彭一春+马索菲娅

摘 要：太阳能以其不竭性和清洁环保优势已成为当今国内外最具发展前景的绿色能源之一。文章建立了视日运动轨迹模型，结合北斗授时与定位技术、设计了双轴自动跟踪太阳运行轨迹的系统。此系统中北斗模块实时快速获取观察点的时间、日期和经纬度，控制芯片利用模型计算出太阳的高度角、方位角和日出、日落时间，进而驱动步进电机使太阳能电池板始终垂直对准太阳光入射方向，完成自动跟踪，这能显著提高太阳能利用率，并且在日落后能够自动复位以减少机械损耗，在能源越来越短缺和温室效应不断扩大的今天，具有极高的经济意义，生态意义和社会意义。

关键词：北斗；授时；定位；跟踪

1 研究背景及意义

绿色能源和可持续发展问题是二十一世纪人类面临的两个重大课题，而能源问题将更为突出。因为目前的环境问题，很大程度上是由于化石能源过度开发利用造成的。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能大规模地开发利用可再生的清洁能源。太阳能作为一种取之不竭、安全无污染的绿色新能源将会在二十一世纪得到前所未有的发展。但太阳能存在着密度低、不稳定、光照方向和强度随时间不断变化的问题，极大地降低了太阳能的利用效率，如何充分利用太阳能，提高太阳能利用率，已成为大家研究的热点。将太阳能转换成电能或热能成为各国科学界研究的热点和产业界开发、推广的重点。实践证明，太阳跟踪技术是提高太阳能利用率的最简单而有效的途径之一[1]。卫星定位导航系统具有高精度的授时定位和测速能力，在工业、农业，国防科技等领域得到了广泛的应用。目前我国的定位导航系统大多数都是基于GPS（Global Positioning System）技术的，而GPS是由美国军方控制的军民共用系统，虽然现在对全世界开放，但是并未承诺各国可以一直免费使用，如果GPS卫星导航系统不能正常使用，将给我们带来巨大影響和损失。我国独立自主研制开发的北斗卫星导航系统也具有精确定位、精密授时、短报文通信能力、容纳用户量大四大功能[2]，更重要的是我国自主独立开发的，其可控性、可依赖性和安全性更有保障。

2 设计方案原理

在光伏应用方面，太阳跟踪就是使太阳能电池板随时依照太阳的运动作相应的转动，使太阳光的入射光线实时都是垂直照射太阳能电池阵列表面，其单位面积上的辐射能接收最大，因此可以提高太阳能利用率。要实现完全跟踪太阳的运行轨迹，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，太阳能电池板就必须能够在水平和竖直两个方向都能运动，即要采用双轴太阳跟踪。通常的太阳能双轴追踪方法有光电式跟踪和视日运动轨迹跟踪2种。

光电式跟踪的优点是结构设计较为简单，灵敏度和精确度都比较高。最大的缺点是受天气情况的影响比较大，例如：在阴天或者多云的天气，太阳能电池板上的探测器稍微有一段时间接收不到一定强度太阳光线，导致跟踪系统无法识别正确太阳位置，也就不能正确的跟踪太阳。而视日运动轨迹跟踪的优点是在全天候都可以正常工作，不怕阴天、雷雨、多云等各种恶劣天气的影响，其缺点是由于运用的视日运动轨迹模型本身就存在一定累积误差，而且一般不能自身消除，所以随着时间的推移，跟踪精度越来越低。在本方案我们采用的是视日运动轨迹跟踪方法，但对传统的视日运动轨迹模型进行修正，结合北斗系统定位准确、精确授时等优点，能够有效改进依靠传统的天文日立法运行的视日运动轨迹跟踪的累积误差大、跟踪精度低等缺点。

