自动跟踪太阳能装置设计

Design of Automatic Solar Tracking System

摘要: 能源是人类生存和发展的基础，近年来由于人类大量使用化石燃料，导致地球面临能源枯竭危机和雾霾等自然灾害，为了面对能源枯竭和自然灾害，人类积极开发新能源。太阳能作为新能源，具有资源无限性和普适性，利用过程几乎无污染。然而目前市面上的各类太阳能装置对太阳能利用率较低，太阳能跟踪装置有效解决这一问题，本文详细论述了太阳能工作原理，自动跟踪系统的设计。对装置涉及的参数进行了计算。

Abstract: Energy serves as the foundation for human survival and development. In recent years, excessive consumption of fossil fuels has precipitated global energy depletion crises and environmental hazards such as haze. To address these challenges, humanity actively pursues new energy alternatives. Solar energy, characterized by unlimited availability and universal applicability, demonstrates near-zero pollution during utilization. Current commercial solar devices exhibit suboptimal energy conversion efficiency, which solar tracking systems effectively mitigate. This paper elaborates on photovoltaic operational principles and the design of an auto-tracking system, supplemented with critical parameter calculations for device implementation.

1. 引言

太阳能作为资源无限、低碳环保的可再生能源，已成为全球能源转型的核心方向[1] [2]。然而，传统固定式光伏系统因无法动态追踪太阳位置，其日均能量捕获率不足20%，严重制约了发电效率。尽管双轴跟踪技术可通过调整方位角与高度角显著提升效率，但现有方案仍存在两大瓶颈：

高成本依赖：基于GPS或视觉识别的跟踪系统单套成本超过2000元，难以规模化推广；

控制复杂性：传统PID算法在双轴协调控制中易受环境干扰，导致响应滞后与能耗过高[3]。

针对上述问题，本文提出一种低成本光敏电阻双轴跟踪系统，其核心创新在于：

硬件优化：采用光敏电阻组与LM124运放构建差分光强检测电路，硬件成本降低至200元(较光电二极管方案成本减少70%)；

控制策略创新：设计AT89S51单片机分时驱动策略，通过分时控制步进电机减少双轴同步误差，日均能耗占比降至12%。

本研究通过搭建实验平台验证系统性能，结合理论模拟与实际测试数据，为中小型光伏电站提供高性价比的跟踪解决方案，推动太阳能高效利用技术的普及化发展。

2. 太阳能自动跟踪装置工作原理

2.1. 太阳能自动跟踪装置结构示意图(图1)

1﹑9——紧固螺钉；2——轴承端盖；3——滚动轴承；4——底座；5——底座盖；6——“二组”大齿轮；7、19、22、25——普通平键；8——“二组”齿轮轴；10——圆柱滚子轴承；11——套筒；12——联轴器；13——“一组”齿轮轴；14——支架；15、20——螺栓；16——电池板支架；17——电池板；18——“一组”大齿轮；21——“一组”小齿轮；23——小齿轮传动轴；24——“二组”小齿轮；26——“二组”。

Figure 1. Two-dimensional schematic diagram of the overall structure of the solar automatic tracking device

图1. 太阳能自动跟踪装置总体结构二维示意图

2.2. 太阳能自动跟踪装置的结构与工作方式

设备结构：步进电机1固定在底座外壳上，步进电机1的输出轴连接小齿轮1，小齿轮1与大齿轮啮合。大齿轮转动带动电池板支架南北方向运动。(一组齿轮箱装在底座外壳上，能同步运动)。步进电机2安装在底座上，步进电机2的输出轴连接小齿轮2，小齿轮2与大齿圈啮合带动主轴运动，使得电池板东西方向运动。

机构实现自动跟踪的原理：利用光敏电阻特性，当太阳光线发生偏离时控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动，小齿轮1带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板转动，通过步进电机1、步进电机2的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

3. 机械设计参数

3.1. 控制系统参数

3.1.1. 核心控制器

1. 型号：AT89S51单片机；

2. 存储器：4 KB程序存储器，128 B数据存储器；

3. 工作频率：最高12 MHz；

4. I/O端口：32个，支持中断、定时器、串口通信。

3.1.2. 光电传感器

1. 类型：光敏电阻(两组，东西/南北方向各一组) [4]；

2. 检测原理：光强差异驱动电机调整；

3. 信号处理电路：四运放LM124，含电压跟随器与减法器。

3.1.3. 步进电机参数

1. 步进电机1 (南北方向调整)：

1) 型号：57BYGH1001 (混合式步进电机)；

2) 电压：5 V，电流：3 A，最大静力矩：250 N·cm；

3) 机身长度：100 mm，输出轴直径：10 mm。

2. 步进电机2 (东西方向调整)：

1) 型号：8700系列螺杆轴混合式步进电机；

2) 最大推力：2270 N，位移分辨率：0.127 mm；

3) 工作电压：5 V，相电流：3.12 A。

3.1.4. 电源模块

1. 稳压芯片：7805三端稳压器；

2. 输入电压：直流 > 7.5 V或交流 > 5 V；

3. 输出电压：+5V；

4. 模数转换模块；

5. 芯片：ADC0809；

6. 分辨率：8位，通道数：8路。

3.2. 齿轮传动设计[5]

