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摘 要
面對嚴峻的能源危機和環境問題，各國科研工作者都在加大對新能源的開發和利用。隨著我國兩會的結束，國家電網圍繞"碳達峰、碳中和"的目標，明確提出：到 2025年，實現輸送清潔能源占比達到 50%.到 2030 年，光伏裝機容量總計將達到 10 億千瓦。
光伏發電作為太陽能開發和利用的主要形式之一，得到了廣泛推廣和應用，但由于實際安裝方式大多采用固定式或單軸跟蹤，致使太陽能電池板的輻射接收總量大打折扣。因此，本文結合 GPS 特點設計出一款以 51 單片機為控制核心的可移動式光伏跟蹤裝置，用于提高輻射接收總量，進而提升光伏發電效率。主要工作如下：
跟蹤方案的確立：通過分析地平坐標系下的太陽運行軌跡規律，結合常用跟蹤原理及安裝方式特點，確定采用軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合的雙軸混合跟蹤方案。
跟蹤模型的設計與調試：首先，進行硬件電路及軟件程序的設計，包括控制單元、檢測單元及驅動單元等電路的設計和控制程序編寫。重點分析和對比傳統光電檢測方法，最終采用遮光筒和遮光板相結合的改進型四象限光電檢測手段；在程序編寫中，采用短時斷續策略進行跟蹤，用以克服系統實時跟蹤自身耗能大的弊端。通過 PROTEUS 進 行跟蹤電路搭建，并結合 Keil 編寫系統控制程序完成軟件仿真。
實物模型實驗：跟蹤模型制作和調試完成后，進行了兩天不同天氣狀況的實驗數據采集，通過專業數據處理軟件 OrginPro 進行數據對比，分析結果表明：該模型的跟蹤精度在±0.5°以內，同等光照條件下，采用跟蹤模型太陽能電池板的發電效率相比于固定式最高可以提升近 30%.
綜上所述，采用 GPS 的雙軸混合跟蹤裝置在提高光伏發電效率的途徑方面提供了參考，對未來光伏產業發展具有一定的理論意義和實用價值。
關鍵詞：移動式 光伏系統 跟蹤 單片機 GPS 光電檢測
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 錄
第一章 緒論
1.1 課題研究背景
自從第一次工業革命以來，"能源"一詞開始為人們所熟知。特別是進入二十世紀，人類科技進入了超高速發展階段，對能源的需求也呈幾何倍數增長，年增長率可達七到八個百分點[1].可是，地球上能源的儲量是一定的，特別是能源結構和分布不合理的現實一直影響著人類發展。尤其是近些年來，非可再生能源越來越少，使得能源問題在國際事務中更加突出。相關研究機構統計表明，全球的已經探明的天然氣儲量約為131800~152900Mm3,石油儲備約為 1180~1510 億噸，煤炭的儲存量約為 560 億噸。
如果按照目前使用速度計算，天然氣和石油最多可持續使用 70 年和 40 年左右，煤炭最多可再挖掘利用 200 年[2].隨著全球的發展，能源消費總量持續增長，僅 2017 年，全球一次能源消費總量達 135.11 億噸油當量，較十年前增長了 17%.其中，石油高于過去十年 1.0%的平均增速，天然氣總消費量增長了近 25%,由于全球去煤炭化，煤炭消費也略有上漲[3].化石能源持續大量使用，還會引起嚴重的環境污染，甚至引發持續極端天氣出現，伴隨次生災害的發生，嚴重破壞生態平衡，影響人們的生產生活。由此可見，非可再生能源的利用和開發已經不能滿足人類社會的可持續發展，尋找新的可再生的清潔能源已是當務之急。
我國雖然幅員遼闊，礦物資源豐富，但"富煤、貧油、少氣"仍是最基本特征。據資料表明：截止 2015 年底，我國天然氣可采量為 14Mm3,已探明的高達 3.86Mm3,世界排名第十五位，占地球總量的 0.9%;而煤炭資源至今探明總儲量近 2.6 萬億噸，列世界第三；石油可勘探利用總量約 150 億噸，排全球第六，亞洲第一。但我國人口基數大，煤炭人均資源占有量僅為世界人均水平的 86.2%,石油資源約為世界人均水平的 20%,天然氣更是令人擔憂，不足世界人均水平 4.5%[4].預計我國人口還將不斷擴大，人均占有量還會下降。近些年，隨著城市化進程加快，我國經濟飛速發展，國內對能源需求也隨之增大，僅 2019 年石油、天然氣對外依存度分別高達 70.8%和 43%.我國已經躍然成為全球能源生產和消費的第一大國[5].因此，我國堅持走可持續發展道路，不斷優化產能結構，統籌能源產業布局。目前，我國能源生產結構組成中，原煤的占比為 68.6%,原油的占比為 7.6%,天然氣的占比為 5.5%,水電、核電以及風電等新能源占比總計為18.3%,新能源比重持續上升[6].
