CN101707451A - 一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统及其控制方法，本发明系统包括图像识别模块、控制电路模块、机械传动跟踪控制模块、传感器和光伏阵列，其中图像识别模块由摄像机串接计算机构成，控制电路模块由微处理器构成，机械传动跟踪控制模块包括风速仪、变频器、电机和调速机构。本发明方法将图像识别图像处理技术应用于太阳能跟踪系统，通过摄像机采集图像进行分析结合微处理器来精确控制太阳能电池板的姿态，在实现全天候太阳跟踪提高太阳能利用效率的同时可以提高光伏阵列在全天候特别是在恶劣天气条件下的自适应能力，增强光伏电站的故障和遮挡物的自动识别效率，并起到防盗作用，增强了光伏电站的安全性和可靠性。

Description

一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电技术，特别涉及一种用于跟踪太阳运行及辐射角度的太阳能电池板全天候自适应单轴跟踪系统和方法，可以广泛的用于地面独立光伏电站及大型并网光伏电站。

背景技术

在全球气候变暖，生态环境的恶化以及随着社会经济高速发展所带来的常规能源资源短缺和环境污染的紧迫形势下，加快可再生能源的开发利用成为解决能源和环境问题的重要途径和措施。太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力，太阳能光伏发电作为一种可持续的能源替代方式，近年来受到了各国政府的重视和支持，得到了迅速发展。

但是由于太阳能密度低，具有间歇性和空间分布不断变化的特点，固定式太阳能电池板无法跟随太阳位置的变化，无法保证太阳光始终垂直太阳能电池板，光电转换效率低，因此太阳能跟踪系统应运而生。据测算，在太阳能光发电中，相同条件下，单轴自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高20～35％左右。因此在太阳能利用中，进行全天候、自适应跟踪是非常必要的。常用的太阳能跟踪控制方法主要有匀速控制方法、光强控制方法以及时空控制方法等，采用电子控制系统和机械系统相结合的方式进行太阳的跟踪定位。但是这类跟踪系统成本较高，能耗较大，且具有一定的局限性，没有防积雪覆盖以及利用雨水清洗组件等功能尤其是在恶劣天气(如大风、雨、雪等)及环境条件下，不能有效的自动进行跟踪控制，在恶劣天气条件下由于跟踪系统反应不及时甚至会造成太阳能电池阵列的损坏；另外常规的跟踪系统不能及时监测太阳能阵列跟踪控制效果和自动识别太阳能方阵故障及遮挡物，在一定程度上影响了太阳能的利用效率，限制了太阳能跟踪系统的推广和应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统及其控制方法，该系统能耗低，可以在恶劣天气条件下进行高效高精度的跟踪，并且具有跟踪控制效果的实时监测、故障及遮挡物识别报警、防积雪覆盖和利用雨水清洗组件等功能。

一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统，其特征在于包括图像识别模块、控制电路模块、机械传动跟踪控制模块、传感器和光伏阵列，其中图像识别模块由摄像机串接计算机构成，控制电路模块由微处理器构成，机械传动跟踪控制模块包括风速仪、变频器、电机和调速机构，摄像机采集光伏阵列的图像信息，计算机的输出端接微处理器的输入端，微处理器的输出端依次串接变频器、电机和调速机构后与光伏阵列中太阳电池方阵主轴相连，风速仪和传感器设置于光伏阵列中，风速仪的输出端接计算机的输入端，传感器的输出端接微处理器的输入端。

所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统，其特征在于所述图像识别模块中的摄像机还可以与电站安防系统共用，安防系统还包括监控中心，所述摄像机的输出端分别接接监控中心和计算机的输入端，计算机的输出端接监控中心的输入端.

所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统，其特征在于所述微处理器与电机之间还串接变频器。

所述一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统的控制方法，其特征是：采用摄像机实时采集光伏阵列的图像信息，并将图像信息传送至计算机中进行图像分析和图像识别获得天气信息，计算机结合风速仪得到的风速信息进行分析处理：当在恶劣天气条件下，通过微处理器依次通过控制变频器、电机和调速机构后调节与光伏阵列中太阳电池方阵主轴，采取保护措施；可以根据天气信息调整，通过微处理器依次通过控制变频器、电机和调速机构调节光伏阵列中太阳电池方阵主轴，从而调整光伏阵列的姿态，实现防积雪覆盖，清理遮挡物，雨水清洗组件。

所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统的控制方法，其特征在于所述图像识别模块中串接的计算机控制摄像机识别光伏阵列上面的遮挡物或跟踪运动故障，并且通过微处理器控制电机动作，或者实施报警通知现场人员进行处置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是将图像采集、图像识别与图像处理系统、微处理器电子控制系统与机械系统相结合，通过微处理器内置太阳位置计算程序控制电机动作，准确跟踪太阳的时角；通过摄像机采集的光伏阵列场的图像信息识别雨、雪天气，结合风速仪监测风速信息，实时分析天气状况，根据天气状况，自动分析风速、雪量、雨水速度和角度等信息，当风速较大会影响到太阳能电池板的安全时，通过微处理器系统及时控制跟踪系统动作采取保护措施；当积雪覆盖太阳能电池组件时，及时控制跟踪系统动作倾覆组件上的积雪；根据雨水速度和角度智能控制跟踪系统动作调整最佳角度以最利于雨水对太阳能组件的冲刷和清洗。通过摄像机采集的光伏阵列场的图像信息识别太阳能电池板的姿态，以实时监测跟踪系统控制效果并及时发现光伏阵列故障；通过摄像机采集的光伏阵列场的图像信息识别光伏阵列的遮挡情况，及时发现太阳能电池板上的遮挡异物，发出警报通知相关人员；将摄像机的图像监测与光伏电站的安防系统相结合替代安防系统中的摄像设备，起到防盗作用，同时降低成本。

