一种高精度双轴太阳能跟踪系统及其跟踪方法

摘要

本发明涉及一种高精度双轴太阳能跟踪系统，所述系统包含有控制器（101）、模数转换电路（102）、调理电路（103）、光控跟踪器（104）、风速传感器（105）、驱动电路（106）、GPS模块（107）、显示模块（108）、方位角电机（109）和高度角电机（110），所述光控跟踪器（104）和风速传感器（105）依次经调理电路（103）和模数转换电路（102）后与控制器（101）相连，所述控制器（101）经驱动电路（106）后驱动方位角电机（109）和高度角电机（110），所述GPS模块（107）和显示模块（108）与控制器（101）相连。本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统，适用范围广、精度高其安全性能高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能跟踪系统及其跟踪方法，尤其是涉及一种可应用于恶劣环境且精度高的高精度双轴太阳能跟踪系统及其跟踪方法。

背景技术

为了提高光伏发电站对太阳能的利用率，需对太阳位置进行全方位实时精确跟踪。目前，常规的太阳跟踪控制方式主要分为两类：

一、利用光控跟踪器跟踪控制方式：光控跟踪器跟踪方式具有跟踪精度高的优点，但同时存在抗天气干扰能力弱的问题，从而使得其在一些气象环境变化较大的地方，难以应用；

二、利用时序跟踪控制方式：时序跟踪方式具有不受天气影响、可靠性强等优点，但其无法自动校正累积误差；

同时，这两种方式均存在较大的安全隐患：当风速过大，尤其是超过整个太阳能系统的承受能力时，会对整个系统造成灾难性的后果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种适用范围广、精度高其安全性能高的高精度双轴太阳能跟踪系统及其跟踪方法。

本发明的目的是这样实现的： 一种高精度双轴太阳能跟踪系统，所述系统包含有控制器、模数转换电路、调理电路、光控跟踪器、风速传感器、驱动电路、GPS模块、显示模块、方位角电机和高度角电机，所述光控跟踪器和风速传感器依次经调理电路和模数转换电路后与控制器相连，所述控制器经驱动电路后驱动方位角电机和高度角电机，所述GPS模块和显示模块与控制器相连。

本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统，所述光控跟踪器包含有壳体，所述壳体包含有筒体，所述筒体的两个开口端分别设置有筒盖和筒底板，所述筒体、筒盖和筒底板构成一密闭的检测腔体，所述筒盖中心设置有一通孔，该通孔内安装有透镜，所述筒底板朝向检测腔体的一面上设置有光敏元件一、光敏元件二、光敏元件三、光敏元件四和光敏元件五，所述光敏元件五设置于筒底板的正中心，且光敏元件五正对透镜，所述光敏元件一、光敏元件二、光敏元件三和光敏元件四均匀分布于光敏元件五周围。

本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统，述筒底板上的光敏元件一、光敏元件二、光敏元件三、光敏元件四和光敏元件五通过连接电缆引出信号线、电源线和接地线，信号线与电动推杆和蜗轮蜗杆相连，所述电源线接入电源取电。

本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统的跟踪方法，所述方法包含有以下步骤：

步骤一、控制器通过内置的时间模块获得时间信息，且通过GPS模块获得所处经纬度信息；

步骤二：根据步骤一所获得的信息，控制器通过驱动电路对太阳能跟踪系统的方位角电机和高度角电机进行驱动调节；

步骤三：完成步骤二后，控制器通过光控跟踪器确认太阳所处的方位信息，并根据该方位信息驱动方位角电机和高度角电机进行微调。

本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统的跟踪方法，在进行步骤一至步骤三的同时，控制器通过风速传感器实时获得风速信息，当风速大于控制器内的预设值时，停止步骤一至步骤三的操作，控制器通过驱动方位角电机和高度角电机对太阳能电池板进行调节，使得太阳能电池板倾斜避开迎风面。

本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统的跟踪方法，当风速大于控制器内预设的危险值时，持续时间大于控制器内的预设时间时，系统停止步骤一至步骤三的操作，只有当控制器持续检测到风速降至安全风速之下的时间大于控制器内预设的安全时间时，系统才开始重新进行步骤一至步骤三的操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用时序方式和光控跟踪器方式相结合，可以最大限度地避免天气干扰，又可以修正累积误差，使得系统同时具备不受天气影响和跟踪精度高的特点，实现对太阳位置的全方位、高精度的自动跟踪。

附图说明

图1为本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统的电路框图。

图2为本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统中的光控跟踪器的结构示意图。

图3为本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统中的光控跟踪器中光敏元件的排布示意图。

图4为本发明一种高精度双轴太阳能跟踪系统中光控跟踪器与其他设备的接线示意图。

其中：

控制器101、模数转换电路102、调理电路103、光控跟踪器104、风速传感器105、驱动电路106、GPS模块107、显示模块108、方位角电机109、高度角电机110；

壳体1、筒体1.1、筒盖1.2、筒底板1.3；

光敏元件一2.1、光敏元件二2.2、光敏元件三2.3、光敏元件四2.4、光敏元件五2.5；

透镜3；

连接电缆4；

电动推杆5；

蜗轮蜗杆6。

具体实施方式

参见图1~4，本发明涉及的一种高精度双轴太阳能跟踪系统，所述系统包含有控制器101、模数转换电路102、调理电路103、光控跟踪器104、风速传感器105、驱动电路106、GPS模块107、显示模块108、方位角电机109和高度角电机110，所述光控跟踪器104和风速传感器105依次经调理电路103和模数转换电路102后与控制器101相连，用于将光电信息和风速信息传递给控制器101，所述控制器101经驱动电路106后驱动方位角电机109和高度角电机110，所述GPS模块107和显示模块108与控制器101相连；

