CN101833339A - 一种基于微型计算机的通用型太阳实时自动跟踪控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明特公开一种基于微型计算机的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，该控制系统由光强方位传感器、微型计算机、运算比较模块、驱动模块、电源模块、方向控制按键、指示灯模块及输入输出端口等组成。该控制系统能依据光线强度智能实现开关机，可以实现双轴全方位自动跟踪，其输出驱动接口可控制不同功率不同类型电机或其它执行器件。其通用性极强，可选择手动模式，通过按键控制采光系统双轴的转动，方便系统在安装调试或系统出现故障时的维修。该控制系统通用性强，自动化程度高，安装调试方便，可广泛用于太阳能发电站、民用太阳能发电系统、太阳能路灯、太阳能集热和太阳能灶等各种太阳能应用领域。

Description

一种基于微型计算机的通用型太阳实时自动跟踪控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，尤其涉及一种应用于太阳能行业的基于微型计算机的通用型智能实时太阳自动跟踪控制系统。

背景技术

近几年来，太阳能等新能源发展迅速，然而作为集清洁能源、新能源、低碳低能耗于一身的太阳能利用率却比较低，目前应用较广的光伏发电中的硅晶光能转化效率最高仅为40％左右，过低的光能转化效率造成发电成本过高，是制约太阳能发电发展的主要原因之一。众所周知，当太阳光线垂直照射太阳能利用系统采光部分时光能利用率最高。如果太阳能利用系统的采光部分能自动对太阳运动轨迹保持二维实时跟踪，就能保证太阳光线始终基本垂直的照射太阳能利用系统的采光部分，使单位面积接收阳光的密度始终处于最大状态，这样便可实现太阳能利用系统始终处于最佳光能利用状态。模型数据显示，采用本控制系统的太阳能利用系统可较传统的太阳能利用系统的采光部分的光能利用率提高40％左右，即使一维方向上的左右或上下单轴跟踪也可提高光能利用率20％左右，所以这种基于微型计算机的通用型实时太阳自动跟踪控制系统的出现对太阳能应用领域有着广泛而深远的影响。

目前诸多太阳自动跟踪器大都存在系统过于复杂，可靠性和稳定性差，运行维护成本过高、环境适应能力不佳、自动化程度也不高等方面的问题而应用受限。例如在驱动方面，目前市面上应用的太阳跟踪器大都要求为步进电机或伺服电机，对驱动电机要求过高。因此受自动化程度、跟踪精度、成本和稳定性等的限制，没有达到如工业控制器一样的通用性和实用性，在太阳能应用领域并没有大面积的推广应用。

发明内容

本发明特公开一种通用型极强的能依据光线强弱智能实现开关机的工业级实时太阳自动跟踪控制系统，它可以实现一维单轴自动跟踪或二维双轴全方位自动跟踪，其驱动模块可分别独立控制不同功率不同类型电机或其它执行驱动器件，可实现对不同规模不同类型太阳能利用系统的智能实时全方位自动跟踪控制。

一种基于微型计算机的通用型实时太阳自动跟踪控制系统。该控制系统主要由传感器和控制器两部分组成，其中控制器主要包括：信号输入端口、放大比较模块、光电隔离电路、微型计算机、驱动模块、输出端口、指示灯模块、按键模块、电源输入端口和电源模块等组成；传感器由五个光线强度信号采集组件组成，其中四个分别为高度角和方位角二个维度的四个方向上的方位传感器，另一个为环境光线强度采集传感器。光强方位传感器可依据光线入射角度产生二个维度四个方向上关于光线强度的模拟信号和一个环境光线强度模拟信号。

其工作原理如下：经光强方位传感器模块中环境光线强度采集传感器采集到的光线强度转化为模拟信号，该信号通过控制器中放大比较模块与预设的可调基准参数比较，判断其参数是否达到基准参数，若达到基准数据并持续到规定的时间，即意味着光线强度持续稳定达到太阳能利用系统的要求。当光线强度达到太阳能利用系统的要求时，放大比较模块便对微型计算机的产生一个唤醒信号，微型计算机得到唤醒信号后使控制器进入工作模式；当光线强度模拟信号低于该设定基准参数并持续到规定的时间时，系统便进入休眠省电模式。通过调整基准参数的高低来调节该控制器系统对光线强度的灵敏度，可以实现在不同光线强度下对系统产生唤醒信号，进而实现不同光线强度下该系统可根据环境的光线强度进入或退出工作模式。另外，通过对光线强度持续稳定达到系统规定的时间要求，不仅可以排除夜间灯光、阴雨天闪光闪电等的外界干扰因素而产生的误导信号，并可以实现在光线强度满足太阳能利用系统的采光部分工作条件时控制器系统能及时开启工作，而在夜间和阴雨天光线强度不足，太阳能利用系统的采光部分不能正常工作时主动进入休眠模式，以保持最低功耗，从而实现通过光线强度智能开关机的过程。

