CN101667039B - 太阳能斜单轴跟踪方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能斜单轴跟踪系统，包括固定于太阳能电池板的传感器；以及电流电压变换器；以及模数转换器；以及单片机；以及功率放大器，将单片机输出的脉冲控制信号进行放大；以及步进电机，接收功率放大器输出放大后的脉冲控制信号，并按照该脉冲信号的指示带动太阳能电池转动。本发明能使太阳能电池对太阳进行时时跟踪，以提高太阳能利用效率的太阳能斜单轴跟踪方法及系统，采用本发明的方法及装置的光伏系统具有发电率高的优点。

Description

太阳能斜单轴跟踪方法及系统
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，特别涉及一种太阳能斜单轴跟踪方法及系统。
背景技术
随着能源和环境问题的日益突出，可再生能源的开发与利用逐渐引起了世人的重视。太阳能以其清洁、分布范围广、利用方便等特点成为发展较快的可再生能源。太阳能光伏发电是太阳能利用的主要形式之一，但是由于目前太阳能电池板的价格昂贵，导致光伏发电的成本居高不下，因此制约了太阳能光伏发电产业的发展。因此如何提高太阳能的利用效率，降低太阳能利用成本成为目前人们研究的热点。
研究表明，当太阳照射到地表倾斜面上时，定义太阳入射线与倾斜面法线之间的夹角为太阳入射角θT。太阳入射角与其他角度之间的关系如图1所示。在图1中，θT表示太阳入射角IT，b表示倾斜面上的直射辐照量In表示太阳总辐照量。
由图1可以得出倾斜面上的直射辐照量为：IT，b＝In·cosθT   (1)
当太阳入射角θT＝0时，倾斜面上获得的直射辐照量最大即采光效果最佳。
图2反映了在相同温度下不同光照太阳能电池的I-V和P-V特性。从图2中可以看出太阳能电池在不同太阳光照的情况下，所输出的功率是不一样的，当单位面积上获得的太阳辐照量(W)越大输出的功率越大。由公式(1)可知：当太阳光垂直照射在太阳能电池板上即太阳光与太阳电池之间的入射角θT为0时会获得最大的太阳辐射量。因此对太阳进行跟踪，保证太阳入射光线始终垂直入射，提高太阳光照辐射量，是提高大阳利用率简单而有效措施之一。
跟踪太阳能电池组件系统可以有效提高太阳能电池组件的发电量，如果当地的直射分量超过70％，则发电量的增益甚至超过40％。图3是美国Arizona气象站根据1961-1990年的实测太阳辐射量得到的，包括了各种平板收集器不同运行方式下所收集到的太阳辐射量的对比。当地条件和实测辐射数据如表1和图2所示：
气象台站：美国亚利桑那州凤凰城WBAN No.：23183
纬度：33.43°N，经度：112.02°W，海拔：339米。
  月份   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   平均
  水平面   3.2   4.3   5.5   7.1   8.0   8.4   7.6   7.1   6.1   4.9   3.6   3.0   5.7
  固定倾纬度角   5.1   6.0   6.7   7.4   7.5   7.3   6.9   7.1   7.0   6.5   5.6   4.9   6.5
  单轴水平跟踪   4.7   6.2   7.8   9.9   11.0   11.4   10.0   9.6   8.6   7.1   6.3   4.4   8.0
  单轴倾纬度角跟踪   6.2   7.5   8.7   10.3   10.7   10.8   9.6   9.6   9.3   8.4   6.8   5.8   8.6
  双轴全跟踪   6.6   7.7   8.7   10.4   11.2   11.6   10.1   9.8   9.3   8.5   7.1   6.3   8.9
由表1和图3中看出，同水平固定安装相比，水平轴东西向跟踪的辐射量增益为40.4％，增加纬度角倾斜可以增加到51％，双轴全跟踪的增益达到56％。双轴全跟踪装置比水平轴东西向跟踪装置复杂得多，但水平轴东西向跟踪只适合于低纬度(＜30度)地区，因此，具体采用何种跟踪方式应当依地点条件来确定。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种能使太阳能电池对太阳进行实时跟踪，以提高太阳能利用效率的太阳能斜单轴跟踪方法及系统，采用本发明的方法及装置的光伏系统具有发电率高的优点。
实现本发明目的的技术方案如下：
太阳能斜单轴跟踪方法，包含以下步骤：
