CN102541082A - 光伏式太阳能空调器、太阳能电池板角度控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光伏式太阳能空调器、太阳能电池板角度控制装置及方法，其中，太阳能电池板角度控制装置包括：步进电机；控制器，与步进电机的输入端连接；角度调节部件，控制信号输入端与步进电机的输出端连接，其上固定有太阳能电池板，其中，控制器获取太阳能电池板在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率，基于所获取的输出功率的最大值来控制步进电机的第一步进步数，使得太阳能电池板处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。由于太阳能电池板始终处于与输出功率的最大值相对应的角度位置，使太阳能电池板的转动角度可以随输出功率的变化而变化，因此提高了太阳能转化的效率。

Description

光伏式太阳能空调器、太阳能电池板角度控制装置及方法

技术领域

本发明涉及空气调节领域，尤其涉及一种光伏式太阳能空调器、太阳能电池板角度控制装置及方法。 

背景技术

随着太阳能利用技术的不断发展，将太阳能引入空调器的各种技术和方法也不断涌现。 

空调器中的太阳能利用方式主要有光伏式和集热式两种。光伏式空调器是将太阳能转化为电能，为空调器供电；而集热式是通过将太阳能转化为热能，从而降低压缩机输入功，或利用太阳能集热进行吸收式制冷。集热式具有利用太阳能效率较高的优点，但成本很高；光伏式制冷系统简单可靠，成本较低，但是存在太阳能转化效率较低的问题。 

发明内容

本发明旨在提供一种光伏式太阳能空调器、太阳能电池板角度控制装置及方法，以解决现有技术中的光伏式太阳能空调器太阳能转化效率较低的缺点。 

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能电池板角度控制装置，包括：步进电机；控制器，与步进电机的输入端连接；角度调节部件，控制信号输入端与步进电机的输出端连接，其上固定有太阳能电池板，其中，控制器获取太阳能电池板在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率，基于所获取的输出功率的最大值来控制步进电机的第一步进步数，使得太阳能电池板处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。 

进一步地，控制器还用于采集当前的太阳能电池板的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量，通过衰减量获得第二步进步数，按照第二步进步数，调节角度调节部件转动预定角度。 

进一步地，步进电机包括第一步进电机以及第二步进电机，角度调节部件包括水平角度调节部件以及垂直角度调节部件，其中，第一步进电机设置于第一方向；第二步进电机设置于与第一方向垂直的第二方向；水平角度调节部件与第一步进电机的输出端连接；垂直角度调节部件与第二步进电机的输出端连接；其中，控制器获取太阳能电池板在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率，基于所获取的输出功率的最大值来控制第一步进电机或第二步进电机的第一步进步数，使得太阳能电池板处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。 

进一步地，控制器还用于采集当前的太阳能电池板的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量，通过衰减量获得第一步进电机或第二步进电机的第二步进步数，按照第一步进电机或第二步进电机的第二步进步数，调节水平角度调节部件或者垂直角 度调节部件转动预定角度。 

根据本发明的另一方面，提供了一种光伏式太阳能空调器，包括上述太阳能电池板角度控制装置。 

进一步地，光伏式太阳能空调器还包括：电源管理模块，其中，电源管理模块判断太阳能电池板的输出功率大于空调器的功率时，由太阳能电池板为空调器供电；电源管理模块判断太阳能电池板的输出功率小于空调器的功率时，由交流市电与太阳能电池板同时为空调器供电。 

进一步地，光伏式太阳能空调器还包括直流变频压缩机。 

根据本发明的又一个方面，还提供了一种太阳能电池板角度控制方法，包括：控制器获取太阳能电池板在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率；基于所获取的输出功率的最大值来控制步进电机的第一步进步数，使得太阳能电池板处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。 

进一步地，控制方法还包括：采集当前的太阳能电池板的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量；通过衰减量计算步进电机的第二步进步数，按照第二步进步数，调节水平角度调节部件或垂直角度调节部件转动预定角度。 

应用本发明的技术方案，通过利用控制器获取太阳能电池板在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率，基于所获取的输出功率的最大值来控制步进电机的步进步数，使得太阳能电池板处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。由于太阳能电池板始终处于与输出功率的最大值相对应的角度位置，使太阳能电池板的转动角度可以随输出功率的变化而变化，因此提高了太阳能转化的效率。 

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。 

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 

图1示出了根据本发明实施例一的太阳能电池板角度控制装置的原理示意图； 

图2示出了根据本发明实施例二的太阳能电池板角度控制装置的原理示意图； 

图3示出了示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制方法的流程图； 

图4示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制方法初始化阶段的流程图； 

图5示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制方法模糊自动控制阶段的流程图； 

图6示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制方法复位阶段的流程图； 

图7示出了根据本发明实施例的光伏式太阳能空调器室外机侧视图； 

图8示出了根据本发明实施例的光伏式太阳能空调器的内部原理示意图；以及 

图9示出了根据本发明实施例的光伏式太阳能空调器的工作流程图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。 

