CN102447422A

CN102447422A - 一种光伏阵列最大功率点跟踪随动系统及控制方法

Info

Publication number: CN102447422A
Application number: CN2010105029370A
Authority: CN
Inventors: 杨建中
Original assignee: SHANGHAI YUEJIA ENERGY TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHANGHAI YUEJIA ENERGY TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2010-10-11
Filing date: 2010-10-11
Publication date: 2012-05-09

Abstract

本发明公开了一种光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，包括分别与单片机控制系统连接的时钟电路、双轴机械跟踪定位系统以及光电检测装置，其中，所述双轴机械跟踪定位系统包括连接电池板支架的第一跟踪部件以及第二跟踪部件，所述电池板以及光电检测装置设置在电池板支架上面，并且，所述单片机控制系统分别控制并驱动第一跟踪部件以及第二跟踪部件，带动上述电池板以及光电检测装置在垂直方向和水平方向上运动。本发明所采取的驱动系统是双轴主动式太阳随动系统，可实现各种天气状况下的太阳跟踪，精度较高，并能使太阳能电池板始终对准太阳，保持最大的发电效率。此外，本发明还公开了该系统的控制方法。

Description

一种光伏阵列最大功率点跟踪随动系统及控制方法

技术领域

本发明属于光伏控制系统，本发明涉及光伏系统最大功率点跟踪控制技术及方法。

背景技术

光伏发电是一种洁净无污染的可再生能源，发展前景非常广阔，光伏发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多光伏电池板阵列基本上都是固定的，未采用随动系统的光伏发电系统存在无法保持太阳光始终垂直于电池板的缺点，其最大功率跟踪（MPPT）只是采用纯算法控制来实现，光伏发电受自然条件及日照的影响比较大，没有充分利用太阳能资源，发电效率较低。

目前光伏发电系统的缺陷和不足之处，可归结为以下几个方面：

第一、光照强度随时间、天气等条件的变化差异很大，对系统发电量有很大的影响。现有的太阳能最大功率点跟踪（MPPT）控制技术多采用单纯的控制算法来实现，而光伏电池本身是固定的，从而使得光伏电池接收的太阳辐射度与太阳光入射角是被动的。使得系统发电量无法最大化。

第二、随动系统多采用单轴随动系统，跟踪效率低。

第三、已有的随动系统未对太阳辐射与环境亮度作比较校核，自动随动系统的准确性较低、可靠性较差，容易因季节变化而产生累积误差。

第四、已有的随动系统基本上采用被动式跟踪控制，即采用利用这两个独立的光传感器感测太阳辐射强度，并利用获得的两个信号差值对电池板的位置进行调整，直至太阳光直射太阳电池板。

被动式跟踪控制思路简单，控制器设计容易，但是一般的光敏传感器都具有较宽的感光角度，由于阳光的散射，使这种方式对太阳光角度的偏离并不敏感。另外，随动系统是安装在户外，光敏元件常被灰尘遮盖，将使光敏元件感光能力减弱，导致系统动作迟钝，起始跟踪的偏差角度变大或者当两个光敏元件被污染的程度不同时，它们的输出将形成一个固有的偏差，这将导致太阳电池板无法准确跟踪太阳位置。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提高太阳能利用率，本发明设计了一种结构简单、成本低廉、免维护、具广泛应用价值的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，可实现各种天气状况下的太阳跟踪，精度较高，并能使太阳能电池板始终对准太阳，保持最大的发电效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下面所描述：

一种光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，包括分别与单片机控制系统连接的时钟电路、双轴机械跟踪定位系统以及光电检测装置，其中，所述双轴机械跟踪定位系统包括连接电池板支架的第一跟踪部件以及第二跟踪部件，所述电池板以及光电检测装置设置在电池板支架上面，并且，所述单片机控制系统分别控制并驱动第一跟踪部件以及第二跟踪部件，带动上述电池板以及光电检测装置在垂直方向和水平方向上运动。

进一步地，优选的结构是，所述光电检测装置包括光电光敏传感器以及光电编码电路，并且，所述光电光敏传感器和电池板面互相平行。

进一步地，优选的结构是，所述第一跟踪部件包括第一电动马达与电动推杆，所述第二跟踪部件包括第二电动马达和回转驱动系统，并且，第一跟踪部件控制电池板在垂直方向上0~90??运动，第二跟踪部件控制电池板在水平面上360??旋转。

