CN102200781B - 高精确智能化追日系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高精确智能化追日系统及其控制方法，该系统包括一个或多个带有太阳跟踪机构的采光面板，监控装置，控制装置，人机界面单元，采光面板方位变化的调节机构，电机和/或减速机构，具有多种特殊功能；其控制方法包括通过人机界面单元至少给定采光面板所在地的经纬度，控制追日系统按日出及日落时刻在各种条件下进行最佳化的追日采光运动。

Description

高精确智能化追日系统及其控制方法

技术领域

本发明属于清洁能源、太阳跟踪装置制造及控制领域，特别涉及高精确智能化追日系统及其控制方法。

背景技术

太阳是一个炽热的气态球体，一个巨大、久远、用之不竭的能源。太阳能作为一种清洁的、没有任何污染的能源越来越受到和引起世界各国的关注和极大的兴趣。迄今，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。从长远前景来看，在新能源中，光伏发电是最具潜力的战略替代发电手段。相关专家预测，到本世纪后期，太阳能发电将在世界电能结构中占据80％的位置。

然而，由于技术问题，迄今商业化的光伏发电装置/太阳能电池的价格太高、光电转换效率过底。在城市电力系统中，高昂的一次性投资成本无疑更为光伏发电装置/太阳能电池产品推广增加了难度，大规模开发和利用光伏太阳能发电，提高电池的光电转换效率和降低生产成本成为核心所在。因此，提高效率，降低成本，扩大规模成为现今开发、生产光伏发电装置/太阳能电池的主题。

中国专利公开说明书CN02222766.0提出了一种微功耗定时太阳跟踪装置，由一个步进式驱动的机械传动机构和微电脑控制电路部分组成。步进式驱动的机械传动机构由步进电机、蝸轮和蝸杆组成。微电脑控制电路部分由MOSFET步进电机驱动电路、光电位置传感器电路、单片机芯片、实时时钟芯片和键盘显示电路组成。它利用地球以每小时自转15度的规律，通过微电脑控制系统和步进式驱动的机械传动机构使太阳射线以接近0度的入射角进入太阳能装置，提高太阳能装置的太阳能转换效率。但该装置需较高造价。

中国专利公开说明书CN200910039131.X涉及一种太阳能发电机自动跟踪控制电路。该控制电路由两大部分组成，一是水平方位角跟踪电路；二是竖直仰角跟踪电路，水平方位角跟踪电路和竖直仰角跟踪电路驱动各自的直流电动机M₁和M₂，水平方位角跟踪电路和竖直仰角跟踪电路分别由各自的输入电路、逻辑电路和输出电路组成，其中，输入电路的输入端由光敏二极管和倾斜角开关检测到的电信号，加以数字化后接至逻辑电路的编码端，然后再根据实时控制的需要，经逻辑电路的译码电路译码并输出相应的指令，最后接至输出电路，从而由输出电路控制电机的转动和转向。但该装置过于复杂。

中国专利公开说明书CN200910096891.4公开了一种光伏发电定日自动跟踪控制系统，该光伏发电定日自动跟踪控制系统包括高度角驱动电路或/和方位驱动电路，该两个驱动电路至少由定日跟踪探头通过控制电路控制。该系统具有开机后从初始位置连续跟踪、运行过程中间歇式跟踪、太阳落下后水平方位自动返回正东面、台风到来时高度角自动回平等功能；能够全天候任意位置启动，能自动搜索到太阳光线并进行持续跟踪，可采用直流或交流减速电机驱动。但由于太阳的初始方位及运行轨道等每天都不一样，即日出并非每天都在正东面，而且仅靠光敏元件信号指令来开始或停止太阳跟踪，因此该系统跟踪精度不够高，且该系统也过于复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供高精确智能化追日系统及其控制方法，以克服现有追日系统及其控制方法的不足。

本发明的显著优点是：本发明提供的追日系统的结构简单，功能众多，造价低廉，可以大规模工业化生产；本发明提供的控制方法简单，应用广泛，即适用于三维太阳跟踪装置也用于二维太阳跟踪装置。

本发明的另一个显著优点是：本发明提供的追日系统在其智能化控制方法控制下，能节能、高精确地跟踪太阳，并智能化、不失时机地自动采集太阳光、自我保护及特别适于在野外各种恶劣环境中和无人值守的情况下运作，从而比世界现有的、含同等维数跟踪机构的追日系统具有更高的采光能力/太阳能发电能力、更好的运作环境适应能力和更长的运行寿命。

