该部分介绍的控制方法是基于北斗定位模块的以程序角度计算为基础的控制策略。主要由：北斗高精定位模块、单片机、角度位移传感器、双轴二自由度云台等部分构成。 图1 为太阳追踪方案。

本文将太阳位置分解为高度角及方位角。要计算太阳的两个角，第一步为计算赤纬角δ，赤纬角每年呈现周期性变化，其计算公式如公式1 [4] ：

$\begin{array}{c}\delta =0.3723+23.2567\sin \beta +1.1149\sin 2\beta -0.1712\sin 3\beta \\ -0.7580\cos \beta +0.365\cos 2\beta +0.0201\cos 2\beta \end{array}$(1)

其中： $\beta =2\pi \left(n-1-n_0\right)/365.2422$

$n_0=78.801+0.242\left(y-1969\right)-f\left[0.250\left(y-1969\right)\right]$

在公式中，n是由日期转化来的，代表从一月一号开始到所求日期的天数。y是所在的年份。

计算太阳角度的第二步是计算当地经度与赤经之差，因为我们在公式中所用的时间都是以真太阳表示，与日常使用的时间有一定的差别，当地经度 $\lambda$与赤经 ${\lambda }_{{}^D}$之差的计算公式见公式(2) [4] ：

$\lambda -{\lambda }_D=15°\left(t+e-12\right)+\left(\lambda -{\lambda }_h\right)$(2)

其中： $e=\left(0.0028-1.9857\sin \beta +9.9059\sin 2\beta -7.0924\cos \beta -0.6882\cos 2\beta \right)/60$

式中，t为当地时间，e为均时差， ${\lambda }_h$为所在时区的基准精度，我国以北京时间为标准时间，东八区 ${\lambda }_h$= 120˚。

第三步是计算太阳时角 $\omega$，计算公式为(3) [4] ：

$\omega =\{\begin{array}{l}\lambda -{\lambda }_{{}^D}-360°\begin{array}{ccc}& & \begin{array}{cc}& \lambda -{\lambda }_{{}^D}>180°\end{array}\end{array}\\ \lambda -{\lambda }^{{}_D}\begin{array}{cccc}& & & \begin{array}{cc}& \begin{array}{cc}& -180°\le \lambda -{\lambda }^{{}_D}\le 180°\end{array}\end{array}\end{array}\\ \lambda -{\lambda }^{{}_D}+360°\begin{array}{cccc}& & & \lambda -{\lambda }_{{}^D}<180°\end{array}\end{array}$(3)

正午时 $\omega$< 0˚，正午至午夜 $\omega$> 0˚，时角范围为 $-180°\le \omega \le 180°$。

第四步为计算太阳高度角及方位角。一般来说，太阳入射的光线与地面的投影夹角定义为高度角，用H表示。太阳能电池板与太阳连线投影到地面上与南北方向之间的夹角定义为方位角，用V表示。太阳高度角H及方位角V可由公式(4) [4] [5] 确定：

$\{\begin{array}{l}H=\arcsin \left(\cos \phi \cos \lambda \cos \omega +\sin \phi \sin \delta \right)\\ V=\frac{sin\omega \arccos \left(\sin H\sin \phi -\sin \delta \right)}{\cos H\cos \phi }\end{array}$(4)

其中： $\phi$为本地纬度， $\delta$为赤纬角， $\omega$为太阳时角。

图2 为太阳高度角及方位角示意图：

该部分以STM32系列单片机为主控，实现太阳自动跟踪控制的程序。本系统主要分为以下步骤：每隔时间t (min)后，北斗模块获取设备所在地的经纬度坐标及时间参数；单片机对所获得到的经纬度坐标及时间参数计算出该地当前时间的太阳高度角和方位角(如果读取本地时间为本地日落后，则不进行任何操作。)；STM32单片机利用计算得到的高度角和方位角数据与上一状态的高度角方位角数据进行对比，控制双轴伺服电机完成对太阳的跟踪动作。控制原理如 图3 所示：

为高效降低光伏板温度并避免水资源浪费问题，本文提出了一种封闭循环水路降温方式，通过水泵驱动封闭路径中的水流，使水路中的水能够循环使用。此外，在水路降温部分，使用光伏板—导热硅脂—水冷头—铝箔隔热层结构，提高热传导效率。 图4 为循环水路示意图， 图5 为降温部分结构示意图。水冷头安装在光伏板的背面，通过循环流动的水将光伏板表面产生的热量传递，并将其传递到相变材料 石蜡 中。石蜡通常具有较高的相变 潜热 ，即在相变过程中吸收或释放的热能。当相变材料受到温度变化的影响时，它会在特定的温度范围内发生 相变 ，从一种相态转变为另一种相态。在相变过程中，石蜡会吸收或释放大量的热能，从而实现热能的储存或释放 [6] 。因此相变材料石蜡可以储存大量的热量，在需要时将其释放出来，实现 热能 的有效利用。

