《Energy Technology》：A Low Cost, Fully Sensorless Dual Axis PV Tracker Using Astronomical Ephemerides and Discrete Actuation
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太阳能跟踪系统能够显著提高光伏（PV）发电量；然而，传统方案通常依赖传感器、反馈控制系统和连续致动，增加了成本、复杂性和维护需求。本研究提出一种全无传感器双轴太阳能跟踪系统，该系统将天文历书（astronomical ephemerides）与基于ZIP码的地
太阳能跟踪系统能够显著提高光伏（PV）发电量；然而，传统方案通常依赖传感器、反馈控制系统和连续致动，增加了成本、复杂性和维护需求。本研究提出一种全无传感器双轴太阳能跟踪系统，该系统将天文历书（astronomical ephemerides）与基于ZIP码的地理定位相结合，在无需光学、辐照度、GPS或位置传感器的情况下确定PV面板的最佳取向。所提方法采用离散致动（discrete actuation）以最小化机械运动并降低能耗，同时保持较高跟踪精度。在跟踪机构实验验证支持下的仿真结果表明，与等效固定式PV面板相比，所提跟踪器使日能量输出提高约56.65%，而跟踪机构消耗的能量仅占额外发电量的1.17%。分析进一步表明，1至2.5 h的跟踪间隔在能量产出、致动器能耗和机械磨损之间提供了有效折中。此外，系统在跟踪误差高达12°时仍保持高度有效性，凸显其稳健性及适用于低成本实现。结果表明，简单的开环控制架构（open-loop control architecture）能够以最少硬件显著改善PV能量产出。因此，所提无传感器跟踪策略为提升PV系统性能提供了一种实用、可靠且具成本效益的途径，尤其适用于偏远和资源受限地区。
研究背景与问题：全球光伏（PV）产业持续增长，固定式PV系统因太阳视位置随昼夜和季节变化而无法充分利用太阳能资源，入射角变化会降低能量捕获。太阳能跟踪系统可通过调整PV组件取向提高发电量，文献报道相对固定装置可提高约30%–40%，高辐照地区双轴跟踪可提高35%–45%，单轴可提高20%–30%。但传统跟踪系统常依赖光依赖电阻（LDR）、光电二极管、网络摄像头等传感器和反馈控制，可能受环境条件影响并需校准维护；部分无传感器方案仍依赖辅助传感、复杂优化算法或连续跟踪，增加计算需求、能耗和机械磨损。低成本无传感器跟踪器在真实运行条件下的研究仍较少，跟踪精度、能量增益、致动器能耗和机械复杂度之间的权衡尚需明确。为此，研究人员提出一种仅依赖安装地ZIP码检索经纬度并结合天文算法计算太阳位置的全无传感器双轴PV跟踪系统，采用离散事件驱动策略，以在低硬件成本和低运行复杂度下获得较高净能量增益。研究结论表明，该开放环架构可实现约56.65%净能量增益，跟踪机构能耗仅占额外发电量的1.17%，1–2.5 h跟踪间隔为有效折中，且对不超过12°的跟踪误差具有稳健性；该系统成本低、易维护，适用于偏远和资源受限地区。
关键技术方法（不超过250字）：研究人员建立嵌入式ZIP码数据库，以用户输入邮政编码检索安装地纬度和经度；采用基于Jean Meeus天文算法的太阳位置计算，由经纬度、日期和时间求得太阳方位角和高度角；将倾斜面全局辐照度分解为直射、散射和地面反射分量以评估能量收益；控制平台采用Arduino Mega、NEMA23方位步进电机和NEMA17高度步进电机，并以离散间隔执行致动；在阿尔及利亚Tiaret于2022年1月至2023年1月开展户外实验验证跟踪机构、太阳位置跟踪响应和机械稳定性；PV电气性能由经参数化验证的仿真模型评估，参数包括所开发跟踪器、PV组件和跟踪电机特性；无样本队列，地理数据库来源为阿尔及利亚行政区ZIP码及经纬度。
研究结果：
3.1 实验验证与仿真框架（Experimental Validation and Simulation Framework）。研究人员通过户外原型实验验证跟踪策略、计算太阳位置和双轴机构机械运行，并以参数化仿真模型评估辐照度、功率、发电量和净能量增益；实验与仿真互为补充。
3.2 比较研究（Comparative Study）。通过仿真比较所提跟踪器与相同固定PV面板，平均收集辐照度增益超过58%，日发电量约1691 Wh对1067 Wh，提高近59%；扣除跟踪能耗后净能量增益为56.65%，跟踪能耗仅占额外发电量的1.17%。