一般，日落时，太阳光因为受到地球大气层的影响而产生折射、瑞利散射，天空通常弥漫着漫天红霞。日落的颜色可以因为地球的大气现象而增强，如自然界的云、烟及雾及人为制造的废气。由于大气层受到了太阳光照射了整天之故，日落的颜色往往较日出的颜色亮丽。此外，由于在日照的整天里，太阳光照射至地球的表面，减低了相对湿度，但增加了风速及湍流，而使得灰尘留在空气里，日落时大气层低空带比日出时有着较多的灰尘，日落的时间也会随着季节及各地方纬度的不同而改变。传统上认为在北半球，冬至时日落的时间最早，然而事实上日落最早的时间应是12月初。同一道理，日落最晚的时间并非在夏至时，而应在7月尾。即使在赤道地区，日出及日落的时间在全年里也会有少量变更，这些变化可以用日行迹表达。本发明人在本发明涉及的高精确智能化追日系统及其控制方法中考虑或利用到了这些现象。

本发明涉及的高精确智能化追日系统包括一个或多个带有太阳跟踪机构的采光面板，监控装置，控制装置，人机界面单元，采光面板方位变化的调节机构，电机和/或减速机构，在控制装置控制下，该系统至少具备下列功能中的一种、多种或全部：

1)采光面板在每天日出之前已经正面朝着日出方向至少10分钟，以采集日出前的亮光、霞光，并在日出时刻开始追日运动；

2)采光面板在日落时刻停止追日运动，但仍然正面朝着日落方向至少10分钟，以采集日落后的亮光、霞光；

3)地面覆雪但不出太阳时，采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角小于等于60°，以便采光面板采集雪面光；

4)阴、雨和雪天中又出现太阳时，采光面板由停动状态，自动搜索到太阳光进行追日运动，以便采光面板不失时机采集太阳光；

5)刮台风时，采光面板自动停动或由正进行的追日运动转为停动，采光面板的边侧朝向风来方向，以避免追日系统受损；

6)下冰雹或大沙尘时，采光面板自动停动，采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角小于等于60°，以避免采光面板面与冰雹或大沙尘正面相碰而受损及采光面板面上被覆盖过多沙尘；

7)下雨和/或雪时，采光面板自动停动，采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角小于等于60°，以避免采光面板面承受过多的冰雪或水而受损；

8)出现太阳但下雨时，采光面板自动进行追日运动，以便采光面板不失时机采集太阳光；

9)在阴天、非太阳光照期间或非光面板回位期间(追日时除外)，采光面板自动停动，以节约追日系统的驱动能量；

10)采光面板故障、其中太阳能电池故障和/或面板表面污渍程度自动检测，以便及时排除故障或清除污渍，使采光面板最大程度地采集太阳光。

本发明涉及的太阳跟踪机构包括三维(三轴)太阳跟踪机构，二维(双轴)太阳跟踪机构，例如：在一个驱动源驱动下同时进行朝阳方位、高度和赤纬的三维连动太阳跟踪机构；在一个驱动源驱动下同时进行朝阳方位和高度的二维连动及由另一个驱动源驱动进行赤纬的组合式三维太阳跟踪机构；在三个驱动源驱动下独自进行朝阳方位、高度和赤纬的三维太阳跟踪机构；在一个驱动源驱动下同时进行朝阳方位和高度的二维连动太阳跟踪机构；在二个驱动源驱动下独自进行朝阳方位和高度的二维太阳跟踪机构。。

本发明涉及的监控装置包括温度探测元件，故障报警元件，光敏元件，光电探测器，风速风向检测仪，冰雹撞击仪或瞬时测重仪。所有这些探测元器件/仪可以部分或全部安装在采光面板表面上、太阳跟踪机构中/上或太阳跟踪机构附近。较好地是，温度探测元件，光敏元件，光电探测器安装在采光面板表面上。

控制装置包括微处理器，实时时钟，信号处理器，电源，电源电路或功能控制电路。

电机包括恒速电机，变速电机，换向电机，伺服电机或步进电机。

本发明涉及的高精确智能化追日系统的控制方法包括：

1)通过人机界面单元至少给定采光面板所在地的经纬度，由控制装置按照公知的天文学中理论或修正的日出及日落时刻计算公式确定采光面板所在地、采光面板追日运动开始日的日出、日落时刻或太阳光照时长(时间)，并在控制装置控制下，由电机直接或通过减速机构驱动采光面板方位变化的调节机构，使采光面板在日出前已正面朝着日出方向至少10分钟，在日出时刻开始追日运动，在日落时刻停止追日运动，停止追日运动后，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向；日出及日落的时间还可以借由跟踪太阳的轨迹而计算得到；