在确定光线强度达到设定参数，能满足太阳能采集系统的采光部分正常工作要求时，控制系统进入工作模式。当光强方位传感器两个维度上的光线强度信号采样组件接受光线角度一样时，其产生的模拟信号参数也一样。当系统刚开始工作时，太阳光线对该维度的两个光线强度信号采样组件的入射角并不一定相同，则该维度两个方向上的两组模拟信号参数有着相应的差别，经由放大比较模块对其放大比较，比较出信号的差别，也即受光角度的差别，并产生相关的信号，再通过光电隔离电路提交微型计算机，微型计算机通过程序依据输入信号对驱动模块进行控制，再由驱动模块直接驱动小功率电机或通过控制继电器接触器等来控制大功率交直流电机经或其它执行器件，带动光线采样模块和太阳能利用系统的采光部分在这个维度上同步转动。此时，由于太阳光线对光线强度信号采样组件的入射角发生变化，两个光线强度信号采样组件实时采集到的光线参数也随之发生变化，当太阳光线对该维度的两个光线强度信号采样组件上的入射角度接近一定范围时，两个光线强度信号采样组件上产生的两组模拟信号参数也接近到一定范围，放大比较模块比较不出差别后产生一个信号，通过光电隔离电路再次提供给微型计算机，由微型计算机通过程序依据输入信号控制驱动电路使电机停止工作，完成一次跟踪。随着太阳运动的变化的入射角也会发生变化，当光线采样传感器在该维度上采集到的光强参数变化超过一定范围后，便再循环上面的跟踪过程，如此周而复始，直到因天黑或雨雪天气等环境光线强度不足，系统进入休眠模式。

当系统同时对四个光线强度信号采样组件分别采集方位角和高度角二个维度的四个方向的光强参数时，就可通过系统分别控制两个电机，从而可使太阳能利用系统的采光部分实现在两个维度四个方向上的全方位自动实时跟踪。而当太阳能利用系统的采光部分只需要单轴跟踪时，则只需要外接一个该维度上的执行器件即可。

为了方便太阳能利用系统的安装、调试，该控制系统加入了手动模式，即通过按键选择系统进入手动模式时，控制系统将不再通过光线强度实现智能开关机，而是直接进入工作模式。手动模式下控制系统也不再受太阳光线入射角的影响自动调节，而是通过四个按键在两个维度的四个方向上对电机进行手动控制，实现手动按键控制太阳能利用系统的采光部分在两个维度的四个方向上运转。

控制系统除了可以控制电机外也可以通过驱动模块控制液压缸、气缸等其它执行器件来运转太阳采集利用系统，所以其通用性极强。

本发明的有益效果是：该控制系统能依据光线强度自动实现开关机，其输出除了可直接驱动小功率电机外也可以通过驱动模块控制继电器或接触器等来控制大功率交直流电机、液压缸、气缸等其它执行器件来运转太阳采集利用系统的采光部分，可使不同规模不同类型太阳能利用系统的采光部分实现单轴实时智能自动跟踪或双轴全方位实时自动跟踪；其手动工作模式，方便了太阳能利用系统在安装、维护时的调试，其通用性和适应性强且稳定可靠。

附图说明

图1是本发明的工作电路原理示意图。

图2是本发明光强方位传感器爆炸图。

具体实施方式

图1是本发明的工作电路原理示意图。本发明如图1所示，该控制系统由传感器和控制器两部分组成。控制器中，电源通过电源输入端口(11)经电源模块(10)为整个系统提供电源，此时指示灯模块(8)中电源指示灯亮；如图2所示，光强方位传感器(1)，由五块能将光线强度转变为模拟电压信号的小面积光伏电池(12)、(14)、(15)、(16)和(17)组成并固定在块(13)上，其中光伏电池(12)和(15)分别为高度角上下两个方向上的光强方位传感器组件，(14)和(17)分别为方位角左右两个方向上的光强方位传感器组件，当光线在同一维度的两个光伏电池上的入射角一样时，其产生的电压也一样，四个光强方位传感器可依据光线入射角度产生二个维度四个方向上的四个模拟信号，另一个光伏电池(16)为环境光线强度信号采集传感器组件，可产生一个关于环境光线强度的模拟信号。控制器系统的放大比较模块(3)由信号放大电路、比较器组成。环境光线强度的模拟信号经其放大后由比较器与设定的可调基准参数比较，当持续高于该基准参数并达到规定时间时，放大比较模块(3)便通过光电隔离电路(4)对微型计算机(5)产生一个唤醒信号，微型计算机(5)得到唤醒信号后控制系统进入工作模式。在工作过程中，如果环境光线强度的模拟信号经其放大后由比较器与设定的可调基准参数比较，当持续低于该基准参数达到规定时间时，则放大比较模块(3)便通过光电隔离电路(4)对微型计算机(5)产生一个信号使系统进入休眠省电模式。放大比较模块(3)上的电位器可调整基准参数的高低，进而调节控制系统对光线强度的灵敏度。