3.2.1. 第一组齿轮(东西方向调整)

1. 齿轮类型：直齿轮，7级精度(GB/T 10095-2020)。

2. 材料与热处理：

1) 小齿轮：40 Cr (调质，280 HBS)；

2) 大齿轮：45钢(调质，240 HBS)。

3. 几何参数：

1) 模数m = 1.5 mm；

2) 齿数z1 = 24，z2 = 77；

3) 分度圆直径d1 = 36 mm，d2 = 115.5 mm；

4) 中心距a = 75.75 mm，齿宽b = 42 mm。

3.2.2. 第二组齿轮(南北方向调整)

1. 齿轮类型：直齿轮，7级精度(GB/T 10095-2020) [6]。

2. 材料与热处理：同第一组齿轮。

3. 几何参数：

1) 模数m = 2 mm；

2) 齿数z1 = 25，z2 = 100；

3) 分度圆直径d1 = 50 mm，d2 = 200 mm；

4) 中心距a = 125 mm，齿宽b = 50 mm。

3.2.3. 强度校核(以第一组齿轮为例)

1. 接触疲劳强度：

1) 小齿轮接触极限应力$\sigma \text{Hlim}1=600\text{ MPa}$ ，大齿轮$\sigma \text{Hlim}2=550\text{ MPa}$ ；

2) 许用接触应力$\left[\sigma H\right]=\frac{K_{\text{HN}\cdot \sigma \text{Hlim}}}{S}$ ，取KHN1 = 0.97，KHN2 = 0.98，安全系数S = 1；

3) 校核公式：$\sigma H=Z_E\sqrt{\frac{2\text{KT}1\left(u+1\right)}{{\phi }_d{}^{d_{1 u}^3}}}\le \left[\sigma H\right]$ ，满足要求。

2. 弯曲疲劳强度：

1) 小齿轮弯曲极限应力$\sigma \text{FE}1=500\text{ MPa}$ 大齿轮$\sigma \text{FE}2=380\text{ MPa}$ ；

2) 许用弯曲应力$\left[\sigma F\right]=\frac{K_{\text{FN}\cdot \sigma \text{FE}}}{S}$ ，取KFN1 = 0.85，KFN2 = 0.88，安全系数S = 1.4；

3) 校核公式：$\sigma F=\frac{2{\text{KT}}_1{Y}_{\text{Fa}}{Y}_{\text{Sa}}}{{\phi }_d{m}^3{z}_1^2}\le \left[\sigma F\right]$ ，满足要求。

3.2.4. 轴设计参数

1. 第一组齿轮轴

1) 材料：45钢(调质)；

2) 最小直径：30 mm；

3) 轴承型号：61,806深沟球轴承(30 × 47 × 7 mm)。

2. 第二组齿轮轴

1) 材料：45钢(调质)；

2) 最小直径：32 mm；

3) 联轴器：平键GT型联轴器，孔径30 mm。

3. 轴强度校核：

1) 按弯扭合成应力校核，公式：$\sigma =\sqrt{{\left(\frac{M}{W}\right)}^2＋3{\left(\frac{T}{W_T}\right)}^2}\le \left[{\sigma }_{-1}\right]$ [7]；

2) 45钢许用应力[σ − 1] = 60 MPa，校核结果满足要求[8]。

4. 自动跟踪系统的设计

4.1. 系统总体结构

本系统由光电传感器、步进电机、AT89S51单片机及外围电路构成[8]。系统的总体结构图如图2所示。太阳能电池板采用双轴控制结构，可分别执行水平与垂直方向调节。系统上电复位后，垂直方向电机进入旋转状态，单片机实时检测电压采样信号：当检测到电压上升趋势时维持当前转向；若出现电压下降，则同步触发电机反向运转，实现光伏板对太阳方位的持续追踪。

Figure 2. Overall structure diagram of the system

图2. 系统的总体结构图

4.2. 系统的流程图

Figure 3. Main system flowchart

图3. 系统主流程图

开机之后，上电复位，系统完成初始化流程，随即检测当前光照时段。若处于夜间模式，系统将触发中断服务程序，进入等待状态，系统进入光电追踪模式。

系统主流程图如图3。

光敏电阻光强比较法流程图；这部分的程序设计很简单，只需要单片机检测4个光敏电阻所对应的单片机的4个引脚的电位的高低，就可以判断当时太阳的朝向，并对电动机发出相应的命令，程序流程图如图4所示。

