一种基于物联网及定位系统的太阳能追光及利用系统.pdf

中国科技信息 2024 年第 5 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-76-三星推荐研究背景政策导向当今社会，环境污染日趋严重，现有能源也面临枯竭。在此背景下，对清洁能源如太阳能利用的研究显得炙手可热。我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为 501 018kJ，全国各地太阳年辐射总量达 335837kJ/m2。不过，由于太阳照射的间歇性，太阳位的变化、日照时间长短变化、空间分布不均匀等问题存在，太阳能利用效率欠缺；在政策方面：根据“十四五”新型储能发展实施方案，支持新型储能与电力系统各环节融合发展。2021 年 10 月以来，甘肃、青海、宁夏等地光伏基地项目陆续开工建设，表面太阳能行业未来市场广阔。因此，设计一套高效的太阳能追光及收集系统势在必行。市场分析现今已投入市场的各种太阳能收集、使用装置，对太阳光能的收集有或多或少的缺陷，尤其在追光原理上，绝大多数装置使用传统的追光技术。传统上使用光敏电阻追光技术，其工作流程是由光电传感器件根据太阳入射光线的强弱变化产生反馈信号传送至处理器，再由处理器运行程序来调整太阳能光伏板的角度实现追光。但该方法严重受制于天气、云朵遮阳及周边环境，在具体应用时缺少对当地地理因素的考虑，导致对光精度不高，能源利用效率不够。市场的各种太阳能收集、使用装置也未与代表当下热点研究方向的物联网相关联，缺乏相关的监控与管理机制。在结合传统追光技术的基础上，笔者萌发了设计一款基于物联网与定位系统的太阳能追光及利用系统的想法，以弥补这一缺口并提高太阳的利用效率。设计思路概述在设想中，该系统主要包含了“网络通信模块”“北斗定位模块”“追光计算与动力反馈模块”“太阳能收集模块”“能量利用与存储模块”“环境安全与检测模块”六大部分。图1 给出了整套系统的结构示意图。说明物联网技术的使用，使远程监控和调控成为可能。通过行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种基于物联网及定位系统的太阳能追光及利用系统吴逸凡 沈 韵 唐 煜吴逸凡 沈 韵 唐 煜苏州大学 数学科学学院吴逸凡（2002），江苏，信息与计算科学专业本科生。沈韵（2002），女，天津，统计学专业本科生。唐煜（1977），江苏，教授，博士生导师，主要从事试验设计与数据分析研究。-77-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 5 期三星推荐使用物联网技术，用户可以实时获得当前太阳能面板的方位角、高度角、光照强度、面板周边环境等数据，最大限度地达到对资源的合理利用。结合周边环境数据，系统可以做出安全判断，以做出相应的保护反馈；用户也可以通过物联网平台对安全报警的阈值进行修改。对于能量收集装置，核心控制器将检测能量收集状况。以光伏发电为例，控制器将检测其实时的电压、充电电流等参数，判断是否在安全范围内，并上传物联网平台，以达到安全预警的目的。对于太阳能集光面板，既可以使用光伏电池，进行光电转换也可以使用真空集热管，进行光热转换。系统可以适应多种情况，便于得到广泛的使用。针对不同用户需求可增减物联网模块以降低成本，对于个性化低成本的家用追光发电可减去物联网和能量存储模块。追光算法算法概论对于太阳能追光系统，笔者需要从已知的地球上某一点的坐标数据与当地地方时推导出此时该地的太阳方位角及其高度角。对于该问题，笔者采取先将问题简化，从易到难，最终逼近实际结果的方法进行计算。问题分析对于这一问题，首先对其进行简要分析，发现需要考虑的因素有：地球的自转、地球的公转与太阳直射点的移动，及其所带来的昼夜长短变化和必要的时间修正、地球大气的折射与天气影响所导致的角度修正、地球实际形态与当地地表形态所导致的角度修正。由于对数据的误差分析可知，对太阳直射点所引起的时间变化进行修正后，理论计算值已与实际测量值较为吻合，后两点不为主要因素，因此这两步在实际设计中略去。下面先开始计算仅存在自转的情况下太阳的方位角及高度角。基础计算假定地球是正球体，且视入射的太阳光线为平行光，直射点在赤道上，不考虑大气的折射。