CN101907894B - 带天气感应装置的太阳能自动跟踪器 - Google Patents

Abstract

一种带天气感应装置的太阳能自动跟踪器，包括太阳能电池板(1)、自动阴雨天保护系统(2)、强风保护装置(3)、ARM嵌入式微处理系统(4)、阳光跟踪传动系统(5)、电动机(6)和强风级别显示器(7)。由于采用风速液位测压计实时测量强风对光伏发电系统的影响，采用光敏器件实时测量太阳照度情况，本发明太阳能自动跟踪器可根据天气状况自动调整光伏发电系统状态，把恶劣天气对光伏发电系统的影响减少到最小，实现光伏发电系统的电能增加。

Description

带天气感应装置的太阳能自动跟踪器

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏发电技术，特别是一种带天气感应装置的太阳能自动跟踪器。 

背景技术

太阳能光伏发电技术已日趋成熟，不论是离网光伏发电系统还是并网光伏发电系统都有较大规模的应用和实践。上个世纪90年代以来，并网光伏发电系统特别是屋顶并网光伏发电系统的开发和运行成功，使其成为分散式发电系统的一个良好选择，欧盟、美国和日本等国家相继制定了一系列的计划和规划，并颁布了相应的激励政策促进光伏发电技术的推广和应用。屋顶并网光伏发电模式在国外已经得到电力部门的认可，预计50年后，仅屋顶能源一项就可提供全世界1/4电能。传统光伏发电系统的太阳能跟踪器由于可实现对太阳入射角的自动跟踪，可实现光伏系统30％～40％的电能增加。但是，当遇到恶劣天气(如大风、阴雨)时，不能及时做出反应，光伏发电装置容易被强风损害而破坏，或在阴雨天气时仍保持运转，造成不必要的能源浪费。 

发明内容

本发明的目的是提供一种带天气感应装置的太阳能自动跟踪器，可根据天气状况自动调整光伏发电系统状态，把恶劣天气对光伏发电系统的影响减少到最小，实现光伏系统的电能增加。 

带天气感应装置的太阳能自动跟踪器包括太阳能电池板(1)，自动阴雨天保护系统(2)，强风保护装置(3)，ARM嵌入式微处理系统(4)，阳光跟踪传动系统(5)，电动机(6)及强风级别显示器(7)。光伏电池(1)连接自动阴雨天保护系统(2)、强风保护装置(3)，并通过自动阴雨天保护系统(2)、强风保护装置(3)连接ARM嵌入式微处理系统(4)，ARM嵌入式微处理系统(4)分别连接电动机(6)和强风级别显示器(7)，电动机(6)通过阳光跟踪传动系统(5)连接光伏电池(1)(如图1所示)。 

太阳能自动跟踪器的控制原理为：将所在地太阳入射角度变化历史数据存入ARM嵌入式微处理系统(4)，同时实时采集电动机(6)的转动角度；将存储的所在地当前时刻太阳入射角数据与电动机(6)转动角度进行再线比较，控制电动机(6)转动角度，实时调整太阳能电池板(1)角度，使太阳能电池板(1)自动跟踪太阳入射角，达到最大限度利用太阳能的目的。系统控制流程为：清晨太阳升起，当光强达到能使得光伏电池可输出有效功率时，启动闭环跟踪系统，电动机(6)带动光伏电池(1)开始“跟踪搜索”使其逐渐对准太阳；随后进入“监测等待”状态，这时电动机(6)停止工作；当太阳偏离一个特定角度后再次开始“跟踪”过程。如果天空有云雾，或有大风天气，为节约驱动能量，系统处于“暂停等待”状态，电动机(6)停止工作；当天黑后，电机(6)先带动光伏电池1由面向西方“返回初态”到面向东方的初始位置，然后将整个系统“断电停机”，只需为ARM嵌入式微处理系统(4)留有一个弱电控制电源即可。 

自动阴雨天保护系统(2)如图2所示，在太阳能电池板(1)的四个角上分别安装四个光敏二极管(12)，光敏二极管(12)通过A/D转换与采集系统(11)与ARM嵌入式微处理系统(4)连接。当四个光敏二极管(12)所测量光照强度均小于发电阈值时，自动关闭阳光跟踪传动系统(5)，避免电能的浪费；当两个以上光敏二极管(12)所测量光照强度大于等于发电阈值时，重新开启阳光跟踪传动系统(5)，并将其对准太阳发射角。 

