北斗授時(shí)與定位技術(shù)在綠色能源開發(fā)利用中的應(yīng)用研究

彭一春+馬索菲婭

摘 要：太陽能以其不竭性和清潔環(huán)保優(yōu)勢已成為當(dāng)今國內(nèi)外最具發(fā)展前景的綠色能源之一。文章建立了視日運(yùn)動軌跡模型，結(jié)合北斗授時(shí)與定位技術(shù)、設(shè)計(jì)了雙軸自動跟蹤太陽運(yùn)行軌跡的系統(tǒng)。此系統(tǒng)中北斗模塊實(shí)時(shí)快速獲取觀察點(diǎn)的時(shí)間、日期和經(jīng)緯度，控制芯片利用模型計(jì)算出太陽的高度角、方位角和日出、日落時(shí)間，進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使太陽能電池板始終垂直對準(zhǔn)太陽光入射方向，完成自動跟蹤，這能顯著提高太陽能利用率，并且在日落后能夠自動復(fù)位以減少機(jī)械損耗，在能源越來越短缺和溫室效應(yīng)不斷擴(kuò)大的今天，具有極高的經(jīng)濟(jì)意義，生態(tài)意義和社會意義。

關(guān)鍵詞：北斗；授時(shí)；定位；跟蹤

1 研究背景及意義

綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問題是二十一世紀(jì)人類面臨的兩個(gè)重大課題，而能源問題將更為突出。因?yàn)槟壳暗沫h(huán)境問題，很大程度上是由于化石能源過度開發(fā)利用造成的。因此，人類要解決上述能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能大規(guī)模地開發(fā)利用可再生的清潔能源。太陽能作為一種取之不竭、安全無污染的綠色新能源將會在二十一世紀(jì)得到前所未有的發(fā)展。但太陽能存在著密度低、不穩(wěn)定、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問題，極大地降低了太陽能的利用效率，如何充分利用太陽能，提高太陽能利用率，已成為大家研究的熱點(diǎn)。將太陽能轉(zhuǎn)換成電能或熱能成為各國科學(xué)界研究的熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)界開發(fā)、推廣的重點(diǎn)。實(shí)踐證明，太陽跟蹤技術(shù)是提高太陽能利用率的最簡單而有效的途徑之一[1]。衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)具有高精度的授時(shí)定位和測速能力，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)，國防科技等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前我國的定位導(dǎo)航系統(tǒng)大多數(shù)都是基于GPS（Global Positioning System）技術(shù)的，而GPS是由美國軍方控制的軍民共用系統(tǒng)，雖然現(xiàn)在對全世界開放，但是并未承諾各國可以一直免費(fèi)使用，如果GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能正常使用，將給我們帶來巨大影響和損失。我國獨(dú)立自主研制開發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也具有精確定位、精密授時(shí)、短報(bào)文通信能力、容納用戶量大四大功能[2]，更重要的是我國自主獨(dú)立開發(fā)的，其可控性、可依賴性和安全性更有保障。

2 設(shè)計(jì)方案原理

在光伏應(yīng)用方面，太陽跟蹤就是使太陽能電池板隨時(shí)依照太陽的運(yùn)動作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，使太陽光的入射光線實(shí)時(shí)都是垂直照射太陽能電池陣列表面，其單位面積上的輻射能接收最大，因此可以提高太陽能利用率。要實(shí)現(xiàn)完全跟蹤太陽的運(yùn)行軌跡，有效的保證太陽能電池板能夠時(shí)刻正對太陽，太陽能電池板就必須能夠在水平和豎直兩個(gè)方向都能運(yùn)動，即要采用雙軸太陽跟蹤。通常的太陽能雙軸追蹤方法有光電式跟蹤和視日運(yùn)動軌跡跟蹤2種。

光電式跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，靈敏度和精確度都比較高。最大的缺點(diǎn)是受天氣情況的影響比較大，例如：在陰天或者多云的天氣，太陽能電池板上的探測器稍微有一段時(shí)間接收不到一定強(qiáng)度太陽光線，導(dǎo)致跟蹤系統(tǒng)無法識別正確太陽位置，也就不能正確的跟蹤太陽。而視日運(yùn)動軌跡跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是在全天候都可以正常工作，不怕陰天、雷雨、多云等各種惡劣天氣的影響，其缺點(diǎn)是由于運(yùn)用的視日運(yùn)動軌跡模型本身就存在一定累積誤差，而且一般不能自身消除，所以隨著時(shí)間的推移，跟蹤精度越來越低。在本方案我們采用的是視日運(yùn)動軌跡跟蹤方法，但對傳統(tǒng)的視日運(yùn)動軌跡模型進(jìn)行修正，結(jié)合北斗系統(tǒng)定位準(zhǔn)確、精確授時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效改進(jìn)依靠傳統(tǒng)的天文日立法運(yùn)行的視日運(yùn)動軌跡跟蹤的累積誤差大、跟蹤精度低等缺點(diǎn)。