當前，環境和發展是人類社會的兩大問題，如何科學有效的使用能源，成為擺在我 們面前的一道難題。無疑，走可持續發展的道路是世界上所有國家的最好選擇，新能源的開發和利用為全球的發展指明了方向。
21 世紀必然將是新能源全速發展的時代，我國的光伏發電產業也由起步期逐步進入了高速發展期。由于我國國土面積廣袤，從地理角度來看，并具有極強的區位優勢。圖1-1 為我國太陽能資源分布圖[7].
根據相關統計資料報道，我國近 2/3 以上的國土面積，約 640 萬平方千米的地區，年均太陽輻射總量高達 5000MJ/m2,日照時長總計達 2000 小時。以此推算，每年我國陸地可接收到的太陽輻射總量可達 3.3×103~8.4×103MJ/m2,相當于 2.4×104 億噸標準煤完全燃燒放出的熱量[7].隨著高新技術的迅猛發展，產業結構和能源結構不斷優化，特別是近幾年，全國各地清潔能源發電設施的建設規模逐漸擴大。僅 2018 年一年，我國全年光伏發電站輸出總量可達 1536 億 kWh,比 2014 年得發電水平增加了 1284 億 kWh,年平均增長率高達 57.2%[8].因此，進一步合理利用太陽能資源，可以在一定程度上優化我國的能源產業結構，使之更好為促進社會經濟可持續發展服務。
作為新能源中重要一員，太陽能較其它傳統能源具有以下優勢[9]: （1）儲量巨大：地球接受太陽輻射的能量巨大，而且經有關部門測算可知，太陽的存活壽命還有 600 多億年，可以為人類提供源源不斷的能源。
�。�2）分布廣泛：有光照的地方就有太陽能，其輻射的范圍具有普遍性。我國本身自然資源的分布就不均勻，若能夠充分利用好太陽能資源，可以很好的解決偏遠山區、海島等地區的能源供應問題，有助于緩解能源短缺的壓力。
�。�3）對環境無污染：與使用傳統化石能源不同，在太陽能使用過程中，無燃料消耗、無噪聲的產生和廢氣、廢水、廢渣等有害物質的排放，因而能夠更好的保護我們賴以生存的環境。
�。�4）可持續經濟性：雖然目前光伏發電成本還處于高位，但從長遠角度看，光伏發電站的建設將具有經濟性和持續性的特點。
Jurgenschmide 博士[10]作為世界觀察研究所的負責人，曾經在第二屆世界太陽能光伏大會上預言："太陽能光伏發電技術是一種典型的綠色能源利用技術，將會成為 21世紀發展最迅速的科技領域，二十一世紀也將成為太陽能世紀".
1.2 國內外研究現狀
光伏發電憑借其獨特的優勢，已經成為全世界能源開發的焦點之一。然而光電轉換和利用效率不高，一直是制約其進一步發展的瓶頸。太陽光自動跟蹤系統應運而生，成為提高太陽能轉化效率的重要手段。十九世紀六十年代智利的 Finser 和 Maldonado 共同設計了一款將微處理控制和光電控制結合到一起的太陽能跟蹤器[11];1997 年美國學者Biackace 成功研制了單軸自動跟蹤裝置，對太陽進行水平方位角跟蹤，并通過測試得出光伏發電效率提高了近 15%[12];隨著光學技術的進步，美國加利福尼亞州的科技工作者于 1998 年將具有聚光特性的菲涅爾透鏡安裝在太陽能電池板上，并利用 ATM 兩軸跟蹤器，大大提高了太陽輻射的接受率，使得發電效率得到了進一步提升[13];隨著 GPS 技術的普遍推廣，2000 年 AMONIX 公司開發了基于定位系統跟蹤和光敏元件定向跟蹤的光伏發電系統[14];2002 年捷克科學院物理研究所的工作人員們發現合金材料具有形狀記憶效應，并能夠根據日照溫度的變化產生規則性形變，并研制成功了單軸太陽跟蹤調節器[15];2006 年西班牙建造了當時世界上最大的太陽能光伏電站，14400 塊光伏電池板采用南北固定 45°，東西跟蹤方式進行安裝，與固定放置相比可提高了近 35%的發電效率[16];2019 年，我國首例 11 聯動旋轉式光伏跟蹤系統，在湖北隨州投入運行，進一步提高了土地利用率，降低了建設成本[17].