视日运动轨迹的双轴跟踪方式，分为极轴式和高度角～方位角式。极轴式这种跟踪方式由于太阳能电池板的重心不通过极轴轴线，极轴支承装置的机械设计比较困难，耐久性能差。因此我们设计的是高度角～方位角式跟踪，在这系统中确定太阳的位置是实现跟踪的关键因素之一。我们采用地平坐标系来描述太阳位置，相对于观察点，太阳的位置通常用高度角和方位角两个坐标决定（如图 1所示）。先根据地球与太阳的相对运动规律，建立太阳方位角和高度角与经纬度、日期和时间的数学模型，计算出太阳的位置，然后由程序控制使跟踪装置随着太阳的位置变化而转动，随时对准太阳，完成跟踪。在地平坐标系中规定太阳能电池板所在点为坐标原点O，正南方为X轴，正东方为Y，水平面的垂直方向为Z轴。太阳高度角αs是观测点O到太阳S的连线与其水平面上的投影线的夹角，取值范围是0°～90°。太阳方位角γs，是太阳与坐标原点连线水平面上的投影与X轴的夹角，并规定正南方为零度，顺时针方向为正，逆时针方向为负，取值范围是-180°～+180°。太阳高度角和太阳方位角不仅与太阳能电池板的地理位置有关，而且也与时间有关。这里的时间用太阳时角ω表示，变化周期为一昼夜，规定正午时ω=0°凌晨至正午ω<0°，正午至午夜ω>0°，时角范围为-180°?ω?180°。

由北斗系统提获取太阳能电池板处的纬度、日期、时间再根据上面推导出的视日运动轨迹模型的公式（1）-（5），可以计算出此时此刻确定太阳位置的两个参数-太阳高度角和方位角，再通过控制芯片系统给步进电机驱动器发送相应的信号，然后驱动器分别给水平和垂直步进电机发送对应的指令，使太阳能电池板始终和太阳光线垂直，实现跟踪。图2为系统总体程序设计框架图。

3 系统结构设计及运行流程

本系统主要包括北斗信息接收与处理模块、控制芯片模块和步进电机驱动模块、2个步进电机、2个角位置传感器组成的反馈系统模块等部分构成。图3为自动跟踪太阳能电池板平台框架示意图。图4为系统数据流程示意图。

北斗信息接收与处理模块可以在短时间内处理和提取位置坐标和时间等信息。控制芯片通过视日运动轨迹模型公式（1）～（5）和北斗系统发来的坐标和时间参数，可得到太阳能电池板所在位置的太阳高度角和太阳方位角。太阳能电池板是固定不动的，即O点是固定的。OK是电池板的中垂线，设OK连线的方向即是目前电池板的朝向（如图5所示）。S点是太阳的相对位置。当O，K，S三点共线时电池板正对太阳，当S点偏离OK连线时控制芯片将偏差信号以脉冲信号的形式传递给步进电机驱动模块，步进电机驱动把这种脉冲信号转化成角位移和线位移，再传递给步进电机带动电池板朝太阳运动方向运动，直至重新正对太阳。对于偏差的角度信号可以分解为在地平坐标系中的太阳高度角αs与当前的高度角αk之间的差值以及太阳方位角γs与目前方位角γk之间的差值。通过水平和垂直转轴的偏转使Δα=|αs-αk|和Δγ=|γs-γk|逐步减小，一直到Δα和Δγ为零，即O、K、S三点共线，使太阳能电池板始终对准太阳光入射方向。

4 结束语

北斗卫星导航系统是中国自主研发的卫星导航系统，在国民经济建设和国防军事方面都有非常重大的意义。强调低碳环保生活的今天，绿色能源越来越受人们广泛关注，太阳能作为绿色能源，逐渐受到人们的重视，考虑到太阳能的采集制作成本高，利用效率低的缺点，结合北斗系统授时定位的功能，建立了视日运动轨迹模型，设计了双轴自动跟踪太阳运行轨迹的系统。该双轴装置利用北斗系统的定位授时功能，得到太阳能电池板所在的准确地理位置及精确的时间信息，通过控制芯片计算太阳的高度角和方位角，通过角度传感器反馈电池板实时高度角和方位角，将两个角度的变化反馈到控制系统，不断地得出太阳光入射角度相对太阳能电池板的角度变化，利用控制芯片计算并输出脉冲串，控制步进电机使太阳能电池板始终垂直于太阳光的入射方向，这样在电池板固定的面积上能够尽可能多的接收到太阳能，这样可以使太阳能得到最大利用。这系统方案在光伏和光热等领域都可以适用，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，其能促进太阳能发电和热能利用在能源领域的广泛使用，有较好的推广应用价值。

参考文献

[1]汪春华，王晓丽，李彬.高精度太阳能聚光双轴定时跟踪控制系统设计[J].电子设计工程.2012，20 （4）：91-93.

[2]杨元喜，李金龙，王爱兵，等.北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J].2014，44（1）：72-81.

[3]王国安，米鸿涛，邓天宏，等.太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算[J].气象与环境科学，2007，30（B09）：161-164.

作者简介：彭一春（1977-），女，硕士，副教授，主要从事土木工程材料及其检测。