随着世界经济的发展以及资源消耗的日益加剧，新能源的开发和应用成为当今世界发展的必然趋势。太阳能作为绿色能源，具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，是一种具有潜力的新能源。光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一，但能否经济高效地利用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。由光伏阵列的伏安特性可知，当日照强度增大时太阳能电池的输出额定值也随着增加，因此光照强度将会直接影响太阳能电池的输出效率[3]，而当阳光直射太阳能电池板时太阳能利用率最高。目前主要采用太阳能电池板固定朝南安装的方式对太阳进行采集，太阳光利用率低。据试验表明，在太阳能发电中，相同条件下，对太阳能电池板自动跟踪要比非跟踪所获能量高35%，成本下降25%[1、5]。 
　　1 太阳能跟踪装置的类型 
　　1.1 根据控制部分是否存在反馈量，可分为闭环控制、开环控制和混合式控制三种类型 
　　1.1.1 开环控制：不存在反馈则为开环控制，又分为时钟跟踪（时角跟踪）和视日运动轨迹跟踪（程序跟踪）。时钟跟踪是控制太阳能电池板以恒定的转速旋转跟踪太阳，该转速是由地球自转的快慢决定的，大约24h一周，而太阳运行的时角是自东向西匀速变化的，因此这种跟踪可以看成是对太阳时角进行跟踪，也可称其为时角跟踪[4]。这种跟踪方式电路简单，但是跟踪精度低。视日运动轨迹跟踪是按照太阳的实际运行轨迹先编程，再采用计算机程控步进电机转动，从而调整太阳能电池板的高度角和方位角跟踪太阳。这种方法的优点是不受天气影响，可全天候跟踪，但太阳的运行轨迹是随着季节的变化而不断变化的，且累积误差无法消除，所以这种跟踪方式也存在着跟踪精度较低的问题。 
　　1.1.2 闭环控制：是利用光电传感器来测定太阳光入射光线是否与太阳能电池板垂直，若不垂直，则当偏差超过一定的值时通过电机驱动机械部分转动，减小偏差，直到偏差接近零为止，这样不断进行，从而实现了对太阳高度角和方位角的全方位跟踪，这种方法虽然使太阳能电池板的发电效率最高，但要检测光线是否垂直于太阳能电池板是本控制的一个难点。 
　　1.1.3 混合式控制：方式是将开环控制和闭环控制相结合，开环控制的优点是不受天气影响，但其存在自身无法消除的累积误差，闭环控制则可以通过反馈来消除误差，但是受天气影响较大，甚至出现误动作。所以一般在没有云的情况下使用闭环控制跟踪，当有云挡住了太阳时，立即改变为开环控制，知道云散后重新变回闭环控制。混合控制控制控制信号最为准确，且消除了开环控制和闭环控制单独使用时各自存在的缺点。 
　　1.2 根据跟踪装置的机械结构中转动调级部件所含转动轴的个数，分为单轴跟踪和双轴跟踪 
　　1.2.1 单轴跟踪：即只是跟踪太阳方位角，高度角固定或作人为的周期性调整。按转轴的布置不同又分为东西轴向方式、南北轴向方式、偏离角轴向方式和倾斜角轴向方式。单轴跟踪忽略了太阳高度角的变化，其跟踪精度不高，但其机械结构简单，是当前自动跟踪装置中一般用于对精度要求不高的场合。 
　　1.2.2 双轴跟踪：即既跟踪太阳方位角，又跟踪太阳高度角[8]，有两种跟踪方式：高度角-方位角全自动跟踪和极轴跟踪，前者可对太阳方位角和高度角同时进行跟踪，实现二维跟踪。其跟踪精度较单轴跟踪要高许多，但机械结构较为复杂，不适合分布式小型太阳能装置，且两轴各需要一个电机分别驱动，耗能较多，太阳高度角和方位角的计算较为复杂。极轴跟踪是通过极轴旋转抵消地球自转，以俯仰角调节抵消地球公转，实现太阳位置的完全跟踪。若俯仰角采用周期性机械调节，则可以将二维跟踪转化为一维[6]。该机构结构简单，跟踪精度高，其中太阳高度角和方位角可由当地维度角、太阳赤纬角和时角确定[2]。 
　　综上所述，太阳能跟踪装置主要有闭环单轴跟踪、闭环双轴跟踪、开环单轴跟踪、开环双轴跟踪及混合式跟踪。 