进一步地，优选的结构是，所述第一电动马达与第二电动马达连接单片机控制系统，并且，在第一电动马达、第二电动马达与单片机控制系统之间设置有马达驱动器。

进一步地，优选的结构是，所述第一电动马达与电动推杆之间以及第二电动马达和回转驱动系统之间都分别设置有减速机构。

进一步地，优选的结构是，所述减速机构为涡轮减速机构或者行星减速器。

进一步地，优选的结构是，所述回转驱动机构包括转动轴、在转动轴上固定的大齿轮以及小齿轮，第二电动马达通过行星减速机构、联轴机构与上述齿轮连接。

进一步地，优选的结构是，还设置有限位机构，所述限位机构限制双轴机械跟踪定位系统的极限位置，并在双轴机械跟踪定位系统到达极限位置的时候，输送信号给上述单片机控制系统。

此外，本发明还公开了一种光伏阵列最大功率点跟踪随动系统的控制方法，包括下列步骤：（a）通过太阳视日运动轨迹跟踪，将系统带入一个预定的足够小的范围内，再启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪;（b）开机后光电检测电路检测白天还是黑夜；当检测为黑夜时系统停止运行；若检测为白天，系统进行初始化；（c）初始化完成后进入视日运动轨迹跟踪，使其到达光电跟踪的视场范围内，再根据光电传感器的检测结果启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪。

进一步地，优选的方法是，所述跟踪是采取主动跟踪的形式，并且，所跟踪的两个参数是太阳高度角以及太阳方位角。

本发明在采取了上述技术方案的有益效果如下面所描述：

第一，本发明采用主动式跟踪控制方法，避免被动式跟踪系统的缺陷，通过跟踪太阳高度角以及太阳方位角的方式，能够充分地使得太阳光入射角增大，从而使得光伏电池接收辐射能增加，进而光伏电池最大输出功率增加。

第二，本发明所采取的驱动系统是双轴主动式太阳随动系统，可实现各种天气状况下的太阳跟踪，精度较高，并能使太阳能电池板始终对准太阳，保持最大的发电效率。

第三，本发明公开的控制方法，能够自动检测昼夜，并应用了主动式跟踪控制方法，使得该自动随动系统的准确性高、可靠性强，在晴天检测过程中能实时读取正确的时间和角度数据，消除因季节变化而产生的积累误差。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是本发明光伏阵列最大功率点跟踪随动系统的结构框图；

图2是本发明光伏阵列最大功率点跟踪随动系统的第一跟踪部件示意图；

图3是本发明光伏阵列最大功率点跟踪随动系统的第二跟踪部件示意图。

图4是本发明光伏阵列最大功率点跟踪随动系统的控制方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

图1是本发明光伏阵列最大功率点跟踪随动系统的结构框图。

如图所示，本发明公开的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，包括分别与单片机控制系统连接的时钟电路、双轴机械跟踪定位系统23以及光电检测装置，其中，所述双轴机械跟踪定位系统23包括连接电池板支架16的第一跟踪部件21以及第二跟踪部件22，电池板以及光电检测装置设置在电池板支架16上面，并且，单片机控制系统（例如，PLC或MCU控制器1）分别控制并驱动第一跟踪部件21以及第二跟踪部件22，带动上述电池板以及光电检测装置在垂直方向和水平方向上运动。

图2是本发明光伏阵列最大功率点跟踪随动系统的第一跟踪部件示意图。如图1、图2所示，第一跟踪部件21包括第一电动马达4以及电动推杆18，电动推杆18包括推杆9、丝杆7以及轴承及轴承座6、连接杆10以及推杆内管8，上述推杆9能够在推杆内管8之中实现前后移动，并且，在连接杆10的一端连接有接杆11，上述接杆11又与放置有电池板以及光电检测装置的电池板支架16连接在一起。