先考虑位于北半球的某地的情况：已知某地纬度，经度，测量时间为零点后 td小时（24小时计时法）。定义参量为赤道上同一经度处的太阳高度角。设太阳高度角为，太阳在水平面的投影与正西方向夹角为。根据地球自转时的运动关系，有：根据几何关系，可以作出示意图（图 2）：得到：入射光从南向北射入再考虑位于南半球的某地的情况。同理可得：入射光从北向南射入此处需要说明一下，由于北斗定位系统提供的时间是北京时间，即东八区的区时，故观测点的地方时间 t 应为：其对于 的取值，东经为正，西经为负。第一次修正下面考虑地球的公转及太阳直射点的移动。由于地球公转轨道离心率仅有 0.034，此处即视为正圆，即地球绕太阳作周期为一回归年的匀速圆周运动。此时，太阳直射点沿着地球表面与黄道面的交线作匀速圆周运动。我们要做的工作是：根据日期，求出太阳直射点所在纬度，即所谓“赤纬角”。笔者在这里采用一种较为简单的方法计算。在这里，要先申明一个定义：“积日”。所谓积日，是指某一日期在一年内的顺序号，如 1 月 1 日的积日就为 1d，图 1 系统结构示意图图 2 角度关系示意图图 3 地球轨道公转图中国科技信息 2024 年第 5 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-78-三星推荐6 月 27 日在平年的积日为 178d，闰年为 179d。设地球公转时间为 t（以冬至日为计时零点），太阳到地球连线所对应的指向地球的向量为 r，地轴所在直线的方向向量为a，其在黄道平面内的分量为a，则r与a的夹角为：又有：由此得到：且：所以可得：arccos（sin23 26 cost）则将表达式中的 修正为+90 即可。设 t0为积日，n0为冬至日对应的积日，故有关系式：t0大于等于 n0时：t=t0-n0+td/24t0小于 n0时：t=t0+1y-n0+td/24此处需注明一下，公式中的 可以根据天体运动的知识算出或直接有：T2=，式中 T=1y。综合以上的表达式，将 带入公式，即求得到椭圆轨道下的太阳高度角及太阳方位角。对于平闰年的计算，这里直接给出结果，且以上的推算与这里的最终表达式是相一致的。-90=0.372 3+23.256 7sin+0.114 9sin2 -0.171 2sin3-0.758cos +0.365 6+cos2+0.020 1cos3该式中，有=2（N-N0）/365.242 2，其中 N 为前文所提到的积日。以上式中 含义相同，但与前文代表太阳高度角的 相区别。对于 N0，有：）（4985 1Yint985)12(Y 0.242+4 79.676N0=以上，可以较精确地计算太阳高度角和方位角。第二次修正以上的计算在理论上没有问题，但在实际应用中，还要考虑到一些由于约定的计时方法并不精确导致的误差，下面我们给出修正。时差修正：由于地球在其公转轨道上的运行并不是匀速的，所以真太阳日的长短也不尽相同。但现有的计时系统的计时方法是将每一天都视为等长，这里就会导致存在一个计时时差。我们称真实情况下的小时为真太阳时，用 S，现有计时系统中的小时为平太阳时，记为 S，将时差记为 E1，以下是对该时差的修正：S =S+E1其中对于 E1，有：E1=0.002 81.985 7sin+9.905 9sin2 7.092 4cos0.688 2cos2用此处计算得出的真太阳时修正结果中的 td即可，将 td修正为 td+E1至此，所有修正已经结束，计算结果已经十分接近真实值了。系统基本设计物联网物联网技术需要使用到一个网络云平台。鉴于网络云平台搭建成本高昂、条件苛刻，选择使用 onenet，由这一开放的物联网平台来提供物联网云平台的支持。此外，在笔者的设计中，由于整个系统需要连接物联网，对嵌入式处理器的要求较高，因此笔者选择 STM32F103作开发板，选用 ESP8266 接入网络。这套系统，将卫星定位模块获得的数据、追光的实时情况、设备所在位置的环境等讯息，经过 STM32F103嵌入式处理器处理后，由 ESP8266 模块将其上传到onenet 平台，用户可以在手机上对其进行监控，并对这个系统进行调控。太阳能集光面板设计与舵机控制在整个系统的运作过程中，太阳能集光面板的设计是最为重要的环节之一。