3.3 最佳跟踪时间（Optimal Tracking Time）。通过15 min至5 h跟踪间隔评估，归一化能耗由15 min的1.43%降至1 h的0.36%，2–2.5 h低于0.2%，5 h低至0.07%；不超过2.5 h时归一化发电量高于99.8%；1 h净增益最高约99.88%，但2–2.5 h在产能、能耗和机械活动间折中更优。
3.4 跟踪误差影响（Tracking Error Impact on Solar Tracker Performance）。通过引入1°–24°角偏差评估，误差不超过12°时发电量由约1600 Wh缓降至约1550 Wh，归一化净能量增益仍较高；超过12°后性能明显下降，18°约1450 Wh、24°约1380 Wh；表明系统对典型机械和环境偏差具有稳健性。
3.5 纬度与经度变化下的地理评估（Geographic Evaluation of the Sensorless Solar Tracking System Under Latitude and Longitude Variations）。通过阿尔及利亚约33.5°–37.3°纬度范围多地点的仿真评估，纬度升高与年太阳资源及太阳高度角变化相一致地降低产量；经度不改变可用太阳能总量，但改变太阳正午和峰值发电时间，算法可补偿该时间偏移；所研究地点间差异有限。
3.6 成本分解（Cost Breakdown）。通过原型成本核算，完整系统约307 USD（280 EUR），步进电机和PV组件为主要成本项，控制电子占比较小；采用低成本商用组件，适合小规模PV、教育、农村电气化和资源受限地区。
3.7 与文献比较（Comparison With Literature）。通过与代表性传感器型和无传感器型跟踪系统比较，所提系统净能量增益56.65%高于多数报道值；与Morón等、Hoffmann等、Tirmikci和Yavuz、Fuentes等、Pirayawaraporn等、Wu等及Papadopoulos等系统相比，其特点为仅使用天文计算和ZIP码导出坐标，无需专用传感或定位硬件；1 h近优、2–2.5 h保持高产能并降低能耗，12°误差影响有限。讨论指出高增益还与测试地高太阳资源、双轴配置及固定面板恒定取向比较有关；该系统兼具高性能、低成本、简单性和地理适应性。
讨论总结：所提ZIP码无传感器跟踪器以完全开放环架构实现较高能量改善，避免光学传感器、GPS、罗盘、电流传感器、辐照计或最大功率点跟踪（MPPT）反馈等辅助硬件，降低硬件复杂性和维护需求；离散跟踪和适度定位精度即可获得大部分收益，经济性适合偏远、农村和资源受限地区。未来工作包括集成人工智能进行自适应跟踪优化、天气感知控制、预测性维护和自动故障诊断，并在不同气候区域开展长期现场部署验证。
研究结论翻译：本研究介绍了一种完全无传感器双轴PV太阳能跟踪系统的设计、实现、跟踪机构实验验证及基于仿真的PV能量性能评估，该系统基于天文历书和由ZIP码导出的地理坐标。通过消除光学、辐照度、GPS或位置传感器需求，所提方法在保持高跟踪性能的同时显著降低系统复杂性、维护需求和实现成本。结合跟踪机构户外实验验证与PV能量性能仿真评估的综合评价表明，所提策略在不同运行条件下有效。所开发跟踪器相对固定PV系统实现约56.65%净能量增益，跟踪机构能耗仅占额外发电量的1.17%，证实简单开环跟踪架构可显著提高PV发电量。研究进一步表明离散跟踪间隔足以维持优异性能；尽管每小时跟踪净能量增益最高，2至2.5 h间隔在能量产出、致动器能耗和机械磨损之间提供有吸引力折中；系统对跟踪不准确具有强稳健性，高达12°角偏差仅造成能量输出轻微降低。地理敏感性分析显示纬度主要影响收集太阳能数量，经度主要影响峰值发电时间，所提算法成功适应两种影响并适合广泛地理部署。经济评估表明完整原型可用低成本商用组件实现，特别适合农村、偏远和发展中地区。本工作主要贡献在于证明无需传感器、复杂优化程序或连续致动即可实现高性能太阳能跟踪；所提基于ZIP码的跟踪策略提供实用、可扩展方案，在保持实现和运行成本低的同时提高PV发电量。未来工作将通过集成人工智能技术进行自适应跟踪优化、天气感知控制策略、预测性维护和自动故障诊断来扩展所提框架，并通过不同气候区域长期现场部署进一步验证其稳健性和可扩展性。
