CN101969280B - 基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置的控制方法 - Google Patents

基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置的控制方法 Download PDF

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基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置，属于光、机、电一体化自动控制领域。本发明地设计了太阳位置检测装置和双轴机械跟踪定位装置，由控制电路将传感器检测的太阳位置信号进行运算放大、A/D处理后，传给单片机。通过单片机发出脉冲指令及方向指令来控制电动机的运转速度和方向，实时地跟踪太阳。同时根据光敏传感器的反馈信号来及时的调整跟踪器运转的速度和方向以及通过该反馈信号控制部件决定何时对该跟踪装置实行制动。整个装置采用了逐步跟踪和顺序跟踪相结合的方法。此方法下，整个装置的跟踪误差在±5°范围内，比起连续跟踪、不断检测，节约了能源。

Description

基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置的控制方法
技术领域
本发明涉及一种太阳自动跟踪装置系统，属于光、机、电一体化自动控制领域。 
背景技术
近年来，随着太阳能发电产业的迅速发展，光伏应用的领域正在逐渐扩大，各种光伏新产品不断涌现。但太阳能电池板由于固定安装，其转换率只有大约10％左右，效率较低。为了更好地利用太阳能，提高其转换效率，有必要使太阳能电池板表面始终对着太阳照射的方向，因此需要设计追日型自动跟踪系统对太阳实行全日制监控，有效利用太阳能进行发电。通过对太阳能的有效利用，可减少资源的浪费，为自然资源合理利用起着重要的促进作用，满足低炭经济的要求。 
目前国内外已经研制出的太阳光线自动跟踪装置或多或少都存在着一些不足之处，像光电跟踪虽然灵敏度高，结构设计较为方便但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作[薛建国.基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计.长春师范学院学报(自然科学版)，2005，24(3)：26～30]；又如单轴跟踪尽管结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想[Chang TP.Performancestudy on the east-west oriented single-axis tracked panel.Energy，2009，34(10)：1530～1538]；极轴式全跟踪为双轴跟踪方式，并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。一般太阳能自动跟踪系统的跟踪信号多由时序控制器所产生，但这种方式提供的自动跟踪信号在实际应用中都有不如人意的地方。虽然由时序控制器所提供的跟踪信号是稳定的，但是严格说来一年四季每天早上太阳升起的时间都不同，所以在使用中最简单的方法是每隔几天就需要人专门调整一下启动时间的设定参数，以尽量保证在太阳升起的同时给出工作信号，从而使得系统在应用中的操作很不方便[李子莹.太阳能路灯自动跟踪系统的研制.机电产品开发与创新，2008，21(5)：154～155]。一些学者运用PLC对所设计的装置进行控制，达到了一定的效果，但电路设计复杂[Salah Abdallah，SalemNijmeh.Two axes sun tracking system with PLC control.Energy Conversion and Management，2004，(45)：1931～1939]。 
发明内容
本发明地设计了太阳位置检测装置和双轴机械跟踪定位装置，由控制电路将传感器检测的太阳位置信号进行运算放大、A/D处理后，传给单片机。通过单片机发出脉冲指令及方向指令来控制电动机的运转速度和方向，实时地跟踪太阳。同时根据光敏传感器的反馈信号来及时的调整跟踪器运转的速度和方向以及通过该反馈信号控制部件决定何时对该跟踪装置实行制动。 
基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置，包括太阳能电池板、太阳位置检测部分、太阳能双轴机械跟踪定位装置和单片机控制系统，其特征在于：所述太阳位置检测部分由8个光电二极管组成，其中7个光电光电二极管位于上方开孔的半球体内，在半球体的中心安置1个光电二极管，并且东西径向轴线上对称分布4个光电二极管，在半球体的南北径向轴线上对称分布2个光电二极管，半球体安装在太阳能电池板上，其底面与太阳能电池板平行，在整个太阳位置的部分以外增设一个独立的光电二极管D8；太阳能双轴机械跟踪定位装置包括底座、蜗轮蜗杆、方位轴、旋转台、支架、大齿轮、俯仰轴、电机1、小齿轮和电机2，蜗轮蜗杆安置在底座中，旋转台置于底座上方，蜗轮蜗杆通过方位轴与旋转台相连，旋转台上设有支架，俯仰轴安装在支架之间，大齿轮键连俯仰轴上，大齿轮与小齿轮之间啮合传动，电机1安装在支架上，小齿轮与电极1相连，通过电极1驱动，电极2安装在底座上，与蜗轮蜗杆相连，电极2通过驱动蜗杆带动蜗轮转动，太阳能电池板直接安装在大齿轮上；单片机控制系统安装在底座上，8个光电二极管分别与单片机控制系统相连，将光信号转变为电信号送入单片机控制系统。单片机控制系统的内部产生两个参考电压UC0和UC1，其中UC0是光电二极管检测傍晚或阴雨天气或乌云遮住太阳的情况时产生的电压；UC1是光电二极管检测太阳电池板的偏移量过大时产生的电压。D8作为照度传感器来检测太阳的辐射照度，当D1和D2、D3和D4、D5和D6之间均无差值电信号输出时，可根据D8产生的输出电压与设定阈值UC0的比较结果由单片机输出关机或开机信号，当D8产生的输出电压等于UC0时，单片机输出关机信号，停止跟踪装置的运转，当D8产生的输出电压大于UC0时，单片机输出开机信号，跟踪装置开始运转。 