强风保护装置(3)由风速液位测压计(9)、红外定位环(21)及红外触发开关(10)组成；风速液位测压计(9)主要构成有储液罐(13)、受风斗(8)及测压管(15)，受风斗(8)位于储液罐(13)的顶部入口、测压管(15)位于储液罐(13)的底部、测压管浮标(20)位于测压管(15)的内部、红外定位环(21)位于测压管(15)外的外边；储液罐(13)固定在底盘(14)上与测压管(15)用胶管连通，测压管外层装有金属套管(16)，底盘安装有可由0°至90°转动的铰(17)上，另外底盘还装有一弯臂，弯臂中间开有可以将装有测压管的金属套管与水平方向夹角θ由0°至90°转动的角度定位槽；当转动到选定角度θ₀时，通过螺杆定位卡(19)固定。设风速液位测压计储液罐截面积为S₁，测风管截面积为S₂，储液罐又装有密度为ρ的液体与测压管连通，作用于储液罐液位表面压力为P₁，测压管液位表面压力为P₂，ΔP＝P₁-P₂称为两液位压力差。测压管已倾斜与水平方向夹角为θ₀，在压力差ΔP作用下，测压管液位变化为L。根据流体力学压力平衡和流体质量连续性原理以及直角三角形些便于直角边的关系，可以列出如下算式： 

$L=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}\·g\·\sin {\mathrm{\θ}}_0(1+\frac{S_2}{S_1})}---\left(1\right)$

式中ρ——液体的密度； 

g——重力加速度，9.8米/秒²； 

θ₀——测压管与水平方向夹角。 

$K=\frac{1}{\mathrm{\ρ}\·g\·\sin {\mathrm{\θ}}_0(1+\frac{S_2}{S_1})}---\left(2\right)$

K称为测压管液柱(高度)读数的放大系数。它与倾斜测压管的角度θ₀、截面积S₂和储液罐截面积S₁以及选择的液体密度ρ有关。流体力学测量使用的倾斜微压计是根据上述原理制成的，通常使用乙醇(ρ＝810kg/m³)以提高放大系数。 

风速液位测压计创新点如下： 

1.风速液位测压计根据实际测量需要设计储液罐(13)与测压管(15)的面积比(S₁∶S₂)为100与150，测压管倾斜角θ₀在18°～70°，再选用水为介质，由此可确定K值在1.07～3.23范围变化。 

2.在选定某一K值后，根据气象资料可以得到3级到10级大风风速值u_i。将风速液位测压计受风斗放置在风洞中，另一端接入储液罐，储液罐液位上方装有经校准的数字式测压计探头，储液罐下方与倾斜测压管连接，标出测压管初始读数。开启风洞，速度调节到一系列大风风速值u_i，分别记下每次储液罐液位上方压力ΔP_i，同时在测压管记下液柱上升位置L_i，以此作为测压管的计量标记。该标记L_i与大气中强风级别相对应，简要地说，测压管计量标记L_i是与经风洞校正大气强风级别相对应的。 

3.在上述风洞校正实验过程中，每输出风速值u_i，测量测压管液柱内电阻值R_i，再转换为电流信号I_i，经数值模拟转换为数字信号，可以显示相应的强度级别。 

4.测压管内装有轻质浮标(20)，管外侧装有红外线定位套环(21)。当强风达到设定级别时，浮标上升，红外定位环发出信号，输入ARM微处理系统关闭阳光跟踪系统。 

由于在本太阳能自动跟踪器中采用倾斜微压计实时测量台风对光伏发电系统的影响，采用光敏器件实时测量太阳照度情况，可根据天气状况自动调整光伏发电系统状态，避免以上两种不良后果的发生，实现光伏发电系统电能的增加。 