控制系统进入工作模式后，光强方位传感器(1)产生的每一维度上的两个方向的两个模拟信号也经运算放大模块(3)放大后由比较器对两个模拟信号进行比较，当两个参数差超过一定范围时，并产生相关的信号，再通过光电隔离电路(4)提交微型计算机(5)，微型计算机(5)通过程序依据输入信号对驱动模块(6)进行控制，驱动模块由放大电路和四个继电器组成，驱动信号通过输出端口(7)直接驱动小功率电机或通过控制继电器及接触器等来控制大功率交直流电机，进而带动光线采样模块和太阳能采集系统在这个维度上同步转动，并转向入射角度小的那个方位传感器。当入射角度接近一定范围时，两组模拟电压信号到达到一定范围，放大比较模块(3)比较不出差别后产生的信号控制驱动电路使执行停止工作。

控制器的按键模块(9)包括一个模式切换按键和四个方向按键，按下模式切换按键便对微型计算机(5)一个唤醒中断信号，通过程序使系统进入工作模式并使微型计算机(5)不再受放大比较模块(3)的影响，而扫描四个方向按键所接引脚上的电位变化，并通过微型计算机(5)的程序控制驱动模块(6)，代替放大比较模块对微型计算机的控制，从而实现手动按键控制太阳能利用系统的采光部分在两个维度上四个方向上的运转。

控制器的指示灯模块(8)包括用于指示电源、运行模式、信号输入与输出状态的指示灯。

Claims (10)

1.一种基于微型计算机的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，包括传感器和控制器，其特征在于：所述传感器为光强方位传感器(1)，其可产生一个关于环境光线强度的模拟信号和在高度角和方位角二个维度4个方向上关于光线强度的模拟信号，并提供给控制器；所述控制器主要包括：信号输入端口、放大比较模块、光电隔离电路、微型计算机、驱动模块、输出端口、按键模块、指示灯模块、电源输入端口和电源模块等；电源通过电源输入端口(7)经电源模块(8)处理后为整个系统提供电源，此时指示灯模块(10)中的电源指示灯亮；光强方位传感器采集的模拟信号通过信号输入端口(1)输入到放大比较模块(2)；放大比较模块(2)将环境光线强度模拟信号与可设定的基准电压比较，若大于基准电压并持续到规定时间，放大比较模块(2)便通过光电隔离电路(3)对微型计算机(4)的产生一个唤醒信号，微型计算机(4)得到信号后进入工作模式，此时指示灯模块(10)中的运行指示灯亮，经光强方位传感器在高度角和方位角上二个维度4个方向上的光线强度模拟信号通过运算比较转化模块(2)分别对同一维度上2个方向的模拟信号进行比较，并产生两组信号，也通过光电隔离电路(3)提交微型计算机(4)；由微型计算机(4)依据运算放大比较转化模块提交的信号，对驱动模块(5)进行控制，驱动模块(5)通过输出端口(6)可以分别控制两组执行器件工作，带动太阳能采集利用系统实现双轴跟踪。

2.如权利要求1所述的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，其特征在于：所述光强方位传感器由五块能将光线强度转变为模拟信号的小面积光伏电池组成，其中四个分别为高度角和方位角二个维度的四个方向上的方位传感器，另一个为环境光线强度信号采集传感器，传感器可依据光线入射角度产生二个维度四个方向上关于光线强度的四个模拟信号和一个环境光线强度模拟信号。

3.如权利要求1所述的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，其特征在于：该控制器的放大比较模块，可以是由放大电路、比较器和电位器组成。可以同时独立处理方位角，高度角及光线强度三组信号的放大比较，并转化成数字信号。

4.如权利要求1所述的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，其特征在于：该控制器的放大比较模块，可以是由放大电路、电位器和模数转换器组成，信号通过模数转化器，将光线模拟信号转换为数字信号后由微型计算通过程序做出比较。

5.如权利要求1所述的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，其特征在于：该控制器的放大比较模块可通过对光强传感器信号与控制器内可调基准参数的比较，可实现由环境光线控制系统的工作模式和休眠模式，并可通过调整基准电压来调整对光线的灵敏度。

6.如权利要求1所述的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，其特征在于：驱动模块由4个继电器组成，可直接驱动小功率电机也可以通过控制接触器继电器等控制其它执行驱动器件运动。

7.如权利要求1所述的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，其特征在于：该控制器按键模块包括一个模式切换按键和四个方向按键，通过模式切换按键实现手动和自动工作模式的切换，四个方向按键可通过微型计算机对驱动模块控制，通过输出端口可以控制两组执行器件工作，带动太阳能采集利用系统实现双轴转动。

8.如权利要求1所述的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，其特征在于：该控制器的指示灯模块包换：用于指示电源、运行模式、信号输入与输出状态的指示灯。

9.如权利要求1所述的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，其特征在于：该控制器的电源模块其输入电源为直流宽电压输入，可直接连接不同电压的太阳能蓄电池或其它电源为控制器供电。

10.如权利要求2所述的通用型实时太阳自动跟踪控制系统，其特征在于：所述光强方位传感器的环境光线强度信号采集传感器(16)可以是由光敏电阻组成。

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