本装置的工作过程如下：当太阳光垂直照射到电池板上时，D1和D2、D3和D4、D5和D6、D7和D8对应的感光量各自相等，输出电压也各自对应相同，电机不转动。当太阳光线发生偏移时，对于高度角，一侧的光电二极管落在孔壁的阴影内，另一侧的光电二极管可以接收到太阳光线，从而两侧光电二极管的感光量不相等，输出电压也就不相等，通过比较两侧信号的大小来确定电机1的转向；对于方位角，通过UC1与D7产生的电信号U7进行比较来判断太阳能电池板的偏转角度是否过大，如果偏转角度过大，则通过检测、比较最边缘的光电二极管D5和D6产生的电信号的大小来驱动方位角电机2转动，使偏移角度减小，再由光电二极管D3和D4进行精确检测，控制电机2进行微调。通过检测四个象限产生的电信号，并对电信号的大小进行比较，再作出判断，从而控制转动机构旋转。 
本设计的优点： 
(1)根据太阳在空间的实际位置，合理地安排光电二极管在球面的阵列分布。 
(2)对原有的双轴跟踪机构进行了优化设计，考虑到大齿轮转动的范围问题，创新性地将太阳电池板通过螺纹连接安装到大齿轮上，整个结构更加紧凑。 
(3)整个装置在阴雨天气停止转动，避免了无意义的跟踪。而阴雨天气的跟踪一般通过时序控制的，需设计时钟电路，增加了电路的复杂程度。 
(4)虽然是采用的单片机控制，但控制理念发生了变化，整个装置采用了逐步跟踪和顺序跟踪相结合的方法。所谓逐步跟踪，就是每当太阳电池板达到与太阳光线垂直时，检测部分暂停20min后再进行检测。所谓顺序跟踪，就是先控制方位轴转动，当方位角方向上的轴线与太阳光线平行后，控制俯仰轴转动。此方法下，整个装置的跟踪误差在±5°范围内，比起连续跟踪、不断检测，节约了能源。 
(5)整个装置在完成一天的跟踪之后，能自动回到原点，避免了累积误差。其中原点位置设置为：太阳电池板与水平成32°，东南方向朝南布置。 
附图说明
图1给出的是光电二极管的分布的俯视图 
图2给出的是太阳位置检测部分结构图 
(a)太阳高度角检测的剖面图，(b)太阳方位角检测的剖面图 
图3给出的是双轴跟踪部分基本结构 
其中：1、底座；2、蜗轮蜗杆；3、方位轴；4、旋转台；5、支架；6、太阳能电池板；7、太阳位置检测部分；8、大齿轮；9、俯仰轴；10、电机1；11、小齿轮；12、单片机控制系统；13、电机2 
图4电信号的比较放大图 
图5基于单片机的控制电路图 
具体实施方式
本发明的工作过程具体如下：从8个光电二极管输出的光信号经过处理后，分别得到电信号U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7和U8。U1和U2经运算放大器处理后得到南北方向的跟踪控制信号UH，U5和U6经过运算放大器后得到东西方向的粗略跟踪控制信号UPV，U3和U4经过运算放大器后得到东西方向精确跟踪控制信号UV，U7和U8经过运算放大器后得到是否需要跟踪的控制信号UT，U8和UC0经过运算放大器后得到是否启动跟踪装置的信号Us，U7和UC1经过运算放大器后得到判断角度是否过大的信号UD。控制系统采用顺序控制的方法，即先控制方位轴转动，当方位角方向上的轴线与太阳光线平行后，控制俯仰轴转动。开机后，由单片机P0口的P01、P02和P03发出信号控制开关4051的A、B和C端，对输入信号进行有选择性地输出。先选择US送到A/D转换器的10Vspn端，将US转变成数字信号U′S，单片机通过判断U′S的最高一位来判断Us的正负，若U′S的最高位为1，则Us小于零，说明已是夜晚或阴雨天气或乌云遮住太阳的情况，驱动跟踪装置回到原点位置，跟踪装置关闭；若U′S的最高位为0，则Us大于零，则单片机判断UT经A/D转换后得到的信号U′T，如果U′T＝0，说明太阳电池板与太阳光线垂直，装置闲置20min钟后再进行检测；如果U′T≠0，说明两者不垂直，则单片机再判断UD转换得到的数字信号U′D，若U′D的最高位为1，则UD＜0，说明东西方向的偏转角度很大，进而单片机发出脉冲信号给 驱动芯片UNL2003，由UNL2003驱动电机2转动，粗调方位角，其中电机的转向由UPV经模数转换得到的数字信号U′PV的最高位决定，最高位为1，电机正转，为0，电机反转，使太阳能电池板的偏转角减小；若U′D的最高位为0，说明太阳能电池板东西方向的偏转不大，再由单片机判断UV转换得到的数字信号U′V，若U′V≠0，则单片机发出脉冲信号给驱动芯片UNL2003，由UNL2003进一步驱动电机2转动，微调方位角，U′V的最高位为1，电机2正转，最高位为0，电机2反转；若U′V＝0，说明东西方向无偏移，则单片机判断由UH转换得到的数字信号U′H的最高位，U′H≠0，则单片机发出脉冲信号给驱动芯片UNL2003，由UNL2003驱动电机1转动，调整高度角，U′H的最高位为1，电机1正转，最高位为0，电机1反转；若U′H＝0，说明高度角方向无偏移。通过电机1和电机2的协调动作，完成对太阳高度角和方位角的跟踪，最终使太阳电池板表面与太阳光线垂直。 