我國科技工作者對太陽跟蹤技術的研究起步較晚，但隨著我國近些年來光伏產業的不斷發展壯大，在利用跟蹤裝置提高光伏發電效率方面也取得了一定的成果。1979 年梁紹賢等[18]設計出采用蝸輪蝸桿傳動技術的自動跟蹤裝置，極大的提高了當時太陽能電池板的輸出功率；1994 年陸利生[19]將液壓傳動裝置應用到單軸太陽跟蹤設備中，降低了傳動摩擦力，跟蹤精度得到了提升；劉四洋[20]等于 2007 年成功研制出主動式雙軸太陽跟蹤器，經過在西藏羊八井可再生能源實驗基地的測試，將光伏發電效率提高了 30%;王林軍[21]等于 2014 年從跟蹤策略，執行機構等不同角度對太陽跟蹤進行了深入研究；王萬樂[22]等于 2017 年研制出一套以 STM32F103ZET6 芯片為控制核心的太陽跟蹤系統，該裝置可實現全天候跟蹤，減少了環境因素對跟蹤的影響和運行成本；張宇思[23]等于 2019 年設計了一款太陽跟蹤微控制系統，將圖像跟蹤和伺服技術應用其中，進一步提高了控制精度。
1.3 課題研究意義
太陽能雖然具有很多其它能源無法比擬的優點，但是目前在開發和利用方面還存在一系列問題，最為突出的就是進行光電能量轉換效率不夠高，另一方面光伏材料價格居高不下，也導致部分地區的總裝機容量偏少，使得這種開發潛力好、無污染的清潔能源沒有能夠在社會經濟發展中發揮最大的價值。
如何提高光伏發電系統的轉換效率成為其推廣和應用的首要的問題。目前，國內外的科研學者們在這方面也作了大量的研究，通常從兩方面入手，一方面是研究新型光伏材料以及光電池制造新工藝，以提高轉換光電效率，這是科研工作者長期研究的重點；另一方面就是在現有的光伏材料及太陽電池組件基礎上，如何能夠最大化的發掘太陽能的轉換潛能，提高能量轉換效率。太陽跟蹤技術就是隨著太陽相對位置的不斷變化，太陽能電池板也跟隨太陽方位發生角度的轉變，使之能夠始終與太陽光保持垂直關系，從而增加接收的太陽光輻射總量，最終提高轉換效率。對太陽實施跟蹤與否，得到的輻射量對比效果是顯而易見的。香港大學的兩位教授 KPCheung 和 SCMHui[24]對此進行了深入研究發現，太陽光輻射總量一定時，采用固定安裝方式與采用跟蹤方式的太陽輻射能量接收率最高可相差 37.7%.采用太陽跟蹤技術能有效的提高太陽光伏發電效率，對進行大規�；奶柟夥l電有著重要的實際意義。
1.4 內容安排
本文主要從而提高光伏發電系統光電轉換效率入手，設計開發太陽跟蹤系統。首先對目前太陽能利用的國內外現狀及發展方向進行了分析，在此基礎上針對相關理論知識進行了闡述，并從硬件組成與軟件流程兩方面進行了系統設計，最后對系統進行仿真、調試及測試等工作，具體內容安排如下：
�。�1）第一章緒論。本章節主要介紹了本課題的研究背景及國內外相關領域的發展現狀，最后對本課題的研究意義及必要性進行總結性的闡述。
�。�2）第二章光伏跟蹤系統方案設計。首先，對光伏發電系統和太陽運行軌跡規律進行了深入研究，并闡述了目前常見的三種跟蹤方式的優點和弊端；再次，從實際施工的安裝方式進行了說明，最終確定了本系統的總體設計方案。
�。�3）第三章跟蹤系統硬件設計。首先，介紹了跟蹤系統總體硬件設計；其次，詳細闡述了各單元的設計過程：從控制單元選擇、到端口地址的分配；從定位模塊，到光電檢測裝置，再到執行裝置及外圍電路，最終完成整體硬件設計。
�。�4）第四章跟蹤系統軟件流程設計。本章節分別從流程設計和程序編寫角度，對系統的整體跟蹤流程、視日運動軌跡跟蹤模式和光電跟蹤模式展開說明。
�。�5）第五章跟蹤模型的仿真、調試與測試。首先，通過 PROTEUS 軟件對系統原理進行仿真；在此基礎上，根據設計原理圖進行跟蹤裝置的制作和調試，并采用跟蹤裝置進行了對照實驗，測試結果進行分析和總結。
�。�6）第六章總結與展望。主要對整個研究過程中的重點工作進行了總結，并對其中不足及進一步的研究方向提出展望。