所述光控跟踪器104包含有壳体1，所述壳体1包含有筒体1.1，所述筒体1.1的两个开口端分别设置有筒盖1.2和筒底板1.3，所述筒体1.1、筒盖1.2和筒底板1.3构成一密闭的检测腔体（密闭的检测腔体有助于消除外界光线的干扰，有利于提高检测精度，同时易于在野外风沙等恶劣环境条件下正常工作，提高使用寿命），所述筒盖1.2中心设置有一通孔，该通孔内安装有透镜3，所述筒底板1.3朝向检测腔体的一面上设置有光敏元件一2.1、光敏元件二2.2、光敏元件三2.3、光敏元件四2.4和光敏元件五2.5，所述光敏元件五2.5设置于筒底板1.3的正中心，且光敏元件五2.5正对透镜3，所述光敏元件一2.1、光敏元件二2.2、光敏元件三2.3和光敏元件四2.4均匀分布于光敏元件五2.5周围，其相邻的光敏元件之间的间隔为90°，分别代表东南西北四个方向，且光敏元件一2.1、光敏元件二2.2、光敏元件三2.3和光敏元件四2.4的中心点位于同一圆周上，并且光敏元件五2.5的中心点位于该圆周的圆心上；

且在使用时，筒底板1.3上的光敏元件一2.1、光敏元件二2.2、光敏元件三2.3、光敏元件四2.4和光敏元件五2.5通过连接电缆4引出信号线、电源线和接地线，信号线与电动推杆5和蜗轮蜗杆6相连，用于控制电动推杆5和蜗轮蜗杆6对太阳能电池板进行调节，使之正对太阳；所述电源线接入电源取电。

该光控跟踪器104的工作原理为：

位于筒底板中心的光敏元件五2.5用于检测太阳光的强弱，当太阳光的强度不足以使光敏元件导通时，经过比较电路之后，运算放大器输出低电平，单片机判断为阴雨天气，此时系统不启动跟踪程序，以节省电机消耗的电能；当太阳光的强度足以使光敏元件导通时，经过比较电路之后，运算放大器输出高电平，单片机判断为晴天，此时系统启动跟踪程序。 

位于光敏元件五2.5周围的光敏元件一2.1、光敏元件二2.2、光敏元件三2.3和光敏元件四2.4用于检测东西和南北方向的方位角和高度角；工作时，光束经过透镜投射到光敏元件一2.1、光敏元件二2.2、光敏元件三2.3和光敏元件四2.4的光敏面上，形成一个具有一定尺寸的光斑，假设光斑中心坐标为( X、Y) ，4个象限的光敏原件分别输出光电流I1、I2、I3、I4。由于电流幅值较小，需经过运算放大器转换为电压U1、U2、U3、U4。利用电压UX、UY表达光斑中心偏移信息X 和Y，如式：

UX = U1 + U4 - U2 - U3；　　

UY = U1 + U2 - U3 - U4；

当X = 0，Y = 0 时，四个象限光斑面积相同，电流相同，电压相同，输出低电平，电机无动作；当X≠0，Y≠0 时，四个象限光斑面积不同，电流不同，电压不同，输出高电平，驱动电机向相应方向转动。

本发明的跟踪方法包含有以下步骤：

步骤一、控制器通过内置的时间模块获得时间信息，且通过GPS模块获得所处经纬度信息；

控制器根据获得的信息进行计算，太阳的位置可由高度角h和方位角A 来确定，计算公式如下：

sin h= sinΨ·sinδ+ cosΨ·cosδ·cosΩ；

sin A= (cosδ·sinΩ)/ cos h；

其中：δ为太阳赤纬角；Ψ为当地纬度；Ω为当时太阳的时角；太阳赤纬角δ与时角Ω可以由本地时间确定，纬度Ψ通过GPS模块获得；

步骤二：根据步骤一所获得的信息，控制器通过驱动电路对太阳能跟踪系统的方位角电机和高度角电机进行驱动调节；

其中，太阳能跟踪系统采用常规的双轴太阳能跟踪系统，如中国专利ZL200920304132.8公布的“双轴太阳能跟踪装置”、ZL201120431001.3公布的“一种太阳能双轴跟踪装置”等，但不仅限于上述装置，任何能够实现双轴调节的太阳能跟踪系统均在本专利的保护范围之内；

步骤三：完成步骤二后，控制器通过光控跟踪器确认太阳所处的方位信息，并根据该方位信息驱动方位角电机和高度角电机进行微调；

具体的，可采用上述光控跟踪器104对太阳的方位信息进行采集，将光控跟踪器104的筒底板1.3固定于太阳能电池板上，使得筒体1.1与太阳能电池板相垂直，只有当太阳光直射光敏元件五2.5才表明太阳能电池板正对太阳；

同时，在进行步骤一至步骤三的过程中，控制器通过风速传感器实时获得风速信息，当风速大于控制器内的预设值时，停止步骤一至步骤三的操作，控制器通过驱动方位角电机和高度角电机对太阳能电池板进行调节，使得太阳能电池板倾斜避开迎风面；并且当风速大于控制器内预设的危险值时，持续时间大于控制器内的预设时间时，只有当控制器持续检测到风速降至安全风速之下的时间大于控制器内预设的安全时间时，系统才开始重新进行步骤一至步骤三的操作。