2)由控制装置根据温度探测元件实时反馈的采光面板表面或其它物体表面下流的水温或下落的物体温度，判断正在下雨、下小雪、下大雪还是雨雪并下，若在下雨和/或雪，则控制采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角成小于等于60°后自动停动；若在下大雪，也控制采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角成小于等于60°后自动停动；若在下雨和/或雪中出现太阳时，光敏元件或光电探测器实时反馈的照度值告诉控制装置出现了太阳，则控制装置根据光敏元件搜索到的太阳光方位值，进行运算、比较和发出指令，使由电机直接或通过减速机构驱动采光面板方位变化的调节机构执行机构动作，驱使机械部分推动采光面板由停动状态开始旋转，调整偏差，保证采光面板面正对太阳进行追日运动，直至日落时刻停止追日运动，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向；其中，可根据采光面板所在地的气候寒暖程度来设定判断是下雨、下小雪、下大雪还是雨雪并下时的下流物的温度值，一般，当下流水温或下落物体温度大于约5度时，可令控制装置判断成在下雨，当下流水温或下落物体温度小于约-1度时，可令控制装置判断成在下大雪，当下流水温或下落物体温度约在-1至2度时，可令控制装置判断成在下小雪，当下流水温或下落物体温度约在0至5度时，可令控制装置判断成在下雨雪；一般，仅在冬季才启动下雪判断机能；

3)由控制装置根据光敏元件实时反馈的照度值，判断追日系统是否正处于非太阳光照或阴天中，若是，则控制采光面板回位、正面朝着次日日出方向后自动停动，若光敏元件或光电探测器实时反馈的照度值告诉控制装置又出现了太阳，则控制装置根据光敏元件搜索到的太阳光方位值，使采光面板面正对太阳进行追日运动，直至日落时刻停止追日运动，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向；一般，晴天的照度值约为30000～300000lux，日出日落的照度值约为300lux，阴天可定义为：天空阴暗，密布云层，或天空虽有云隙而仍感到阴暗(中、低云总云量在8/10及以上)，阳光很少或不能透过云层，偶尔从云缝中可见到微弱阳光的天气现象，阴天的照度值约为1000～3000lux；但为了使采光面板获得较多的光量，可在500～2000lux间取值为判断阴天的照度值；

4)由控制装置根据风速风向检测仪实时反馈的风速，判断追日系统是否正处于刮台风时，当风力达到8级或预定级数时，则按风向检测仪指示的风向信号，控制采光面板的边侧朝向风来方向，然后停动，当再次日出时或当采光面板回位后使采光面板再进行追日运动，直至日落时刻停止追日运动，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向；一般，台风的风力在8级或以上，可设定台风的风力为8级，但为了更好地保护采光面板/追日系统，可设定当风力达到6级时即令采光面板按风力达到了台风级时的规定而动作，风向检测范围应定为0～360°；

5)由控制装置根据冰雹撞击仪或瞬时测重仪实时反馈的安置在采光面板表面或其附近的冰雹撞击仪或瞬时测重仪表面上降落物体的重量或撞击值转换成的电子信号，经信号处理器等判断追日系统是否正处于下冰雹或大沙尘时，若是，则控制采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角成小于等于60°后自动停动；当重量或撞击值在一定时间单位内为零或接近零时，则判断追日系统不处于下冰雹或大沙尘时，此时，若光敏元件或光电探测器实时反馈的照度值告诉控制装置出现了太阳，则控制装置根据光敏元件搜索到的太阳光方位值，进行运算、比较和发出指令，使机电机构执行机构动作，驱使机械部分推动采光面板由停动状态开始旋转，调整偏差，保证采光面板面正对太阳进行追日运动，直至日落时刻停止追日运动，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向；一般，可以设定重量或撞击值为零或接近零时为判断追日系统不处于下冰雹或大沙尘时的判断值、大于约3kg/m²的取值作为判断追日系统处于下冰雹时的判断值、在接近零至约2kg/m²间的取值作为判断追日系统处于下大沙尘时的判断值；通常仅在冬季才启动下冰雹判断机能；

6)由控制装置根据系统实时反馈的I-V特性值或电压值，进行运算、比较有源电阻新值与旧值，来判断采光面板表面污渍程度，给出警示；和/或

7)由控制装置根据系统实时反馈的电流或电压值，进行运算、比较，通过断电、电压值变化判断采光面板故障或采光面板中太阳能电池故障，并指令故障报警元件报警。

本发明涉及的高精确智能化追日系统的控制方法进而包括通过人工根据气象预报提前输入数据或实时手动操作来实现如权利要求1中所述的系统功能中的一种、多种或全部。

附图说明

图1是本发明所涉及的高精确智能化追日系统中太阳跟踪机构相关夹角示意图。

图2是本发明所涉及的高精确智能化追日系统及其控制方法的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步说明本发明，但本发明并不限于在实施方式说明范围内。