本发明的有益成果是在精确跟踪太阳运行时角的同时提高光伏阵列在全天候特别是在恶劣天气条件下的自适应能力，增强故障和遮挡物的自动识别效率，并可以起到防盗作用，大大提高了光伏电站的太阳能利用效率，增强了光伏电站的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图。

具体实施方式

为使本发明的实质特征和有益效果更易于理解，以下结合实例及附图对其进行详细说明。

图1示出了本发明的单轴太阳能跟踪系统的原理流程图。如图所示，本发明的单轴跟踪系统包括摄像机1、计算机2、微处理器3、风速仪4、传感器5、变频器6、电机7、调速机构8、太阳电池方阵主轴9、光伏阵列10、监控中心11和电站安防系统12。

所述微处理器3包括单片机、DSP等。

所述传感器5为光敏传感器等。

所述图像识别模块中摄像机可以与电站安防系统12共用，所述摄像机一个输出端接安防系统监控中心11的输入端。

由于太阳的运行轨迹是与时间、季节、当地经纬度等诸多复杂因素有关的，因此在微处理器3内置时钟芯片和太阳位置计算程序，将上述相关的数据预先输入到微处理器中通过程序查表并进行太阳时角的计算，得出给定时间太阳的位置，然后计算出跟踪装置所应处的位置，通过串口送到处理器发出指令控制电机7转动。由于电机7转速较高，首先通过变频器6变频降速，然后在电机7后增加调速机构8，调速机构8将转动变成平动，然后通过电动推杆推动与太阳电池方阵主轴9相连的杠杆使太阳电池方阵主轴9转动，从而准确跟踪太阳的时角，传感器5用于检测光伏阵列是否对准太阳，当太阳光偏离垂直照射传感器时，传感器能检测出当前太阳偏离传感器的方位，同时在传感器相应方位的输出端，会有信号输出，信号反馈给微处理器，进行方位矫正以实现精确的控制。微处理器3内置时钟芯片，在夜间时，通过处理器发出指令控制电机7动作，使太阳能电池板回归初始位置。

摄像机1可以实时采集光伏阵列10的图像信息，并将其传送至计算机2中进行图像分析和图像识别，获得雨、雪等天气信息，结合风速仪4得到的风速信息，将这些天气信息进行分析计算，根据实时天气条件，判断风速，通过微处理器3及时控制跟踪系统动作采取保护措施；识别太阳能电池组件的积雪覆盖问题，通过微处理器3及时控制跟踪系统动作倾覆组件上的积雪；根据雨水速度和角度通过微处理器3控制跟踪系统动作调整最佳角度以最利于雨水对太阳能组件的冲刷清洗，保护光伏阵列的安全和高效可靠的运行；计算机2也可以将图像处理的相应结果输入至监控中心11，供电站安防系统12使用。

进一步地，摄像机1可以实时采集光伏阵列10的图像信息，并将其传送至计算机2中进行图像分析和图像识别，获得光伏阵列10中的故障信息(如某些太阳能电池板未能动作或姿态不正常等)和遮挡物信息(如异物覆盖太阳能电池板等)，通过微处理器3控制电机动作采取措施消除故障或发出警告通知现场人员进行处置，提高光伏阵列的安全可靠性。

进一步地，摄像机1也可以实时采集光伏阵列10的图像信息，并与电站安防系统12相结合或替代安防系统12中的图像采集设备，起到防盗及降低成本的作用。

Claims (5)

1.一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统，其特征在于包括图像识别模块、控制电路模块、机械传动跟踪控制模块、传感器(5)和光伏阵列(10)，其中图像识别模块由摄像机(1)串接计算机(2)构成，控制电路模块微处理器(3)构成，机械传动跟踪控制模块包括风速仪(4)、电机(7)和调速机构(8)，摄像机(1)采集光伏阵列(10)的图像信息，接计算机(2)的输出端接微处理器(3)的输入端，微处理器(3)的输出端依次串接电机(7)和调速机构(8)后与光伏阵列(10)中太阳电池方阵主轴(9)相连，风速仪(4)和传感器(5)设置于光伏阵列(10)中，风速仪(4)的输出端接计算机(2)的输入端，传感器(5)的输出端接微处理器(3)的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统，其特征在于所述图像识别模块中的摄像机(1)还与电站安防系统(12)共用，安防系统(12)还包括监控中心(11)，所述摄像机(1)的输出端分别接接监控中心(11)和计算机(2)的输入端，计算机(2)的输出端接监控中心(11)的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统，其特征在于所述微处理器(3)与电机(7)之间还串接变频器(6)。

4.一种基于权利要求1所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统的控制方法，其特征是：采用摄像机(1)实时采集光伏阵列(10)的图像信息，并将图像信息传送至计算机(2)中进行图像分析和图像识别获得天气信息，计算机(2)结合风速仪(4)得到的风速信息进行分析处理：当在恶劣天气条件下，通过微处理器(3)依次通过控制变频器(6)、电机(7)和调速机构(8)后调节与光伏阵列(10)中太阳电池方阵主轴(9)，采取保护措施；可以根据天气信息调整，通过微处理器(3)依次通过控制变频器(6)、电机(7)和调速机构(8)调节光伏阵列(10)中太阳电池方阵主轴(9)，从而调整光伏阵列(10)的姿态，实现防积雪覆盖，清理遮挡物，雨水清洗组件。

5.根据权利要求4所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统的控制方法，其特征在于所述图像识别模块中串接的计算机(2)控制摄像机(1)识别光伏阵列(10)上面的遮挡物或跟踪运动故障，并且通过微处理器(3)控制电机(7)动作，或者实施报警通知现场人员进行处置。

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