視日運(yùn)動軌跡的雙軸跟蹤方式，分為極軸式和高度角～方位角式。極軸式這種跟蹤方式由于太陽能電池板的重心不通過極軸軸線，極軸支承裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)比較困難，耐久性能差。因此我們設(shè)計(jì)的是高度角～方位角式跟蹤，在這系統(tǒng)中確定太陽的位置是實(shí)現(xiàn)跟蹤的關(guān)鍵因素之一。我們采用地平坐標(biāo)系來描述太陽位置，相對于觀察點(diǎn)，太陽的位置通常用高度角和方位角兩個(gè)坐標(biāo)決定（如圖 1所示）。先根據(jù)地球與太陽的相對運(yùn)動規(guī)律，建立太陽方位角和高度角與經(jīng)緯度、日期和時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出太陽的位置，然后由程序控制使跟蹤裝置隨著太陽的位置變化而轉(zhuǎn)動，隨時(shí)對準(zhǔn)太陽，完成跟蹤。在地平坐標(biāo)系中規(guī)定太陽能電池板所在點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，正南方為X軸，正東方為Y，水平面的垂直方向?yàn)閆軸。太陽高度角αs是觀測點(diǎn)O到太陽S的連線與其水平面上的投影線的夾角，取值范圍是0°～90°。太陽方位角γs，是太陽與坐標(biāo)原點(diǎn)連線水平面上的投影與X軸的夾角，并規(guī)定正南方為零度，順時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)，取值范圍是-180°～+180°。太陽高度角和太陽方位角不僅與太陽能電池板的地理位置有關(guān)，而且也與時(shí)間有關(guān)。這里的時(shí)間用太陽時(shí)角ω表示，變化周期為一晝夜，規(guī)定正午時(shí)ω=0°凌晨至正午ω<0°，正午至午夜ω>0°，時(shí)角范圍為-180°?ω?180°。

由北斗系統(tǒng)提獲取太陽能電池板處的緯度、日期、時(shí)間再根據(jù)上面推導(dǎo)出的視日運(yùn)動軌跡模型的公式（1）-（5），可以計(jì)算出此時(shí)此刻確定太陽位置的兩個(gè)參數(shù)-太陽高度角和方位角，再通過控制芯片系統(tǒng)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送相應(yīng)的信號，然后驅(qū)動器分別給水平和垂直步進(jìn)電機(jī)發(fā)送對應(yīng)的指令，使太陽能電池板始終和太陽光線垂直，實(shí)現(xiàn)跟蹤。圖2為系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)框架圖。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行流程

本系統(tǒng)主要包括北斗信息接收與處理模塊、控制芯片模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、2個(gè)步進(jìn)電機(jī)、2個(gè)角位置傳感器組成的反饋系統(tǒng)模塊等部分構(gòu)成。圖3為自動跟蹤太陽能電池板平臺框架示意圖。圖4為系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意圖。

北斗信息接收與處理模塊可以在短時(shí)間內(nèi)處理和提取位置坐標(biāo)和時(shí)間等信息?？刂菩酒ㄟ^視日運(yùn)動軌跡模型公式（1）～（5）和北斗系統(tǒng)發(fā)來的坐標(biāo)和時(shí)間參數(shù)，可得到太陽能電池板所在位置的太陽高度角和太陽方位角。太陽能電池板是固定不動的，即O點(diǎn)是固定的。OK是電池板的中垂線，設(shè)OK連線的方向即是目前電池板的朝向（如圖5所示）。S點(diǎn)是太陽的相對位置。當(dāng)O，K，S三點(diǎn)共線時(shí)電池板正對太陽，當(dāng)S點(diǎn)偏離OK連線時(shí)控制芯片將偏差信號以脈沖信號的形式傳遞給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動把這種脈沖信號轉(zhuǎn)化成角位移和線位移，再傳遞給步進(jìn)電機(jī)帶動電池板朝太陽運(yùn)動方向運(yùn)動，直至重新正對太陽。對于偏差的角度信號可以分解為在地平坐標(biāo)系中的太陽高度角αs與當(dāng)前的高度角αk之間的差值以及太陽方位角γs與目前方位角γk之間的差值。通過水平和垂直轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)使Δα=|αs-αk|和Δγ=|γs-γk|逐步減小，一直到Δα和Δγ為零，即O、K、S三點(diǎn)共線，使太陽能電池板始終對準(zhǔn)太陽光入射方向。

4 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防軍事方面都有非常重大的意義。強(qiáng)調(diào)低碳環(huán)保生活的今天，綠色能源越來越受人們廣泛關(guān)注，太陽能作為綠色能源，逐漸受到人們的重視，考慮到太陽能的采集制作成本高，利用效率低的缺點(diǎn)，結(jié)合北斗系統(tǒng)授時(shí)定位的功能，建立了視日運(yùn)動軌跡模型，設(shè)計(jì)了雙軸自動跟蹤太陽運(yùn)行軌跡的系統(tǒng)。該雙軸裝置利用北斗系統(tǒng)的定位授時(shí)功能，得到太陽能電池板所在的準(zhǔn)確地理位置及精確的時(shí)間信息，通過控制芯片計(jì)算太陽的高度角和方位角，通過角度傳感器反饋電池板實(shí)時(shí)高度角和方位角，將兩個(gè)角度的變化反饋到控制系統(tǒng)，不斷地得出太陽光入射角度相對太陽能電池板的角度變化，利用控制芯片計(jì)算并輸出脈沖串，控制步進(jìn)電機(jī)使太陽能電池板始終垂直于太陽光的入射方向，這樣在電池板固定的面積上能夠盡可能多的接收到太陽能，這樣可以使太陽能得到最大利用。這系統(tǒng)方案在光伏和光熱等領(lǐng)域都可以適用，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無人值守的情況，其能促進(jìn)太陽能發(fā)電和熱能利用在能源領(lǐng)域的廣泛使用，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：彭一春（1977-），女，碩士，副教授，主要從事土木工程材料及其檢測。