如图1和图2所示，本发明实施例中追日系统包括：采光面板(1)，采光面板的支撑主柱(2)，支撑主柱之中心线(3)，监控装置(4)，控制装置(5)，人机界面单元(6)，电机(7)，光面板方位变化的调节机构(8)。

实施例1

本发明实施例(参照图1和图2)：如图1和图2所示的本发明涉及的高精确智能化追日系统包括采光面板(1)，采光面板的支撑主柱(2)，支撑主柱之中心线(3)，监控装置(4)，控制装置(5)，人机界面单元(6)，电机(7)，采光面板方位变化的调节机构(8)。

如图2所示，安装好高精确智能化追日系统，通过人机界面单元(6)至少给定追日系统即采光面板(1)所在地的经纬度，由控制装置(5)按照公知的天文学中理论或修正的日出及日落时刻计算公式确定采光面板(1)所在地、采光面板(1)追日运动开始日的日出、日落时刻或太阳光照时长(时间)，并在控制装置(5)控制下，由电机(7)直接驱动采光面板(1)方位变化的调节机构，使采光面板(1)在日出前已正面朝着日出方向(未图示)至少10分钟，在日出时刻开始追日运动，在日落时刻停止追日运动，停止追日运动后，使采光面板(1)仍然面朝日落方向(未图示)至少10分钟，然后使采光面板(1)回位、正面朝着次日日出方向(未图示)。

实施例2

参照图1和图2：当监控装置(4)中的风速风向检测仪(未图示)探测到风力为7级时，并实时反馈给控制装置(5)，由此控制装置(5)判断正在刮大风，并指令电机(7)驱动采光面板(1)方位变化的调节机构(8)执行机构动作，驱使机械部分推动采光面板(1)按风向检测仪(未图示)指示的风向信号，控制采光面板(1)的边侧朝向风来方向，然后停动。

实施例3

参照图1和图2：某日，上午10点，监控装置(4)中的温度探测元件(未图示)探测到采光面板(1)表面上正下流的水温为约7度时，并实时反馈给控制装置(5)，由此控制装置(5)判断正在下雨，并指令电机(7)直接驱动采光面板(1)方位变化的调节机构(8)执行机构动作，驱使机械部分推动采光面板(1)由旋转状态至采光面板(1)面与其支撑主柱(2)之中心线(3)的夹角成小于等于60°后自动停动。

实施例4

参照图1和图2：某下雪天，下午3点，监控装置(4)中的光敏元件(未图示)探测到照度值达到35000lux，并实时反馈给控制装置(5)，由此控制装置(5)判断出现了太阳，并根据光敏元件(未图示)搜索到的太阳光方位值，进行运算、比较，指令电机(7)直接驱动采光面板(1)方位变化的调节机构(8)执行机构动作，驱使机械部分推动采光面板(1)由停动状态(采光面板(1)面与其支撑主柱(2)之中心线(3)的夹角成小于等于60°)，开始旋转，调整偏差，保证采光面板(1)面正对太阳进行追日运动，直至日落时刻停止追日运动，使采光面板(1)仍然面朝日落方向(未图示)至少10分钟，然后使采光面板(1)回位、正面朝着次日日出方向(未图示)。

Claims (6)

1.实施高精确智能化追日系统的控制方法，该高精确智能化追日系统包括一个或多个带有太阳跟踪机构的采光面板，监控装置，控制装置，人机界面单元，采光面板方位变化的调节机构，电机和减速机构，其特征在于：在控制装置控制下，该系统至少具备下列功能中的一种、多种或全部： 

1)采光面板在每天日出之前已经正面朝着日出方向至少10分钟，并在日出时刻开始追日运动； 

2)采光面板在日落时刻停止追日运动，但仍然正面朝着日落方向至少10分钟； 

3)地面覆雪但不出太阳时，采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角小于等于60°； 

4)阴、雨和雪天中又出现太阳时，采光面板由停动状态，自动搜索到太阳光进行追日运动； 

5)刮台风时，采光面板自动停动或由正进行的追日运动转为停动，采光面板的边侧朝向风来方向； 

6)下冰雹或大沙尘时，采光面板自动停动，采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角小于等于60°； 

7)下雨和／或雪时，采光面板自动停动，采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角小于等于60°； 