(1)在单片机中设定步进电机的步进角数M＝C；(2)传感器检测太阳能电池板的电流，传感器输出的电流经电流电压变换器以及模数转换器依次进行处理后输送到单片机，单片机读取当前的电流I1后，发出控制指令到功率放大器驱动步进电机正转一个步进角，重新读取到电流I2，步进电机再正转一个步进角，再重新读取到电流I3，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M+2，单片机对步进电机的旋转方向与对电流的检测作标记处理，该标记的初始状态为flag＝0；(3)通过单片机对电流进行检测，若步骤(2)中的I1＜I2，且I2＜I3；(4)若步骤3的检测结果为是，则单片机发出控制指令到功率放大器驱动步进电机正转一个步进角，步进电机正转后重新读取一个电流I4，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M+1；(40)检测步骤(4)获取的电流I4是否为零；(41)若步骤(40)的结果为否，则单片机将读取到的各个电流进行赋值处理，即I1＝I2，I2＝I3，I3＝I4，赋值完成后返回到步骤(3)；(42)若步骤(40)的结果为是，则返回到步骤(1)；(5)若步骤(3)的检测结果为否，则检测电流的关系是否为I1＞I2，且I2＞I3；(6)若步骤(5)的检测结果为是，则检测flag是否为零；(60)如果步骤(6)的结果为是，则单片机重新对flag赋值为1，且步进电机反转三个步进角，重新读取电流I4，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M-3；(601)检测步骤(60)获取的电流I4是否为零；(602)若步骤(601)的结果为否，则单片机将读取到的各个电流进行赋值处理，即I3＝I2，I2＝I1，I1＝I4，赋值完成后返回到步骤(3)；(603)若步骤(601)的结果为是，则返回到步骤(1)；(61)如果步骤(6)的结果为否，则步进电机反转一个步进角后获得新的电流I4，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M-1；(611)检测步骤(61)获取的电流I4是否为零；(612)若步骤(611)的结果为否，则单片机将读取到的各个电流进行赋值处理，即I3＝I2，I2＝I1，I1＝I4，赋值完成后返回到步骤(3)；(621)若步骤(611)的结果为是，则返回到步骤(1)；(7)若步骤(5)的检测结果为否，则检测电流的关系是否为I1＜I2，且I2＞I3；(8)若步骤(7)的检测结果为是，则检测flag是否为1；(81)若步骤(8)的检测结果为是，则步进电机反转一个步进角之后停止转动，单片机控制改变步进角数M的值为M＝M-1，并延时X秒后返回步骤(3)；(82)若步骤(8)的检测结果为否，则步进电机正转一个步进角之后停止转动，单片机控制改变步进角数M的值为M＝M+1，并延时Y秒后返回步骤(3)。
太阳能斜单轴跟踪系统，包括固定于太阳能电池板的传感器，该传感器检测太阳能电池板上发出的电流信号；以及电流电压变换器，将传感器的电流信号变换为电压信号输出，并设定系统电流的初始值；以及模数转换器，将电流电压变换器的电压信号变换为数字电压信号输出至单片机；以及单片机，单片机将读取到的电流进行比较，以寻找太阳能电池所在位置获得的电流是否为最大值，比较完成后输出用于步进电机转动的控制信号，单片机还对步进电机的旋转方向与对电流的检测作标记处理；以及功率放大器，将单片机输出的控制信号进行放大；以及步进电机，接收功率放大器输出放大后的控制信号驱动步进电机转动，进而按照该信号的指示带动太阳能电池转动。
本发明方法的优点在于：本发明的方案能够实时跟踪太阳，利于提高太阳能利用效率，采用本发明的方法及装置的光伏系统具有发电率高的优点。由于单片机对步进电机的旋转方向与对电流的检测作标记处理；这样能够使系统面对各种天气状况时能够及时地进行应对，使系统得到合理应用的同时又能够保持高的发电率。
本发明的跟踪系统主要由单片机作为控制芯片与相关的外围器件组成一套控制系统，此系统具有体积小，功耗低，成本低，抗干扰能力强等特点，以及通过本套系统可以保持较大的发电效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1表示太阳入射角与其他角度之间的关系示意图；
图2表示相同温度下不同光照太阳能电池的I-V和P-V特性示意图；
图3表示美国Arizona气象站根据1961-1990年的实测太阳辐射量示意图；
图4为本发明的太阳能斜单轴跟踪电路框图；