并且，由于电动推杆6的不断前后移动，可以带动电池板在0~90??的垂直方向上进行活动。

另外，为了缓冲第一电动马达4对电动推杆18之间的动力，在第一电动马达4和轴承及轴承座6之间设置有涡轮减速机构5，通过轴承及轴承座6，使摩擦力减小，以降低调整太阳高度角的第一电动马达4的调整功率；并且，通过涡轮减速机构5，进行一定的转速比调整，能够达到降低第一电动马达4的调整功率的技术效果。

如图1、图3所示，第二跟踪部件22，具体包括第二电动马达3以及回转驱动机构19，并且，回转驱动机构19包括大齿轮13以及小齿轮14，并且，还包括有转动轴12，其中，转动轴12连接电池板支架16，并且，通过转动轴12的转动，实现电池板在水平方向上的360°旋转，借此，实现在太阳水平角方向上的采集。

并且，转动轴12上固定的大齿轮13以及小齿轮14形成一个齿轮减速机构，并且，在第二电动马达3与小齿轮14之间设置有行星减速器15，上述第二电动马达3可通过行星减速器15以及联轴机构与转动轴连接，并同时，通过行星减速器15与齿轮减速机构控制第二电动马达3的调整功率。

继续对上述机构进行描述，光电检测装置包括光电光敏传感器24以及光电编码电路，并且，光电光敏传感器24和电池板面互相平行，一般地，太阳的高度角和方位角的跟踪太阳都是采用光电光敏传感器24和光电编码方式进行采集和处理的，上述数据又可以输送到单片机控制系统（单片机控制器1）之中去，以便于下一步的操作。

时钟电路包括一个电子时钟2，其连接上述单片机控制器1，并且，电子时钟2输送时间数据给单片机控制器1，借此，能够较好地控制该系统的运转以及对太阳光能量的采集与处理。

另外，在本发明系统中还设置有一个限位机构（例如，限位开关20），该限位开关20限制上述双轴机械跟踪定位系统23的（第一跟踪部件21和第二跟踪部件22）的极限位置，在双轴机械跟踪定位系统23达到极限位置时把信号送由单片机进行判断，从而能起到检测保护作用。并且，上述单片机送出方位角和高度角电机的正反转控制信号，经控制驱动电路分别驱动方位角和高度角这两个电动马达，这样就构成了方位角和高度角的第一和第二跟踪机构。

下面对上述光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）随动系统及控制方法原理进行一个简单的描述：

首先，光伏电池接收的太阳辐射度与太阳光入射角（太阳光与光伏电池平面的夹角）有关，入射角增加，光伏电池接收辐射能增加，进而光伏电池最大输出功率增加。在光伏发电系统中，使用太阳能跟踪器，使得太阳光入射角增大，进而光伏电池最大输出功率增大，提高光伏发电系统发电量。

其次，光伏电池方阵随动系统采用地平坐标系，地平坐标随动系统以地平面为参照系，跟踪的是两个参数：太阳高度角（太阳射线与地平面的夹角）和太阳方位角（太阳射线在地面上的投影与正南方向的夹角）。

再次，本发明采用主动式跟踪控制方法，避免被动式跟踪系统的缺陷。

一般地，首先，控制器1从电子时钟2中读取当前时间，根据已设定好的经度、纬度等地理参数，计算出当前太阳位置。

然后控制器1根据当前太阳的位置，向马达驱动器17发出驱动信号，驱动电机经过减速机构等机械装置，分别驱动电动推杆18和回转驱动机构19，带动太阳电池板移动旋转到特定位置，最后，通过光电旋转编码器测量太阳电池板的位置并反馈给控制器1。

控制器1将反馈回来的太阳电池位置与所计算得出的太阳位置相比较，当二者相吻合时，控制结束，反之，继续驱动电机，直至到达目标位置。

主动式跟踪方式避免了被动式跟踪方式出现的一系列问题，能够准确地跟踪太阳位置。

其中，本发明实施例中，所述第一电动马达4和第二电动马达3可以选取三相异步电动机，马达驱动器17可以选取变频器。当然，上述机构如果有其他能够实现类似功能的部件，也可以替换为其他的电动元件。

另外，本发明在控制方法上，通过采用光电跟踪与太阳视日运动轨迹跟踪相结合的方法来可加强系统的稳定性，步骤如下：

S001：通过太阳视日运动轨迹跟踪，将系统带入一个预定的足够小的范围内，再启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪。