Claims (3)

1.基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置的控制方法，所述基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置，包括太阳能电池板(6)、太阳位置检测部分(7)、太阳能双轴机械跟踪定位装置和单片机控制系统(12)，所述太阳位置检测部分(7)由8个光电二极管组成，其中7个光电二极管位于上方开孔的半球体内，孔径的大小以能放入光电二极管为准，在半球体的中心安置1个光电二极管D7，并且东西径向轴线上对称分布4个光电二极管D6、D4和D3、D5，在半球体的南北径向轴线上对称分布2个光电二极管D1和D2，半球体安装在太阳能电池板(6)上，其底面与太阳能电池板(6)平行，在太阳位置检测部分(7)以外增设一个独立的光电二极管D8作为照度传感器来检测太阳的辐射照度；太阳能双轴机械跟踪定位装置包括底座(1)、蜗轮蜗杆(2)、方位轴(3)、旋转台(4)、支架(5)、大齿轮(8)、俯仰轴(9)、电机1(10)、小齿轮(11)和电机2(13)，蜗轮蜗杆(2)安置在底座(1)中，旋转台(4)置于底座(1)上方，蜗轮蜗杆(2)通过方位轴(3)与旋转台(4)相连，旋转台(4)上设有支架(5)，俯仰轴(9)安装在支架(5)之间，大齿轮(8)键连俯仰轴(9)上，大齿轮(8)与小齿轮(11)之间啮合传动，电机1(10)安装在支架上，小齿轮(11)与电机1(10)相连，通过电机1(10)驱动，电机2(13)安装在底座(1)上，与蜗轮蜗杆(2)相连，电机2(13)通过驱动蜗杆带动蜗轮转动，太阳能电池板(6)直接安装在大齿轮(8)上；单片机控制系统(12)安装在底座(1)上，8个光电二极管分别与单片机控制系统(12)相连，将光信号转变为电信号送入单片机控制系统(12)；其特征在于所述控制方法具体为：单片机控制系统(12)的内部产生两个参考电压UC0和UC1，其中UC0是光电二极管检测傍晚或阴雨天气或乌云遮住太阳的情况时产生的电压；UC1是光电二极管检测太阳电池板的偏移量过大时产生的电压，光电二极管D8作为照度传感器来检测太阳的辐射照度，当光电二极管D1和光电二极管D2、光电二极管D3和光电二极管D4、光电二极管D5和光电二极管D6之间均无差值电信号输出时，根据光电二极管D8产生的输出电压与设定阈值UC0的比较结果由单片机控制系统(12)输出关机或开机信号，当光电二极管D8产生的输出电压等于UC0时，单片机控制系统(12)输出关机信号，停止太阳能双轴机械跟踪定位装置的运转，当光电二极管D8产生的输出电压大于UC0时，单片机控制系统(12)输出开机信号，太阳能双轴机械跟踪定位装置开始运转；当太阳光垂直照射到电池板上时，光电二极管D1和光电二极管D2、光电二极管D3和光电二极管D4、光电二极管D5和光电二极管D6、光电二极管D7和光电二极管D8对应的感光量各自相等，输出电压也各自对应相同，电机1和电机2不转动；当太阳光线发生偏移时，对于高度角，一侧的光电二极管落在孔壁的阴影内，另一侧的光电二极管能够接收到太阳光线，从而两侧光电二极管的感光量不相等，输出电压也就不相等，通过比较两侧信号的大小来确定电机1的转向；对于方位角，通过UC1与光电二极管D7产生的电信号U7进行比较来判断太阳能电池板的偏转角度是否过大，如果偏转角度过大，则通过检测、比较最边缘的光电二极管D5和光电二极管D6产生的电信号的大小来驱动方位角电机2转动，使偏移角度减小，再由光电二极管D3和光电二极管D4进行精确检测，控制电机2进行微调，通过检测四个象限产生的电信号，并对电信号的大小进行比较，再作出判断，从而控制转动机构旋转。