不管是光电转换的集光面板还是光热转图 4 集热3D模型图 5 能量吸收率比较-79-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 5 期三星推荐换的集光面板，集光面板的集光效率将直接影响到能源利用的效率。笔者的设计，就是在尽可能大的提高集光面板的集光效率的基础上，建立的一套综合利用系统。利用 SolidWorks 软件对集热装置进行了简单的 3D 模型建立（如图 4 所示）。太阳能集热板主要由四部分组成，从下到上依次是“圆形底座”“指南方向校准器”“共轭双轴面板追光器”“太阳能集热板”。分析与比较图 5 是香港大学 KPCheung 和 SCMHai 两位教授对固定方向太阳接收装置和利用太阳跟踪技术的情况下两种能量获取差异对比，根据相关人员研究表明，固定的太阳能板与自动追光的能量接收率相差约为自动追光太阳能板的37.1%，可以明显看出，对太阳的跟踪与否跟吸收效率有明显关系，笔者将光线分解为垂直于太阳能板的方向和平行于板的方向，则根据积分=002sindd可以从理论上得出接收率提高2257.1%，而236.3%，与实际的37.1%相符。对于普通固定式电池板，太阳能板产生的电量如果全部存储下来，按每平方米发电功率为 100W 计算，固定方式的每平方米太阳能板日剩余电量为 746.29W，采用光敏电阻阵列的日剩余电量为 989.73W，考虑到对于自动跟踪式发电方式，需要驱动电机、控制系统以及其他电能消耗，估算得一天的电能消耗大约为 17W，故采用光敏电阻阵列发电方式每平方米电池板日剩余电 989.73-17=972.73W，比普通固定式发电方式高 30.34%。因此对于采用定位系统的自动追光系统也需要考虑驱动电机、控制系统以及其他电能耗电，我们假设其一天的耗电与光敏电阻阵列的相同，消耗都为 17W，则 54.8%，所以固定式太阳能板吸收 1 个单位的电量，采用光敏追光就能吸收约 1.3 个单位的电量，而采用定位系统的自动追光能吸收约 1.55 个单位的电量。由此可见，在对太阳能的利用中定位系统确有必要。发展前景应用方面应用范围可以进一步提升，这一套系统不仅可以应用在集中式大型地面光伏电站，也可以运用在活动平台上。例如现在在十字路口广泛使用的临时交通信号灯，电子广告显示屏等。在活动的平台上，正南方向校准器才能够得到充分的使用。由于其模式切换的特点，可以极大地避免地理环境等因素带来的负面影响，其自适应功能可以得到逐步提高。可以采用“租赁式”推广惠及广大农民群众，助力巩固拓展脱贫攻坚成果和乡村振兴。价格方面随着嵌入式处理器技术的发展和卫星定位模块的价格不断降低，以后这种基于卫星定位的追光技术的成本将很快低于基于光敏电阻的追光系统，不管是在家庭还是在工业生产中，以较低的成本获得准确的追光技术将成为发展的方向。技术方面伴随着新能源政策的不断支持，相关产品的成本会进一步降低，从而带动上下游产业的发展，进一步拓宽市场。想要进一步提高太阳能能源利用的效率，除追光技术外，提高光电转换或光热转换的效率至关重要。效率更高的太阳能电池配合这套系统使用，将获得更好的能源利用效果。结语通过设计基于物联网及定位系统的太阳能追光及利用系统，可以提高太阳能的有效利用。在当前清洁能源政策导向下，太阳能追光技术将提高太阳能高效转化、利用的突破口。在详细研究系统的设计思路，包括物联网、北斗定位、追光算法等方面后，我们提出了一套智能、高效的太阳能利用系统。追光算法考虑了地球自转、公转、大气折射等因素，通过两次修正提高了计算准确性。系统基本设计中，物联网技术和嵌入式处理器的选择为系统的智能监控和调控提供了支持。通过对比分析，我们验证了自动追光系统相对于固定式系统在能量获取上的优势，为自动追光技术的实际应用提供了数据支持。展望太阳能追光系统在大型地面光伏电站和活动平台等领域的应用前景，在新能源政策支持和技术创新的推动下，该系统在清洁能源领域具有发挥重要作用的空间。未来，我们期待这一系统在各领域的应用，从大型光伏电站到灵活的活动平台，将为我们的社会带来更多清洁、高效的能源解决方案。通过不断地政策支持和技术升级，这一系统有望成为推动可持续发展的关键引擎，为未来能源领域注入新的活力。