S002 ：开机后光电检测电路检测白天还是黑夜；当检测为黑夜时系统停止运行；若检测为白天，系统进行初始化。

S003 ：初始化完成后进入视日运动轨迹跟踪，使其到达光电跟踪的视场范围内，再根据光电传感器的检测结果启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪。

该随动系统晴天时按光电检测跟踪方式跟踪；阴天时系统自动转入视日运动轨迹跟踪方式继续跟踪；当阴天过后出现晴天时，系统又自动转入光电跟踪模式跟踪。这种主动式跟踪方式提高了光伏跟踪器的精度。

本太阳自动随动系统能自动检测昼夜，并应用了主动式跟踪控制方法，使得该自动随动系统的准确性高、可靠性强，在晴天检测过程中能实时回存正确的时间和角度数据，消除因季节变化而产生的积累误差。

在阴天时能自动转动到以前晴天时的位置。即使是在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常工作，提高光伏发电系统的利用效率。

而且可从电池板直接获取电能，而无需另外输入能量，本系统也可用于其它太阳能利用装置。

本发明的主要的技术效果总结如下：

第一，本发明设计的主动式光伏随动系统的结构设计合理，其成本与固定支架基本相当，但却可以有效提高发电量 20%-40%，是一条降低光伏发电成本的有效途径。

第二，本发明设计的随动控制机构能耗低，是一种较为理想的光伏二轴跟踪机构。随动系统的日均自耗电量小于系统发电量的 1% 。

第三，本发明设计的跟踪精度控制精度高，通过试验样机的运行，主动式双轴控制方法系统跟踪的实际误差在 0.3 度以内。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，其特征在于，包括分别与单片机控制系统连接的时钟电路、双轴机械跟踪定位系统以及光电检测装置，其中，所述双轴机械跟踪定位系统包括连接电池板支架的第一跟踪部件以及第二跟踪部件，一电池板以及所述光电检测装置设置在所述电池板支架上面，并且，所述单片机控制系统分别控制并驱动第一跟踪部件以及第二跟踪部件，带动所述电池板以及光电检测装置在垂直方向和水平方向上运动。

2.根据权利要求1所述的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，其特征在于，所述光电检测装置包括光电光敏传感器以及光电编码电路，并且，所述光电光敏传感器和电池板面互相平行。

3.根据权利要求2所述的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，其特征在于，所述第一跟踪部件包括第一电动马达与电动推杆，所述第二跟踪部件包括第二电动马达和回转驱动系统，并且，第一跟踪部件控制所述电池板在垂直方向上0~90°运动，第二跟踪部件控制所述电池板在水平面上360°旋转。

4.根据权利要求3所述的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，其特征在于，所述第一电动马达与第二电动马达连接单片机控制系统，并且，在第一电动马达、第二电动马达与单片机控制系统之间设置有马达驱动器。

5.根据权利要求4所述的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，其特征在于，所述第一电动马达与电动推杆之间、第二电动马达和回转驱动系统之间都分别设置有减速机构。

6.根据权利要求5所述的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，其特征在于，所述减速机构为涡轮减速机构或者行星减速器。

7.根据权利要求6所述的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，其特征在于，所述回转驱动机构包括转动轴、在转动轴上固定的大齿轮以及小齿轮，第二电动马达通过行星减速机构、联轴机构与上述齿轮连接。

8.根据权利要求1所述的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统，其特征在于，系统还设置有限位机构，所述限位机构限制双轴机械跟踪定位系统的极限位置，并在双轴机械跟踪定位系统到达极限位置的时候，输送信号给所述单片机控制系统。

9.一种如权利要求1至8任一权项所述的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：（a）通过太阳视日运动轨迹跟踪，将系统带入一个预定的足够小的范围内，再启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪;（b）开机后光电检测电路检测白天还是黑夜；当检测为黑夜时系统停止运行；若检测为白天，系统进行初始化；（c）初始化完成后进入视日运动轨迹跟踪，使其到达光电跟踪的视场范围内，再根据光电传感器的检测结果启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪。

10.根据权利要求9所述的光伏阵列最大功率点跟踪随动系统的控制方法，其特征在于，所述跟踪是采取主动跟踪的形式，并且，所跟踪的两个参数是太阳高度角以及太阳方位角。