图5为本发明的太阳能斜单轴跟踪系统图；
图6表示太阳能电池板运动与接收的太阳有效辐射量之间的关系曲线上的电流值的第一种情况；
图7表示太阳能电池板运动与接收的太阳有效辐射量之间的关系曲线上的电流值的第二种情况；
图8表示太阳能电池板运动与接收的太阳有效辐射量之间的关系曲线上的电流值的第三种情况；
图9表示太阳能电池板运动与接收的太阳有效辐射量之间的关系曲线上的电流值的第四种情况；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参照图4，为本发明的太阳能斜单轴跟踪系统的电路框图，其包括固定于太阳能电池板的传感器100，该传感器检测太阳能电池板上发出的电流信号。传感器100采用对光照强度敏感的光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等，本发明中采用光电池作为传感器。以及电流电压变换器101，将传感器的电流信号变换为电压信号输出，并设定系统电流的初始值。以及模数转换器102，将电流电压变换器的电压信号变换为数字电压信号输出，本发明中采用TLC549芯片作为模数转换器。以及单片机103，本发明中采用AT89S52芯片作为单片机。将预先写好的程序置入单片机内，使单片机将读取到的电流进行比较，以寻找太阳能电池所在位置获得的电流是否为最大值，比较完成后输出用于步进电机转动的控制信号，单片机还对步进电机的旋转方向与对电流的检测作标记处理。以及功率放大器104，将单片机输出的控制信号进行放大。以及步进电机105，接收功率放大器输出放大后的控制信号，并按照该信号的指示带动太阳能电池转动。以及连接于单片机与功率放大器之间的光电耦合器106，该光电耦合器用于隔离单片机与功率放大器。
参照图4及图5，为本发明的太阳能斜单轴跟踪方法，在单片机中预置有程序(程序为计算机语言)，太阳能电池板追踪太阳按照程序的判断而执行。在步骤1中，于单片机103中设定步进电机的步进角数M＝C，其中C为常量，其值需要大于步进电机一天中转过的最大步进角数。执行完步骤1之后，开始对传感器1检测到的电流进行检测，针对电流传感器检测太阳能电池板的电流，在电流电压变换器中设置了一个比较电流Iref，传感器输出的电流I与Iref进行比较，如果I＞Iref成立，则进入下一个步骤，即步骤2，这样即设定了系统电流的初始值。若I＞Iref结果为否，则返回该检测初始电流步骤重新读取新的电流与Iref进行比较。
在步骤2中，传感器检测太阳能电池板的电流，传感器输出的电流经电流电压变换器以及模数转换器依次进行处理后输送到单片机，单片机读取当前的电流I1后，发出控制指令经过光电耦合器到功率放大器驱动步进电机正转一个步进角，重新读取到电流I2，步进电机再正转一个步进角，再重新读取到电流I3，由于步进电机正转了两次，则需要改变进步电机在单片机内的步进角数M的值，这时单片机控制改变步进角数M的值为M＝M+2。单片机对步进电机的旋转方向与对电流的检测作标记处理，该标记的初始状态为flag＝0。
参照图5，在步骤3中，开始对电流的大小进行比较。即通过单片机对电流进行检测，若步骤2中的I1＜I2，且I2＜I3，即检验电流I3的值是否为最大。若该比较结果为是，则单片机执行步骤4。
参照图5及图6，在步骤4中，若步骤3的检测结果为是，由于这时的电流I3不一定是最大电流值，因此单片机发出控制指令到功率放大器驱动步进电机正转一个步进角，继续寻找是否还有更大的电流。步进电机正转后重新读取一个电流I4，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M+1。单片机执行步骤40以检测步骤4获取的电流I4是否为零。检测电流I4是否为零的目的是用于判断太阳能电池所处的环境是否为白天还是夜晚。若步骤40的结果为否，则这种情况下表明还有太阳光线射向太阳能电池，从而表示太阳能电池处在白天中。则执行步骤41，则单片机将读取到的各个电流进行赋值处理，即I1＝I2，I2＝I3，I3＝I4，赋值完成后返回到步骤3。对赋值后的电流重新进行判断。对于赋值后的电流如果步骤3的检测结果还为否，则还是执行步骤4及其以下的步骤，实行循环。若步骤40的结果为是，则表明这时没有光线射到太阳能电池上，表明太阳能电池处于黑暗的环境中，这样执行步骤42，以判断当前步进电机的步进角数M是否大于系统设定的初始值C，这样以便于使步进电机复位。即若M＞C成立，则步进电机反转M减C个步进角数后，返回到步骤1；若M＞C不成立，则步进电机正转C减M个步进角数后，同样返回到步骤1。