　　2 跟踪装置的研究应用进展 
　　2.1视日运动轨迹跟踪 
　　根据天文学中太阳运行规律的公式计算出一天内某时刻太阳的高度角和方位角的理论值，并将其存入到单片机、PLC或者电脑软件中，然后运行控制程序调整跟踪装置的高度角和方位角对太阳进行跟踪[7]。PLC成本较高，但是其具有强大的数据储存和计算能力，可用来完成较复杂的运算，而单片机控制装置相对而言具有较高的性价比，在目前应用更为广泛。虽然太阳高度角和方位角的计算较为复杂，但不需要太多的传感器，因此，控制装置的结构很简单，且具有较强的移植性，所以此方法一般用于对精度要求较高的场合。 
　　王海鹏等[11]设计的一种基于单片机的太阳能自动跟踪装置，是根据当地的经纬度参数及时间信息计算出太阳赤纬角和时角，再结合维度、太阳赤纬角、时角计算出太阳高度角和方位角，并将所得数值送入单片机比较处理后，发出指令控制步进电机带动传动机构跟踪太阳。该装置分为显示模块、伺服模块、控制模块、日历/时钟模块四个模块。显示模块用来显示经纬度和时间信息，日历/时钟模块可以向单片机定时提供日期时间信息，伺服模块用于将控制信号放大控制两个步进电机的转动，控制模块可对其它三个模块进行控制。 
　　李明滨等[7]设计的一种单驱双动型视日轨迹控制装置，是根据视日运动轨迹跟踪的原理，在对太阳方位角驱动控制的同时通过特殊凸轮机构使高度角发生变化，实现“单驱双动”太阳能跟踪装置功能。控制装置的硬件包括AT89S52单片机、时钟显示模块LCD1602、SJ-230MS型步进电机驱动器、步进电机及按键等组成。工作时时钟芯片DS1302将时钟信号送入单片机，单片机通过时钟送入的数据计算出当前时刻的太阳方位角位置，通过控制传动装置对实际角度进行校正，从而达到跟踪太阳的目的。该方法只采用一套驱动装置，可避免多方计算所带来的误差累积，提高自动跟踪装置的可靠性，但机械结构较为复杂。王所写的专利[12]中提出了一种斜单轴跟踪装置的控制装置，包括了主控电路板、连接模块和斜单轴跟踪装置的传动装置；主控制电路板通过连接模块与斜单轴跟踪装置的传动装置相连。控制装置是根据天文计算（根据斜单轴跟踪装置的经纬度及海拔位置信息和GPS对时系统采集的当前时间，计算得出最佳的跟踪系统方位角）作为定位方式，且主电路板上装有防雷模块和空气开关模块，在阴雨天气下该系统也能正常运行，这种系统的成本太高，推广性不强。 
　　李世民等[13]等设计的太阳能光伏发电组件的斜/平单轴跟踪装置，是由PLC控制驱动机构、液压推杆、液压连杆、摆动杆、支撑杆、光伏支架以及托架组成，控制部分采用微处理芯片作为可编程控制系统，根据安装的经纬度计算出太阳运行轨迹，通过驱动电机、液压推动杆、推动连杆和摆动杆作用于光伏支架，从而达到跟踪太阳的目的。该系统维护方便，且不易受天气影响而产生误动作，但结构比较复杂，且成本较高。 
　　2.2 光电跟踪 
　　采用光强控制法，是采用光线传感器检测太阳的位置。当太阳光照射到传感器上时，把太阳能电池板和太阳位置偏差给出的传感信号经放大后送入控制器，由控制器控制步进电机转动进而带动跟踪装置随着太阳转动，从而达到跟踪太阳的目的。由于该方法是由光敏传感器采集跟踪信息，传感器易受外界环境因素的影响，在多云和阴雨天气跟踪精度低甚至出现误动作，选择高精度的传感器又会增加成本。 
　　张建新[14]所设计的太阳方位自动跟踪系统是采用三个光敏电阻检测光线的变化来控制一个电机，系统只跟踪东西方向，南北方位固定为60°。三个光敏电阻中一个用于判断白天和黑夜，其它两个用于检测聚光器与太阳位置的偏差，且前一个的优先级高于后两个。检测聚光器与太阳位置的光敏电阻分别安装在电池板下方的东边和西边，当太阳正对电池板时两个光敏电阻同时被完全遮住，由光敏电阻产生的压差为零，单片机控制电机不转动，当太阳偏离一定的角度时，两个光敏电阻受光不均匀，就会产生一个电压差，经单片机比较后发出指令控制电机转动带动跟踪装置跟踪太阳光。 