Figure 4. Flowchart of the photoresistor light intensity comparison method

图4. 光敏电阻光强比较法流程图

5. 实验验证与性能分析

5.1. 实验平台搭建

为验证系统设计的可行性和理论分析的准确性，搭建了基于光敏电阻的双轴太阳能自动跟踪实验平台。平台硬件包括：

1) 传感器模块：两组光敏电阻(东西/南北方向)，LM124运放电路实现差分光强检测。

2) 执行机构：57BYGH1001步进电机(南北方向)、8700系列螺杆步进电机(东西方向)，齿轮传动比为4:1。

3) 控制核心：AT89S51单片机，ADC0809模数转换模块。

4) 数据采集：基于LabVIEW的实时角度监测系统，精度±0.1˚。

实验地点为广州某光伏测试场(纬度23.1˚N)，测试周期为2023年6月连续3天(晴天、多云、阴天各1天)，对比组为固定倾角(23.5˚)光伏板。

5.2. 跟踪精度测试

5.2.1. 理论模拟

基于步进电机步距角(1.8˚)与齿轮传动比(4:1)，单步调整角度为0.45˚，考虑传感器误差后理论跟踪误差为±1.4˚ (表1)。

Table 1. Theoretical tracking error analysis

表1. 理论跟踪误差分析

参数	数值
步进电机步距角	1.8˚
齿轮传动比	4:1
单步调整角度	0.45˚
传感器检测误差	±0.5˚
综合跟踪误差	±1.4˚

5.2.2. 实际测试

通过角度传感器实测跟踪误差，晴天条件下误差范围为±1.6˚，多云天±2.1˚，与理论值基本吻合。误差主要源于光敏电阻的灵敏度限制。

5.3. 发电效率对比

5.3.1. 模拟结果

引用MATLAB仿真数据：晴天发电量提升28%，多云天18%，阴天仅3% (建议停用跟踪)。

5.3.2. 实验结果

实际发电量测试结果(表2)显示，晴天提升26.5%，多云天16.8%，与刘豪杰光伏太阳能双轴自动跟踪装置设计及其性能测试论文中的33.4%光照度提升趋势一致(差异源于地域辐照度差异) [9]。

Table 2. Power Generation Efficiency Comparison (Unit: kWh/m²)

表2. 发电效率对比(单位：kWh/m²)

天气条件	固定式系统	跟踪系统	提升率
晴天	5.2	6.6	26.5%
多云	3.8	4.4	16.8%
阴天	1.2	1.3	3.0%

5.4. 能耗与经济性评估

5.4.1. 能耗分析

系统日均能耗306 Wh，占发电量的12%，符合IRENA (2023)对双轴系统的能耗预期(8%~15%) [10]。通过分时控制策略，能耗较传统连续跟踪降低21%。

5.4.2. 成本优势

硬件总成本200元，较传统GPS/视觉方案(单套 > 2000元)降低70%。

5.5. 综合讨论

跟踪精度：实测误差±1.6˚，满足中小型电站需求，但需进一步优化光敏电阻灵敏度。

效率提升：实际提升率略低于模拟值，可能受实验的辐照强度波动影响。

经济性：低成本方案适合分布式屋顶光伏。

6. 结语

本文设计并验证了一种基于光敏电阻的双轴太阳能自动跟踪系统，通过低成本硬件与分时控制策略实现了高效能量捕获[11]。主要结论如下：

1. 跟踪精度：理论计算表明，系统跟踪误差 ≤ ±1.4˚，与同类光敏电阻方案相比精度提升20% (文献误差±1.8˚)；

2. 效率提升：模拟数据显示，晴天条件下发电量较固定式光伏板提升28%，多云天提升18%，能耗占比12%，符合中小型电站经济性需求；

3. 成本优势：硬件总成本控制在200元以内，较传统高精度跟踪系统降低70%，具备规模化推广潜力。

本系统的核心价值在于“以低精度传感器实现高性价比跟踪”：通过差分光强检测电路与分时控制策略，平衡了成本、精度与能耗的矛盾。实际应用中，可优先部署于分布式屋顶光伏或农业光伏互补项目，进一步结合气象数据优化跟踪启停策略。

未来研究方向包括：

1. 引入机器学习算法预测云层运动，减少阴天环境下的无效调整；

2. 探索光敏电阻与微陀螺仪融合方案，提升复杂光照条件下的抗干扰能力；

3. 开发模块化设计，支持快速安装与维护，降低部署成本。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。