CN101741281A - 向日葵式太阳能发电系统 - Google Patents

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黄建一
彭金文
李斌
陈志毅
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Abstract

本发明为向日葵式太阳能发电系统，在本系统中采用光敏电阻作光强感应部分，以ARM7微处理器及其外围电路作控制器，结合双轴结构设计的太阳能支架，实现了太阳能电池板始终朝向太阳光照强度最大的方向，使有效发电量得到了较大幅度的提高。一天跟踪完成后，自动恢复到等待次日太阳升起的状态，实现日循环运行。此外，此系统还集成了LCD液晶显示屏和利用最大功率点跟踪(MPPT)技术的蓄电池充放电电路，打破了传统的太阳能发电系统多个独立单元的构成模式。这样的设计减小了设备的体积和重量，更为重要的是减少了整个系统的运行功耗。

Description

向日葵式太阳能发电系统
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特别是嵌入式计算机的技术领域。
背景技术
近几年国际上光伏发电快速发展，2007年全球太阳能新装容量达2826MWp，其中德国约占47％，西班牙约占23％，日本约占8％，美国约占8％，我国还不足1％。2007年，在太阳能光电产业链中有大量的投资集中到新产能的提升上。除此之外，太阳能光电企业在2007年间的贷款融资金额增长了近100亿美元，使得该产业规模不断扩大。2008年全球光伏市场增至5.5GW，其中，按地区排名西班牙名列首位，德国第二。2008年，全球太阳能安装总量已累计达15GW，西班牙新装量为2.5GW，约占2008年新增安装量的一半。中国是一个能源生产和消费大国。
在我国的过去一段时间内，对可再生能源的开发和利用情况不容乐观。伴随着世界能源结构的转移，再加上我国可再生能源如水能、风能、太阳能等资源丰富，实施我国的能源结构转移是可行的，同时也是必要的。
由于在开发利用太阳能发电中所需要的成本很高，所以我国在利用太阳能发电上一直没有很好的发展，但中国却又是一个太阳能发电板研发及生产排在前面的国家，在这些生产好的发电板中只有少数的一些留在了本土使用，约有90％的数量都是出口国外，之后由国外继续加工成多种发电系统返销国内。
目前民用太阳能系列产品中，其太阳能电池板多采用固定倾角安装方式，大型太阳能发电站由于管理、技术等方面的原因也普遍采用固定方阵发电形式，而这将影响太阳能发电站的发电量。为了最大限度的采集和利用太阳能，本发明向日葵式太阳能发电系统就是为了实现太阳能电池板对太阳光照最强点的自动追踪，采用该系统可较大幅度的提高太阳能发电系统的有效发电量，有利于推动我国太阳能发电产业的发展。
发明内容
本发明向日葵式太阳能发电系统中采用光敏电阻作光强感应部分，以ARM7微处理器及其外围电路作控制器，结合双轴结构设计的太阳能支架，实现设置在其上面的太阳能电池板始终朝向太阳光照强度最大的方向，使有效发电量得到了较大幅度的提高。
核心控制器，包括嵌入式微处理器ARM7、步进电机驱动电路、光强采集电路、电压电流采集电路和蓄电池充放电电路。
光强采集电路连接到安装在一铁管内四个方向和管外对应四个方向的共八只光敏电阻构成的光强采集器。
双轴式太阳能支架是由轴承、钢管、涡轮蜗杆及带螺纹杆的步进电机构成的可以沿水平和垂直两个方向转动的双轴支架。
LCD液晶显示屏，通过核心处理器的SPI串行外围接口连接，是一串行输入的单色带中文字库的128*64点阵液晶屏。
蓄电池充放电电路，主要是根据对太阳能电池板的当前输出电压和输出电流进行数据采集，之后利用嵌入式微处理器通过PID算法来调节充电开关的PWM占空比，最终实现太阳能电池板的最大功率输出；在放电部分则主要包括过流和防低压输出保护。
本发明一天跟踪完成后，自动恢复到等待次日太阳升起的状态，实现日循环运行。此外，由于此系统集成了LCD液晶显示屏和利用最大功率点跟踪(MPPT)技术的蓄电池充放电电路，打破了传统的太阳能发电系统多个独立单元的构成模式。这样的设计减小了设备的体积和重量，更为重要的是减少了整个系统的运行功耗。