参照图7，对于步骤5，若步骤3的检测结果为否，则检测电流的关系是否为I1＞I2，且I2＞I3，即检验电流I1的值是否为最大。若步骤5的检测结果为是，则单片机执行步骤6，步骤6的执行是检测flag是否为零。如果步骤6的结果为是，单片机执行步骤60。步骤60中，单片机重新对flag赋值为1，且步进电机反转三个步进角，重新读取电流I4，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M-3。将步时角数赋值完成后，单片机执行步骤601，以检测步骤60获取的电流I4是否为零。检测电流I4是否为零的目的同样是用于判断太阳能所处的环境是否为白天还是夜晚。若步骤601的结果为否，则这种情况下表明还有太阳光线射向太阳能电池，从而表示太阳能电池所处的环境为白天。则执行步骤602，单片机将读取到的各个电流进行赋值处理，即I3＝I2，I2＝I1，I1＝I4，赋值完成后返回到步骤3。对赋值后的电流重新进行判断。对于赋值后的电流如果步骤3的检测结果还为否，则还是执行步骤5及其以下的步骤，实行循环。若步骤601的结果为是，则表明这时没有光线射到太阳能电池上，表明太阳能电池处于黑暗当中，则单片机执行步骤603，以判断当前步进电机的步进角数M是否大于系统设定的初始值C，这样以便于使步进电机复位。即若M＞C成立，则步进电机反转M减C个步进角数后，返回到步骤1；若M＞C不成立，则步进电机正转C减M个步进角数后，同样返回到步骤1。
当单片机重新执行步骤6时，重新检测flag是否为零。由于在步骤60中，单片机重新对flag赋值为1，因此，单片机必然执行否的结果，以检测是否还有最大电流值。如果没有标记flag，当单片机执行完步骤5以后，没有选择的余地而直接执行步骤60，因此，本发明中设置了标记flag后，使本发明的功能更为完善。单片机执行步骤61时，是使步进电机反转一个步进角后获得新的电流I4，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M-1，将步时角数赋值完成后，单片机执行步骤611。步骤611检测步骤61获取的电流I4是否为零，检测电流I4是否为零的目的是用于判断太阳能所处的环境是否为白天还是夜晚。若步骤611的结果为否，则这种情况下表明还有太阳光线射向太阳能电池，从而表示太阳能电池处在白天中，则执行步骤612。步骤612是单片机将读取到的各个电流进行赋值处理，I3＝I2，I2＝I1，I1＝I4，赋值完成后返回到步骤3，对赋值后的电流重新进行判断。对于赋值后的电流如果步骤3的检测结果还为否，则还是执行步骤5及其以下的步骤，实行循环。若步骤611的结果为是，则表明这时没有光线射到太阳能电池上，表明太阳能电池处于黑暗当中，这样执行步骤621，以判断当前步进电机的步进角数M是否大于系统设定的初始值C，这样以便于使步进电机复位。即若M＞C成立，则步进电机反转M减C个步进角数后，返回到步骤1；若M＞C不成立，则步进电机正转C减M个步进角数后，同样返回到步骤1。
参照图8，若步骤5的检测结果为否，即表明有太阳光照射到太阳能电池上，太阳能电池可以输出电流，这时单片机执行步骤7，需检测电流的关系是否为I1＜I2，且I2＞I3，即检验I2是否为最大电流。若步骤7的检测结果为是，则单片机执行步骤8，步骤8用于检测flag是否为1。如果单片机先执行过步骤6，而返回到步骤3，再从步骤3执行到步骤8，这时，flag的值为1，单片机执行步骤81，控制步进电机反转一个步进角之后停止转动，单片机控制改变步进角数M的值为M＝M-1，并延时X秒后返回步骤3；如果单片机没有执行过步骤6，而依次从步骤3执行到步骤8，这时，单片机为第一次执行该步骤时，因此，flag的值为单片机最初所赋的值，即flag的值为0，则单片机执行步骤82，使步进电机正转一个步进角之后停止转动，单片机控制改变步进角数M的值为M＝M+1，并延时Y秒后返回步骤3。
参照图9，若步骤7的检测结果为否，即电流I2的值不为最大，当在白天时突来的乌云将太阳挡住，才发生这种情况。发生这种情况时，步进电机停止转动，并延时Z秒后返回步骤3，重新对检测的电流进行判断。

Claims (6)

1.一种太阳能斜单轴跟踪方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)在单片机中设定步进电机的步进角数M＝C，C是常量；
(2)传感器检测太阳能电池板的电流，传感器输出的电流经电流电压变换器以及模数转换器依次进行处理后输送到单片机，单片机读取当前的电流I1后，发出控制指令到功率放大器驱动步进电机正转一个步进角，重新读取到电流I2，步进电机再正转一个步进角，再重新读取到电流I3，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M+2，单片机对步进电机的旋转方向与对电流的检测作标记处理，该标记的初始状态为flag＝0；
