其機械結構簡單，是當前自動跟蹤裝置中一般用于對精度要求不高的場合。

1.2.2 雙軸跟蹤：即既跟蹤太陽方位角，又跟蹤太陽高度角[8]，有兩種跟蹤方式：高度角-方位角全自動跟蹤和極軸跟蹤，前者可對太陽方位角和高度角同時進行跟蹤，實現二維跟蹤。其跟蹤精度較單軸跟蹤要高許多，但機械結構較為復雜，不適合分布式小型太陽能裝置，且兩軸各需要一個電機分別驅動，耗能較多，太陽高度角和方位角的計算較為復雜。極軸跟蹤是通過極軸旋轉抵消地球自轉，以俯仰角調節抵消地球公轉，實現太陽位置的完全跟蹤。若俯仰角采用周期性機械調節，則可以將二維跟蹤轉化為一維[6]。該機構結構簡單，跟蹤精度高，其中太陽高度角和方位角可由當地維度角、太陽赤緯角和時角確定[2]。

綜上所述，太陽能跟蹤裝置主要有閉環單軸跟蹤、閉環雙軸跟蹤、開環單軸跟蹤、開環雙軸跟蹤及混合式跟蹤。

2 跟蹤裝置的研究應用進展

2.1視日運動軌跡跟蹤

根據天文學中太陽運行規律的公式計算出一天內某時刻太陽的高度角和方位角的理論值，并將其存入到單片機、PLC或者電腦軟件中，然后運行控制程序調整跟蹤裝置的高度角和方位角對太陽進行跟蹤[7]。PLC成本較高，但是其具有強大的數據儲存和計算能力，可用來完成較復雜的運算，而單片機控制裝置相對而言具有較高的性價比，在目前應用更為廣泛。雖然太陽高度角和方位角的計算較為復雜，但不需要太多的傳感器，因此，控制裝置的結構很簡單，且具有較強的移植性，所以此方法一般用于對精度要求較高的場合。

王海鵬等[11]設計的一種基于單片機的太陽能自動跟蹤裝置，是根據當地的經緯度參數及時間信息計算出太陽赤緯角和時角，再結合維度、太陽赤緯角、時角計算出太陽高度角和方位角，并將所得數值送入單片機比較處理后，發出指令控制步進電機帶動傳動機構跟蹤太陽。該裝置分為顯示模塊、伺服模塊、控制模塊、日歷/時鐘模塊四個模塊。顯示模塊用來顯示經緯度和時間信息，日歷/時鐘模塊可以向單片機定時提供日期時間信息，伺服模塊用于將控制信號放大控制兩個步進電機的轉動，控制模塊可對其它三個模塊進行控制。

李明濱等[7]設計的一種單驅雙動型視日軌跡控制裝置，是根據視日運動軌跡跟蹤的原理，在對太陽方位角驅動控制的同時通過特殊凸輪機構使高度角發生變化，實現“單驅雙動”太陽能跟蹤裝置功能。控制裝置的硬件包括AT89S52單片機、時鐘顯示模塊LCD1602、SJ-230MS型步進電機驅動器、步進電機及按鍵等組成。工作時時鐘芯片DS1302將時鐘信號送入單片機，單片機通過時鐘送入的數據計算出當前時刻的太陽方位角位置，通過控制傳動裝置對實際角度進行校正，從而達到跟蹤太陽的目的。該方法只采用一套驅動裝置，可避免多方計算所帶來的誤差累積，提高自動跟蹤裝置的可靠性，但機械結構較為復雜。

王 所寫的專利[12]中提出了一種斜單軸跟蹤裝置的控制裝置，包括了主控電路板、連接模塊和斜單軸跟蹤裝置的傳動裝置；主控制電路板通過連接模塊與斜單軸跟蹤裝置的傳動裝置相連。控制裝置是根據天文計算（根據斜單軸跟蹤裝置的經緯度及海拔位置信息和GPS對時系統采集的當前時間，計算得出最佳的跟蹤系統方位角）作為定位方式，且主電路板上裝有防雷模塊和空氣開關模塊，在陰雨天氣下該系統也能正常運行，這種系統的成本太高，推廣性不強。