本设计在不改变太阳能光伏板基本结构的前提下，在太阳能光伏板背面增加光伏板–导热硅胶–水冷头–铝箔复合散热结构作为水冷散热装置。温度传感器实时检测光伏板表面温度并传输给单片机，单片机利用温度参数对循环水路系统做闭环控制，对光伏板表面温度进行反馈式调节。 图6 循环水路结构图。

太阳辐射光线与固定太阳能光伏板法线方向存在一定的角度，因此考虑设计一个能自动旋转的太阳能光伏板，以达到能使太阳辐射光线与太阳能光伏板法线方向时刻处于平行的状态。

令 $t_i$为第i月份的日照时数，本文考虑将某月的日平均日照时数作为该月每日的日照时数。且令 $t_{1i}$为第i个月的日平均日照时数。现不考虑旋转模型，各个月太阳能光伏板的能量接收量 $Q_1$：

$Q_1=n_i{\displaystyle {\int }_{\left(24-t_{1i}\right)/2}^{\left(24-t_{1i}\right)/2+t_{1i}}\eta I_0{\cos }^2\phi }\left(t\right)$(5)

其中 $n_i$为第i个月份的天数， $\eta$为光伏板的发电效率。若考虑旋转模型，则各个月太阳能光伏板的能量接收量 $Q_2$：

$Q_2=n_i{\displaystyle {\int }_{\left(24-t_{1i}\right)/2}^{\left(24-t_{1i}\right)/2+t_{1i}}\eta I_0\cos \phi }\left(t\right)$(6)

令引入旋转模块后太阳能光伏板的电转换效率提高了 $\mu$：

$\mu =\left(Q_2/Q_1-1\right)\cdot 100\%$(7)

通过LINGO计算得到 $\mu$的值为16.64%。

本设计以单晶硅太阳能光伏板为例，在日光下对太阳能光伏板进行照射， 图7 为引入水冷系统与未引入水冷系统光伏板的温度情况。

分别测量光伏板的输出功率，测量数据如 图8 所示：

由表格可知引入水冷系统后，光伏板的输出功率相比于未引入水冷系统高，本文以引入水冷系统后光伏板的输出功率与无引入水冷系统光伏板的输出功率比值的均值减1作为效率提高的值，即：

${\mu }_1=\left({\displaystyle \underset{i=1}{\overset{10}{\sum }}{w}_2/w_1-1}\right)/10$(8)

计算得到 ${\mu }_1=12.41\%$，由此可得引入水冷系统后光伏板的效率相比于未引入水冷系统高出 ${\mu }_1=12.41\%$。

普及该综合发电系统，白天，通过水冷装置散热，旋转光伏板进行追光。该系统与传统的空气散热相比使太阳能电池板发电效率提高了16.64%。旋转光伏板进行追光，其发电效率提升率为12.41%。因此两者共同作用发电效率可提高29.05%。

通过查阅《徐州市年鉴》，得到徐州市月气象情况如 表1 所示(以2022年为例)。

由计算公式结合徐州市日照时长可知全市太阳能光伏板若引入本设计后，年多发电量为179.9336万度电，加上水热等效能量可对标913.567吨标准煤。

光伏发电的度电成本是指光伏项目单位电量所发生的综合成本。本文采用动态成本法对徐州市光伏系统发电成本进行分析，度电成本计算如公式9、公式10所示：

$C=\left[I\times CFR+M\right]/Q$(9)

$CFR=i{\left(1+i\right)}^n/\left[{\left(1+i\right)}^n-1\right]$(10)

其中，C表示度电成本(元/kwh)，I表示项目初始投资(元)，n表示项目25年寿命期(年)，i表示折现率，取8%，CFR表示等额资金回收系数，Q表示年均发电量(kwh)，M表示年运维费用(元)。

由上文可得徐州市的最终投资结果为1863600 CNY，度电成本为0.5163 CNY/kwh。

(1) 增加北斗定位模块，实时计算出太阳的高度角和方位角利用双轴二维云台实现太阳追踪，确保太阳光线始终垂直照射在光伏板上，最大化提升光伏板接收太阳能的效率，避免了压差式追光由天气造成的阴影遮挡或光照角度不佳等因素导致的能源损失。

(2) 利用封闭循环水路降温技术，可以减少光伏板因过热而导致的功率损失，并节约水资源，提高光伏板系统的整体性能，进而提高光伏板的发电效率、延长使用寿命。

(3) 利用相变材料石蜡储存被带走的热量，用于热水供应，实现能源的再利用。不仅提高了系统的能源利用率，还实现了能源的多功能利用。

(1) 住宅应用：越来越多的家庭选择在屋顶安装太阳能光伏系统，智能调控系统可以帮助家庭实现自给自足，减少能源消耗，降低能源账单。

(2) 商业和工业用途：许多商业和工业建筑已经安装了太阳能光伏系统，智能调控系统可以帮助实时监测系统运行状态，提高建筑的发电效率，实现建筑节能减排和可再生能源利用。

(3) 离网地区和岛屿：在一些离网地区和岛屿，太阳能光伏系统结合智能调控系统可以提供稳定的清洁能源供应，满足当地居民和企业的能源需求。