(3)通过单片机对电流进行检测，检测步骤(2)中的I1＜I2，且I2＜I3是否成立；
(4)若步骤3的检测结果为是，则单片机发出控制指令到功率放大器驱动步进电机正转一个步进角，步进电机正转后重新读取一个电流I4，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M+1；
(40)检测步骤(4)获取的电流I4是否为零；
(41)若步骤(40)的结果为否，则单片机将读取到的各个电流进行赋值处理，即I1＝I2，I2＝I3，I3＝I4，赋值完成后返回到步骤(3)；
(42)若步骤(40)的结果为是，则返回到步骤(1)；
(5)若步骤(3)的检测结果为否，则检测电流的关系是否为I1＞I2，且I2＞I3；
(6)若步骤(5)的检测结果为是，则检测flag是否为零；
(60)如果步骤(6)的结果为是，则单片机重新对flag赋值为1，且步进电机反转三个步进角，重新读取电流I4，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M-3；
(601)检测步骤(60)获取的电流I4是否为零；
(602)若步骤(601)的结果为否，则单片机将读取到的各个电流进行赋值处理，即I3＝I2，I2＝I1，I1＝I4，赋值完成后返回到步骤(3)；
(603)若步骤(601)的结果为是，则返回到步骤(1)；
(61)如果步骤(6)的结果为否，则步进电机反转一个步进角后获得新的电流I4，且单片机控制改变步进角数M的值为M＝M-1； 
(611)检测步骤(61)获取的电流I4是否为零；
(612)若步骤(611)的结果为否，则单片机将读取到的各个电流进行赋值处理，即I3＝I2，I2＝I1，I1＝I4，赋值完成后返回到步骤(3)；
(621)若步骤(611)的结果为是，则返回到步骤(1)；
(7)若步骤(5)的检测结果为否，则检测电流的关系是否为I 1＜I2，且I2＞I3；
(8)若步骤(7)的检测结果为是，则检测flag是否为1；
(81)若步骤(8)的检测结果为是，则步进电机反转一个步进角之后停止转动，单片机控制改变步进角数M的值为M＝M-1，并延时X秒后返回步骤(3)；
(82)若步骤(8)的检测结果为否，则步进电机正转一个步进角之后停止转动，单片机控制改变步进角数M的值为M＝M+1，并延时Y秒后返回步骤(3)。
2.根据权利要求1所述的太阳能斜单轴跟踪方法，其特征在于：所述步骤(42)、(603)、(621)的检测结果均为是，在返回步骤(1)之前，需检测当前进电机的步进角数M是否大于设定C，若M＞C成立，则步进电机反转M减C个步进角数后，返回到步骤(1)；若M＞C不成立，则步进电机正转C减M个步进角数后，同样返回到步骤(1)。
3.根据权利要求1所述的太阳能斜单轴跟踪方法，其特征在于：若步骤(7)的检测结果为否，则步进电机停止转动，并延时Z秒后返回步骤(3)。
4.根据权利要求1所述的太阳能斜单轴跟踪方法，其特征在于：在步骤(1)与步骤(2)之间，还设置检测初始电流步骤，针对电流传感器检测太阳能电池板的电流，在电流电压变换器中设置了一个比较电流Iref，传感器输出的第一个电流I与Iref进行比较，如果I＞Iref成立，则进入步骤(2)，若I＞Iref结果为否，则返回该检测初始电流步骤重新读取新的电流与Iref进行比较。
5.一种太阳能斜单轴跟踪系统，其特征在于：包括固定于太阳能电池板的传感器，该传感器检测太阳能电池板上发出的电流信号；
以及电流电压变换器，将传感器的电流信号变换为电压信号输出，并设定系统电流的初始值；
以及模数转换器，将电流电压变换器的电压信号变换为数字电压信号输出 至单片机；
以及单片机，单片机将读取到的电流进行比较，以寻找太阳能电池所在位置获得的电流是否为最大值，比较完成后输出用于步进电机转动的控制信号，单片机还对步进电机的旋转方向与对电流的检测作标记处理；
以及功率放大器，将单片机输出的控制信号进行放大；
以及步进电机，接收功率放大器输出放大后的控制信号驱动步进电机转动，进而按照该信号的指示带动太阳能电池转动。
6.根据权利要求5太阳能斜单轴跟踪系统，其特征在于：还包括一个连接于单片机与功率放大器之间的光电耦合器，该光电耦合器用于隔离单片机与功率放大器。 
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