8)出现太阳但下雨时，采光面板自动进行追日运动； 

9)在阴天、非太阳光照期间或非光面板回位期间，采光面板自动停动； 

10)采光面板故障、太阳能电池故障或面板表面污渍程度自动检测； 

实施该系统控制方法包括： 

1)通过人机界面单元至少给定采光面板所在地的经纬度，由控制装置按照公知的天文学中理论或修正的日出及日落时刻计算公式确定采光面板所在地、采光面板追日运动开始日的日出、日落时刻或太阳光照时长，并在控制装置控制下，由电机直接或通过减速机构驱动采光面板方位变化的调节机构，使采光面板在日出前已正面朝着日出方向至少10分钟，在日出时刻开始追日运动，在日落时刻停止追日运动，停止追日运动后，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向； 

2)由控制装置根据温度探测元件实时反馈的采光面板表面或其它物体表面下流的水温或下落的物体温度，判断正在下雨、下小雪、下大雪还是雨雪并下，若在下雨和／或雪，则控制采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角成小于等于60°后自动停动；若在下太雪，也控制采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角成小于等于60°后自动停动；若在下雨和／或雪中出现太阳时，光敏元件或光电探测器实时反馈的照度值告诉控制装置出现了太阳，则控制装置根据光敏元件搜索到的太阳光方位值，进行运算、比较和发出指令，使由电机直接或通过减速机构驱动采光面板方位变化的调节机构执行机构 动作，驱使机械部分推动采光面板由停动状态开始旋转，调整偏差，保证采光面板面正对太阳进行追日运动，直至日落时刻停止追日运动，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向； 

3)由控制装置根据光敏元件实时反馈的照度值，判断追日系统是否正处于非太阳光照或阴天中，若是，则控制采光面板回位、正面朝着次日日出方向后自动停动，若光敏元件或光电探测器实时反馈的照度值告诉控制装置又出现了太阳，则控制装置根据光敏元件搜索到的太阳光方位值，使采光面板面正对太阳进行追日运动，直至日落时刻停止追日运动，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向； 

4)由控制装置根据风速风向检测仪实时反馈的风速，判断追日系统是否正处于刮台风时，当风力达到8级或预定级数时，则按风向检测仪指示的风向信号，控制采光面板的边侧朝向风来方向，然后停动，当再次日出时或当采光面板回位后使采光面板再进行追日运动，直至日落时刻停止追日运动，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向； 

5)由控制装置根据冰雹撞击仪或瞬时测重仪实时反馈的安置在采光面板表面或其附近的冰雹撞击仪或瞬时测重仪表面上降落物体的重量或撞击值转换成的电子信号，经信号处理器判断追日系统是否正处于下冰雹或大沙尘时，若是，则控制采光面板面与其支撑主柱之中心线的夹角成小于等于60°后自动停动；当重量或撞击值在一定时间单位内为零或接近零时，则判断追日系统不处于下冰雹或大沙尘时，此时，若光敏元件或光电探测器实时反馈的照度值告诉控制装置出现了太阳，则控制装置根据光敏元件搜索到的太阳光方位值，进行运算、比较和发出指令，使机电机构执行机构动作，驱使机械部分推动采光面板由停动状态开始旋转，调整偏差，保证采光面板面正对太阳进行追日运动，直至日落时刻停止追日运动，使采光面板仍然面朝日落方向至少10分钟，然后使采光面板回位、正面朝着次日日出方向； 

6)由控制装置根据系统实时反馈的I-V特性值或电压值，进行运算、比较，判断采光面板表面污渍程度，给出警示；和

7)由控制装置根据系统实时反馈的电流或电压值，进行运算、比较，判断采光面板故障或采光面板中太阳能电池故障，并指令故障报警元件报警。 

2.根据权利要求1所述的实施高精确智能化追日系统的控制方法，其特征在于：所述的太阳跟踪机构包括三维太阳跟踪机构和二维太阳跟踪机构。 

3.根据权利要求1所述的实施高精确智能化追日系统的控制方法，其特征在于：所述的监控装置包括温度探测元件，故障报警元件，光敏元件，风速风向检测仪，冰雹撞击仪或瞬时测重仪。 

4.根据权利要求1所述的实施高精确智能化追日系统的控制方法，其特征在于：所述 的控制装置包括微处理器，实时时钟，信号处理器，电源，电源电路或功能控制电路。 

5.根据权利要求1所述的实施高精确智能化追日系统的控制方法，其特征在于：所述的电机包括恒速电机，变速电机，换向电机，伺服电机或步进电机。 

6.根据权利要求1所述的实施高精确智能化追日系统的控制方法，其特征在于：所述的方法进而包括通过人工根据气象预报提前输入数据或实时手动操作来实现如权利要求1中所述的系统功能中的一种、多种或全部。 

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