附图说明
下面结合附图与实施案例进一步说明本发明。
图1向日葵式太阳能发电系统模块图；
图2向日葵式太阳能发电系统主视图；
图3向日葵式太阳能发电系统俯视图、剖面图。
图中标号：
1、轴承   2、太阳能电池板    3、涡轮蜗杆式电机   4、升降式电机
5、螺杆   6、光强采集器圆筒  7、光敏电阻
具体实施方式
下面通过一个实施案例，进一步说明本发明。
本发明以ARM7微处理器及其外围电路作控制器，结合双轴结构设计的太阳能支架。支架结构中，固定在支柱外沿上涡轮蜗杆式电机3用于带动支撑轴8在水平方向转动，从而带动太阳能电池板2在水平方向上的转动；而升降式电机4则通过螺杆5用于带动太阳能电池板2在垂直方向上的转动。在两者的综合作用下，则可实现太阳能电池板2在水平270度和垂直120度的范围内任意角度的转动。(见图2)
光强感应器安装在太阳能电池板平面的中心，设置有一个圆筒形外壳的光强采集器圆筒6，在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别放置1只光敏电阻7。(见图3)其中，P5、P7东西对称安装在光强采集器圆筒6的两侧，用以粗略地检测太阳由东往西运动时，太阳能电池板2应该旋转的角度；P6、P8南北对称安装在光强采集器圆筒6的两侧，用以粗略地检测太阳的仰视高度(即高度角)；在光强采集器圆筒6内部，东、南、西、北四个方向上也分别放置着1只光敏电阻7，用以精确地检测太阳由东往西运动时，太阳能电池板2在水平方向和垂直方向的偏转角度。光敏电阻7采用GM5516，亮电阻为200欧姆，暗电阻为200K欧姆以上，用于对光强的感应。
本发明在工作时，控制器会根据对光强感应器上的外侧四只光敏电阻7的采样，在粗略精度上判断太阳直射点的位置，之后再采样内侧四只的数据值，在较细的精度上判断太阳直射点的位置，从而驱动两只电机作出相应的转动而使太阳能电池板2垂直面向太阳；对于太阳能电池板2输出的电能进行蓄电池充电，此时通过控制器对其输出电压和输出的电流进行数据采集，利用数字PID算法来调节充电大功率MOSFET开关的PWM占空比，最终实现太阳能电池板的最大功率输出，同时也可以起到保护蓄电池的作用；对于蓄电池的输出同样是通过一大功率MOSFET开关调节，当输出电压和输出电流超过一定量值时；则关断输出，同样起到了保护蓄电池的作用。

Claims (5)

1.向日葵式太阳能发电系统，包括太阳能电池板，其特征在于：太阳能电池板设置在双轴式太阳能支架上，可在水平270度和垂直120度的范围内任意角度转动，由包括嵌入式微处理器ARM7、光强采集电路、步进电机驱动电路、电压电流采集电路和蓄电池充放电电路的核心控制器控制。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述光强采集电路与安装在一铁管内四个方向、管外对应四个方向的光敏电阻构成的光强采集器连接。
3.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述双轴式太阳能支架是由轴承、钢管、涡轮蜗杆及带螺纹杆的步进电机构成的可以沿水平、垂直两个方向转动的双轴支架。
4.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：所述蓄电池充放电电路对太阳能电池板的输出电压和输出电流进行数据采集，利用嵌入式微处理器通过PID算法来调节充电开关的PWM占空比，最终实现太阳能电池板的最大功率输出；在放电部分则主要包括过流和防低压输出保护。
5.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于：所述光敏电阻采用GM5516，亮电阻为200欧姆，暗电阻为200K欧姆以上，安装在太阳能电池板平面的中心。
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