李世民等[13]等設計的太陽能光伏發電組件的斜/平單軸跟蹤裝置，是由PLC控制驅動機構、液壓推桿、液壓連桿、擺動桿、支撐桿、光伏支架以及托架組成，控制部分采用微處理芯片作為可編程控制系統，根據安裝的經緯度計算出太陽運行軌跡，通過驅動電機、液壓推動桿、推動連桿和擺動桿作用于光伏支架，從而達到跟蹤太陽的目的。該系統維護方便，且不易受天氣影響而產生誤動作，但結構比較復雜，且成本較高。

2.2 光電跟蹤

采用光強控制法，是采用光線傳感器檢測太陽的位置。當太陽光照射到傳感器上時，把太陽能電池板和太陽位置偏差給出的傳感信號經放大后送入控制器，由控制器控制步進電機轉動進而帶動跟蹤裝置隨著太陽轉動，從而達到跟蹤太陽的目的。由于該方法是由光敏傳感器采集跟蹤信息，傳感器易受外界環境因素的影響，在多云和陰雨天氣跟蹤精度低甚至出現誤動作，選擇高精度的傳感器又會增加成本。

張建新[14]所設計的太陽方位自動跟蹤系統是采用三個光敏電阻檢測光線的變化來控制一個電機，系統只跟蹤東西方向，南北方位固定為60°。三個光敏電阻中一個用于判斷白天和黑夜，其它兩個用于檢測聚光器與太陽位置的偏差，且前一個的優先級高于后兩個。檢測聚光器與太陽位置的光敏電阻分別安裝在電池板下方的東邊和西邊，當太陽正對電池板時兩個光敏電阻同時被完全遮住，由光敏電阻產生的壓差為零，單片機控制電機不轉動，當太陽偏離一定的角度時，兩個光敏電阻受光不均勻，就會產生一個電壓差，經單片機比較后發出指令控制電機轉動帶動跟蹤裝置跟蹤太陽光。

楊克立等人，趙建根等人提出的一種五象限光電檢測垂直雙軸結構的新型太陽能跟蹤系統，將太陽能電池板分為如下圖所示的五個象限，其中2與4，1與3均對稱放置，面積相等，且都和5象限保持相同的微小夾角，當太陽光垂直照射在5象限時其他四個象限產生相等的電壓信號，當太陽光線與5象限不垂直時，在其它四個象限就會產生電壓差，該信號被送入控制系統的單片機處理后，由2、4象限電池板的信號控制方位角電動機轉動，1、3象限電池板的信號控制高度角的電動機轉動，直到2、4象限，1、3象限產生相等的電壓信號時電動機停止轉動。

圖1 五象限電池板示意圖 圖2 光敏電阻裝置示意

此外，李釗明申請的專利“太陽能智能跟蹤裝置”中所描述的方法和五象限法在與那里上基本相同，只是在五個象限分別安裝了光敏電阻用于檢測光強。

張鵬等人提出的一種太陽能自動跟蹤裝置，該裝置是將三個完全相同的光敏電阻按圖2所示放置在同一個平面上，它們之間用遮光板隔開，當太陽垂直照射時三個光敏電阻所產生的電壓差為零，此時控制電機不轉動，當太陽光線與電池板不垂直時，三個光敏電阻所產生的電壓不能同時相等，該電壓信號經單片機比較處理后，控制電機轉動，通過傳動裝置帶動跟蹤裝置轉動，從而達到跟蹤太陽的目的。

徐劍設計的一種太陽能電站自動跟蹤式控制系統，其原理圖如圖3所示，利用光電池片作為感光元件，光傳感器包括水平傳感器、俯仰傳感器、光強傳感器。相對位置如圖4所示，

圖4 光強傳感器圖 5 傳感器安裝示意圖

圖4中1、2兩個受光面各貼一個硅電池片，用于接收光線，A為遮光板，圖4受光面1貼一個硅電池片，接受太陽光線用于檢測光的強度。當光強傳感器的輸出電壓超出設定值時，控制器啟動光控程序，將水平傳感器和俯仰傳感器輸出的電信號送入PIC18F462

0單片機進行比較處理后控制電機轉動。三種傳感器的相對位置如圖5所示。

2.3 混合式跟蹤

將開環控制和閉環控制結合使用，開環控制跟蹤系統的優點是控制簡單、不受天氣影響、可靠性強。但在跟蹤過程中會產生無法消除的誤差。閉環控制跟蹤系統由于存在反饋，所以不會產生累積誤差，但其易受天氣及周圍環境的影響，多云或下雨天甚至會出現誤動作，跟蹤精度較低，混合式跟蹤方式就是要結合兩者的優點，避免兩者的缺點，在陰雨天采用開環控制跟蹤，有太陽時用閉環跟蹤。