第二章 光伏跟蹤系統方案設計
2.1 光伏發電
2.2 太陽運行軌跡分析
2.3 跟蹤方案選擇
2.3.1 視日運動軌跡跟蹤方式
2.3.2 光電跟蹤方式
2.3.3 混合跟蹤方式
2.4 安裝方式
2.5 跟蹤方案確定
2.6 本章小結
第三章 光伏跟蹤系統硬件設計
3.1 系統硬件總體設計
3.2 控制單元
3.3 GPS 單元
3.4 光電檢測單元
3.4.1 檢測元件
3.4.2 檢測方法
3.4.3 光強檢測
3.5 驅動單元
3.5.1 步進電機
3.5.2 驅動電路
3.6 電源控制電路
3.7 模式切換及指示電路
3.8 本章小結
第四章 光伏跟蹤系統軟件設計
4.1 系統軟件總體設計
4.2 視日運動軌跡跟蹤設計
4.3 光電跟蹤設計
4.4 本章小結
第五章 跟蹤系統的仿真、調試及模型測試
5.1 跟蹤系統軟件仿真
5.2 跟蹤模型制作
5.3 跟蹤模型調試
5.4 跟蹤模型測試與分析
5.5 本章小結
第六章 總結與展望
本文以提高光伏發電系統的轉換效率為初衷，設計出了以 51 單片機為控制核心的可移動式雙軸光伏跟蹤模型。通過對太陽進行斷續短時跟蹤，不斷調整太陽能電池板的傾斜角度，增加光伏組件的輻射接收總量，提高其轉換效率。
主要完成的工作如下：
1）深入分析地平坐標系下的太陽運行軌跡規律，結合常用跟蹤原理及安裝方式特點，確定采用視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤的雙軸混合跟蹤方案。
2）進行硬件電路及軟件程序的設計，包括控制單元、檢測單元及驅動單元等電路的設計和控制程序編寫。重點分析和對比傳統光電檢測方法，最終采用遮光筒和遮光板相結合的改進型四象限光電檢測手段；在程序編寫中，采用短時斷續策略進行跟蹤，用以克服系統實時跟蹤自身耗能大的弊端。通過 PROTEUS進行電路搭建，并結合 Keil 編寫系統控制程序完成軟件仿真。
3）進行了兩天不同天氣狀況的實物模型對照實驗，并利用專業數據處理軟 件 OrginPro 進行數據分析，結果表明：該模型的跟蹤精度在±0.5°以內，同等光照條件下，相比于固定式，太陽能電池板的發電效率最高可以提升近 30%.
雖然本課題較好的完成了光伏跟蹤任務，在提高光伏發電效率的途徑方面具有一定的參考價值。但還存在一些有待完善的地方，需要進一步探討分析：
�。�1）本次設計僅適合小型獨立光伏設備，對大型光伏電站的并網問題還有待深入研究。 （2）本次設計僅考慮到了較好的天氣狀況，未涉及應對狂風、冰雹等極端天氣的相關預案。
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致 謝
在這里，我最要感謝的就是我的導師王永清教授對我的悉心教誨。王老師知識淵博、治學嚴謹、富有責任心。本論文從選題、論文結構和論文的嚴謹性都得到了導師的細心教導。最初，我對自己的課題一無所知，感到迷茫，是我的導師細心指導我如何去著手做我的課題。每當我遇到困難時，導師總是會鼓勵我，幫助我找到解決問題的思路，同時還為接下來的研究工作指明了前進的方向。王老師不僅僅在做學問上深深影響著我，在生活中更是無微不至的關懷著我。
感謝孫榮霞正高級工程師和萬真真副教授對我論文的指導，無論是內容還是結構都給我提供了指導性的建議。感謝課題組的同學及師弟師妹們，在論文完成的過程中對我的幫助。
感謝母校河北大學給了我學習機會以及良好的教學環境，特別是設在河北大學的國家級光伏技術虛擬仿真實驗教學中心為本論文提供了良好的實驗設備和環境。
感謝我的家人，在生活上對我的照顧和關懷，在學習過程中，對我的默默支持。
最后，由衷感謝各位評審專家能夠在百忙之中抽出時間來閱讀我的論文，并對我的論文提出寶貴的建議和改進意見。
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