2.如权利要求1所述的基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置的控制方法，其特征在于：从8个光电二极管输出的光信号经过处理后，分别得到电信号U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7和U8；U1和U2经运算放大器处理后得到南北方向的跟踪控制信号UH，U5和U6经过运算放大器后得到东西方向的粗略跟踪控制信号UPV，U3和U4经过运算放大器后得到东西方向精确跟踪控制信号UV，U7和U8经过运算放大器后得到是否需要跟踪的控制信号UT，U8和UC0经过运算放大器后得到是否启动跟踪装置的信号Us，U7和UC1经过运算放大器后得到判断角度是否过大的信号UD；控制系统采用顺序控制的方法，即先控制方位轴转动，当方位角方向上的轴线与太阳光线平行后，控制俯仰轴转动；开机后，由单片机控制系统(12)P0口的P01、P02和P03发出信号控制开关4051的A、B和C端，对输入信号进行有选择性地输出，先选择US送到A/D转换器的10Vspn端，将US转变成数字信号U′S，单片机通过判断U′S的最高一位来判断Us的正负，若U′S的最高位为1，则Us小于零，说明已是夜晚或阴雨天气或乌云遮住太阳的情况，驱动跟踪装置回到原点位置，跟踪装置关闭；若U′S的最高位为0，则Us大于零，则单片机判断UT经A/D转换后得到的信号U′T，如果U′T＝0，说明太阳电池板与太阳光线垂直，基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置闲置20min钟后再进行检测；如果U′T≠0，说明两者不垂直，则单片机再判断UD转换得到的数字信号U′D，若U′D的最高位为1，则UD＜0，说明东西方向的偏转角度很大，进而单片机发出脉冲信号给驱动芯片UNL2003，由UNL2003驱动电机2转动，粗调方位角，其中电机2的转向由UPV经模数转换得到的数字信号U′PV的最高位决定，最高位为1，电机2正转，为0，电机2反转，使太阳能电池板的偏转角减小；若U′D的最高位为0，说明太阳能电池板东西方向的偏转不大，再由单片机判断UV转换得到的数字信号U′V，若U′V≠0，则单片机发出脉冲信号给驱动芯片UNL2003，由UNL2003进一步驱动电机2转动，微调方位角，U′V的最高位为1，电机2正转，最高位为0，电机2反转；若U′V＝0，说明东西方向无偏移，则单片机判断由UH转换得到的数字信号U′H的最高位，U′H≠0，则单片机发出脉冲信号给驱动芯片UNL2003，由UNL2003驱动电机1转动，调整高度角，U′H的最高位为1，电机1正转，最高位为0，电机1反转；若U′H＝0，说明高度角方向无偏移，通过电机1和电机2的协调动作，完成对太阳高度角和方位角的跟踪，最终使太阳电池板表面与太阳光线垂直。
3.如权利要求2所述的基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置的控制方法，其特征在于：所述原点位置指太阳电池板与水平成32°，东南方向布置。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20110209

Assignee: JIANGSU HELIST OPTOELECTRONIC CO., LTD.

Assignor: Jiangsu University

Contract record no.: 2014320000289

Denomination of invention: Singlechip based solar cell automatic tracking device and control method thereof

Granted publication date: 20131023

License type: Exclusive License

Record date: 20140403

LICC Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20131023

Termination date: 20190927