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。 

附图说明

图1为太阳能自动跟踪器控制原理图。 

图2为太阳能自动跟踪器的自动阴雨天保护装置结构图。 

图3为太阳能自动跟踪器的强风保护装置图。 

图4为风速液位测压计结构图。 

具体实施方式

图1中，本太阳能自动跟踪器包括太阳能电池板1、自动阴雨天保护系统2、强风保护装置3、ARM嵌入式微处理系统4、阳光跟踪传动系统5、电动机6和强风级别显示器7组成。光伏电池1连接自动阴雨天保护系统2、强风保护装置3，并通过自动阴雨天保护系统2、强风保护装置3连接ARM嵌入式微处理系统4，ARM嵌入式微处理系统4分别连接电动机6和强风级别显示器7，电动机6通过阳光跟踪传动系统5连接光伏电池1。 

图2中，自动阴雨天保护系统2在太阳能电池板1的四个角上分别安装四个光敏二极管12，光敏二极管12通过A/D转换与采集系统11与ARM嵌入式微处理系统4连接。 

图3、4中，强风保护装置3由风速液位测压计9、红外定位环21及红外触发开关10组成；风速液位测压计9主要构成有储液罐13、受风斗8及测压管15，受风斗8位于储液罐13的顶部入口、测压管15位于储液罐13的底部、测压管浮标20位于测压管15的内部、红外定位环21位于测压管15外的外边；储液罐13固定在底盘14上与测压管15用胶管连通，测压管外层装有金属套管16，底盘安装有可由0°至90°转动的铰17上，另外底盘还装有一弯臂，弯臂中间开有可以将装有测压管的金属套管与水平方向夹角θ由0°至90°转动的角度定位槽；当转动到选定角度θ₀时，通过螺杆定位卡19固定。风速液位测压计9的储液罐13的截面积S₁与测压管15的截面积S₂之比为100～150；测压管与水平方向倾斜角θ₀为18°～70°，测压管液柱读数放大系数为1.07～3.23。强风保护装置3的风速液位测压计9在选定K值后，其测压管计量标记L_i是由风洞输入级强风风速到受压斗8测压管液位上升的位置决定的；同时测量出测压管液柱电阻值R_i，经数字模拟可显示强度等级(i)。可以事先给出本装置能承受的强风级别i0，将红外定位环固定在测压管K_L0的位置上，当强风达到设定的级别时，浮标达到K_L0位置即触发红外控制开关10，输入ARM嵌入式微处理系统4，ARM微处理系统4检测到信号，控制器关闭阳光跟踪传动系统5，并锁死传动系统5，避免该系统设备受到强风作用而损坏。 

由于采用自动阴雨天保护系统(2)和强风保护装置(3)，实时测量强风对光伏发电系统的影响和太阳照度情况，根据天气状况自动调整光伏发电系统状态，把恶劣天气对光伏发电系统的影响减少到最小，实现光伏系统的电能增加。 

Claims (3)

1.一种带天气感应装置的太阳能自动跟踪器，包括太阳能电池板(1)、自动阴雨天保护系统(2)、强风保护装置(3)、ARM嵌入式微处理系统(4)、阳光跟踪传动系统(5)、电动机(6)和强风级别显示器(7)，其特征是强风保护装置(3)由风速液位测压计(9)、红外定位环(21)及红外触发开关(10)组成；风速液位测压计(9)主要构成有储液罐(13)、受风斗(8)及测压管(15)，受风斗(8)位于储液罐(13)的顶部入口、测压管(15)位于储液罐(13)的底部、测压管浮标(20)位于测压管(15)的内部、红外定位环(21)位于测压管(15)外的外边。

2.一种如权利要求1所述带天气感应装置的太阳能自动跟踪器，其特征是风速液位测压计(9)的储液罐(13)固定在底盘(14)上与测压管(15)用胶管连通，测压管外层装有金属套管(16)，底盘安装有可由0°至90°转动的铰(17)上，另外底盘还装有一弯臂，弯臂中间开有可以将装有测压管的金属套管与水平方向夹角θ由0°至90°转动的角度定位槽；当转动到选定角度θ₀时，通过螺杆定位卡(19)固定。

3.一种如权利要求1所述带天气感应装置的太阳能自动跟踪器，其特征是风速液位测压计(9)的储液罐(13)的截面积S₁与测压管(15)的截面积S₂之比为100～150；测压管与水平方向倾斜角θ₀为18°～70°，测压管液柱读数放大系数为1.07～3.23。

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