　　杨克立等人，赵建根等人提出的一种五象限光电检测垂直双轴结构的新型太阳能跟踪系统，将太阳能电池板分为如下图所示的五个象限，其中2与4，1与3均对称放置，面积相等，且都和5象限保持相同的微小夹角，当太阳光垂直照射在5象限时其他四个象限产生相等的电压信号，当太阳光线与5象限不垂直时，在其它四个象限就会产生电压差，该信号被送入控制系统的单片机处理后，由2、4象限电池板的信号控制方位角电动机转动，1、3象限电池板的信号控制高度角的电动机转动，直到2、4象限，1、3象限产生相等的电压信号时电动机停止转动。 
　　图1 五象限电池板示意图 图2 光敏电阻装置示意 
　　此外，李钊明申请的专利“太阳能智能跟踪装置”中所描述的方法和五象限法在与那里上基本相同，只是在五个象限分别安装了光敏电阻用于检测光强。 
　　张鹏等人提出的一种太阳能自动跟踪装置，该装置是将三个完全相同的光敏电阻按图2所示放置在同一个平面上，它们之间用遮光板隔开，当太阳垂直照射时三个光敏电阻所产生的电压差为零，此时控制电机不转动，当太阳光线与电池板不垂直时，三个光敏电阻所产生的电压不能同时相等，该电压信号经单片机比较处理后，控制电机转动，通过传动装置带动跟踪装置转动，从而达到跟踪太阳的目的。 
　　徐剑设计的一种太阳能电站自动跟踪式控制系统，其原理图如图3所示，利用光电池片作为感光元件，光传感器包括水平传感器、俯仰传感器、光强传感器。相对位置如图4所示， 
　　图4 光强传感器图 5 传感器安装示意图 
　　图4中1、2两个受光面各贴一个硅电池片，用于接收光线，A为遮光板，图4受光面1贴一个硅电池片，接受太阳光线用于检测光的强度。当光强传感器的输出电压超出设定值时，控制器启动光控程序，将水平传感器和俯仰传感器输出的电信号送入PIC18F462 
　　0单片机进行比较处理后控制电机转动。三种传感器的相对位置如图5所示。 
　　2.3 混合式跟踪 
　　将开环控制和闭环控制结合使用，开环控制跟踪系统的优点是控制简单、不受天气影响、可靠性强。但在跟踪过程中会产生无法消除的误差。闭环控制跟踪系统由于存在反馈，所以不会产生累积误差，但其易受天气及周围环境的影响，多云或下雨天甚至会出现误动作，跟踪精度较低，混合式跟踪方式就是要结合两者的优点，避免两者的缺点，在阴雨天采用开环控制跟踪，有太阳时用闭环跟踪。 
　　赵建钊等人设计的智能型太阳能跟踪系统，是以32位嵌入式微控制器LPC2290构件平台，采用程控跟踪为主、光电跟踪为辅的跟踪方式。跟踪装置主要是由微处理器控制单元、光电检测单元、液晶显示模块、存储单元和键盘等组成。 
　　马正华等设计的一种高精度双轴太阳能自动跟踪系统，以单片机STC12C5206AD为控制核心，时钟控制粗条定位后再利用光电跟踪进行精确跟踪。该设计主要是由MCU控制电路、光电转换电路、实时时钟电路、电机驱动电路及电源电路等组成。这种控制方式在阴天和夜晚系统不启动，控制方式简单、精度高、功耗低。 
　　Rubio等设计的一种将程序跟踪和光电跟踪结合的混合式跟踪，在光强充足的条件下一般采用混合式跟踪，在阴雨天气，光强较弱，停止跟踪，当光线重新达到要求值时传感器发出信号继续跟踪，该方法可有效地减少电能的消耗。 
　　Roth等设计的一种混合双轴跟踪，是通过PIC16F877处理器计算太阳的高度角和方位角，对太阳进行实时跟踪，还可通过电脑界面修改跟踪控制程序。由位置传感器检测太阳的位置，光强传感器检测光线强度，并以此确定开始跟踪和结束跟踪。 
　　3 结束语 
　　目前制约太阳能发电的最大瓶颈是太阳利用率低，虽然通过对太阳自动跟踪在很大程度上提高了太阳能的利用率，但各种跟踪方式均存在一定的适用性和局限性。所以太阳能电池板自动跟踪系统还需要更进一步的完善，还具有广阔的研究前景和发展空间。由于光伏电池的输出特性是非线性的，易受周围环境因素的影响，使得系统的跟踪精度很难提高，且结构较为复杂，但随着现代科技的迅速发展，太阳能自动跟踪技术的机构简化和跟踪精度的提高将成为必然的发展趋势。