趙建釗等人設計的智能型太陽能跟蹤系統，是以32位嵌入式微控制器LPC2290構件平臺，采用程控跟蹤為主、光電跟蹤為輔的跟蹤方式。跟蹤裝置主要是由微處理器控制單元、光電檢測單元、液晶顯示模塊、存儲單元和鍵盤等組成。

馬正華等設計的一種高精度雙軸太陽能自動跟蹤系統，以單片機STC12C5206AD為控制核心，時鐘控制粗條定位后再利用光電跟蹤進行精確跟蹤。該設計主要是由MCU控制電路、光電轉換電路、實時時鐘電路、電機驅動電路及電源電路等組成。這種控制方式在陰天和夜晚系統不啟動，控制方式簡單、精度高、功耗低。

Rubio等設計的一種將程序跟蹤和光電跟蹤結合的混合式跟蹤，在光強充足的條件下一般采用混合式跟蹤，在陰雨天氣，光強較弱，停止跟蹤，當光線重新達到要求值時傳感器發出信號繼續跟蹤，該方法可有效地減少電能的消耗。

Roth等設計的一種混合雙軸跟蹤，是通過PIC16F877處理器計算太陽的高度角和方位角，對太陽進行實時跟蹤，還可通過電腦界面修改跟蹤控制程序。由位置傳感器檢測太陽的位置，光強傳感器檢測光線強度，并以此確定開始跟蹤和結束跟蹤。

3 結束語

目前制約太陽能發電的最大瓶頸是太陽利用率低，雖然通過對太陽自動跟蹤在很大程度上提高了太陽能的利用率，但各種跟蹤方式均存在一定的適用性和局限性。所以太陽能電池板自動跟蹤系統還需要更進一步的完善，還具有廣闊的研究前景和發展空間。

由于光伏電池的輸出特性是非線性的，易受周圍環境因素的影響，使得系統的跟蹤精度很難提高，且結構較為復雜，但隨著現代科技的迅速發展，太陽能自動跟蹤技術的機構簡化和跟蹤精度的提高將成為必然的發展趨勢。

參考文獻

[1]劉學東，邵理堂，孟春站，宋祥磊.雙軸轉動的太陽能自動跟蹤裝置研究和設計[J].能源工程，2010，3：37-39.

[2]朱凱，劉爽.極軸式太陽能跟蹤機構[J].太陽能，2010，3：13-14.

[3]陳海泉.太陽能電池最大功率跟蹤[D].上海交通大學，2006.

[4]陳維，李戩洪.太陽能利用中跟蹤控制方式的研究[J].新能源及工藝，2003，3：18-21.

[5]曾忠利，李松柏，江紹明.小型極軸太陽能發電追蹤控制器的研制[J].電子科學，2009，08：29-01.

[6]劉爽，朱凱，董宸，基于PLC一維極軸自動控制的對日跟蹤系統[J].工業控制計算機，2010，23：1-2.

[7]李明濱，李宜蔓，尹東文，李居強，一種單驅雙動型視日軌跡控制系統的設計[J].機械設計與制造，2012，11：52-54.

[8]劉四洋，伍春生，彭燕昌，許洪華.主動式雙軸太陽跟蹤控制器[J].可再生能源，2007，06：69-72.

[9]梁勇，梁維銘.太陽能電池的方位跟蹤方案比較與設計[J].能源研究與利用，2008，05：68-69.

[10]梁學龍，李軍偉，張文發，張鵬，劉亞虎.一種新穎的太陽自動跟蹤裝置[J].甘肅科技縱橫，2010，05：68-69.

[11]王海鵬，鄭成聰，徐丹，聶世忠.基于單片機的太陽自動跟蹤裝置的設計與制作[J].科學技術與工程，2010，19：4651-05.

[12]一種斜單軸跟蹤系統的控制系統[P].中國.實用新型，2011205574

18.42011-12-28.

[13]太陽能光伏發電組件的斜/平單軸跟蹤裝置[P].中國.實用新型，201020112723.8 2010-02-05.

[14]張建新.太陽方位自動跟蹤系統的設計[J].嘉興學院學報，2012，0

6：0093-03.

作者簡介：閆秋娟（1991-），女，甘肅秦安人，本科生。

*通訊作者：蔣猛（1964-），男，四川岳池人，副教授，從事機電一體化控制研究。