图1示出了根据本实用新型实施例一的太阳能电池板角度控制装置的原理示意图。如图1所示，太阳能电池板角度控制装置包括：控制器21、步进电机22以及角度调节部件23，控制器21与步进电机22的输入端连接；角度调节部件23的控制信号输入端与步进电机22的输出端连接，其上固定有太阳能电池板24。 

其中，控制器21获取太阳能电池板24在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率，基于所获取的输出功率的最大值来获取与输出功率的最大值相对应的步进电机的第一步进步数，并使步进电机22按照第一步进步数驱动角度调节部件调节转动相应的角度，使得太阳能电池板24处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。 

在本实施例中，利用控制器21获取太阳能电池板24在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率，基于所获取的输出功率的最大值发送脉冲数至步进电机22，以控制步进电机22的步进步数，并控制与步进电机22连接的角度调节部件23转动相应的角度值，从而使得太阳能电池板24处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。由于太阳能电池板24始终处于与输出功率的最大值相对应的角度位置，使太阳能电池板24的转动角度可以随输出功率的变化而变化，因此提高了太阳能转化的效率。 

进一步地，为了减少控制的复杂性，当确定出初始的太阳能电池板24的位置后，控制器21采集当前的太阳能电池板24的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量，通过衰减量获得步进电机22的第二步进步数。步进电机22按照第二步进步数调节角度调节部件23转动预定角度。这样，就无需再次利用控制器21获取太阳能电池板24在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率。 

如果将本实施例中的太阳能电池板角度控制装置应用于光伏式太阳能空调器中，就可以提高光伏式太阳能空调器中太阳能转化效率，从而解决了光伏式太阳能空调器太阳能转化效率较低的缺点。 

同时，从图1中可以看出，为了有效利用太阳能并降低成本，可以使用太阳能电池板14为控制器21提供工作电源。 

图2示出了根据本实用新型实施例二的太阳能电池板角度控制装置的原理示意图。如图2所示，太阳能电池板角度控制装置的步进电机22包括第一步进电机221以及第二步进电机222，角度调节部件23包括水平角度调节部件231以及垂直角度调节部件232，其中，第一步进电机221设置于第一方向；第二步进电机222设置于与第一方向垂直的第二方向；水平角度调节部件231与第一步进电机221的输出端连接；垂直角度调节部件232与第二步进电机 222的输出端连接；其中，控制器21获取太阳能电池板24在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率，基于所获取的输出功率的最大值来获取与输出功率的最大值相对应的第一步进电机221或者第二步进电机222的第一步进步数，并使第一步进电机221或第二步进电机222按照第一步进步数驱动水平角度调节部件231或者水平调节部件232转动相应的角度，使得太阳能电池板24处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。 

即本实施例中的太阳能电池板角度控制装置可以实现两个方向上的调节。 

进一步地，本实施例中的控制器21还用于采集当前的太阳能电池板24的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量，通过衰减量获得第一步进电机221或第二步进电机222的第二步进步数，按照第一步进电机221或第二步进电机222的第二步进步数，调节水平角度调节部件231或者垂直角度调节部件232转动预定角度。 

下面结合图3至图6，并以具有水平调节部件以及垂直调节部件的太阳能电池板控制装置为例，来具体介绍太阳能电池板控制装置的角度控制方法。 

图3示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制方法的流程图。如图3所示，角度控制方法也可以视为包括初始化阶段S10、模糊自动控制阶段S20以及结束复位阶段S30。 

其中，在初始化阶段S10，主要利用控制器21获取太阳能电池板24在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率；并基于所获取的输出功率的最大值来控制步进电机22的步进步数，使得太阳能电池板处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。 

图4示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制方法初始化阶段的流程图。如图4所示，初始化阶段包括： 

S101，寻找最大功率水平角度。即太阳能电池板角度控制装置开始工作后，寻找当前太阳角度下的最大输出功率，首先垂直调节电机调整到与水平线呈45度位置固定不变，水平调节电机从与设备的正面法向呈-90度开始，对于空调器则为室外机正面法向-90度开始，每10秒钟顺时针转动10度，直到90度，记录每个角度的功率值并比较，找到最大功率值对应的水平角度值。 

S102，水平角度调节部件调整到功率最大角度。即找到最大功率值对应的角度值后，调节水平角度调节部件至此角度固定不变。 

S103，寻找最大功率垂直角度。以相同的方法，垂直调节电机从与水平线呈90度开始，每10秒钟顺时针转动10度，直到0度，记录每个角度的功率值并比较，找到最大功率值对应的垂直角度值。 

S104，垂直角度调节部件调整到功率最大角度。即找到最大功率值对应的角度值后，调节垂直角度调节部件至此角度固定不变。 

也就是在垂直方向以及水平方向上，分别获取太阳能电池板在水平面以及垂直平面下各个角度下的输出功率，根据太阳能电池板输出功率的最大值确定初始输出功率值，并根据初始输出功率值确定水平角度调节部件以及垂直角度调节部件的初始位置。 

本实施例中给出的获取太阳能电池板在水平面以及垂直平面下各个角度下的输出功率的方式仅为一个示意性的说明，其中的时间以及转动角度均可以根据太阳能电池板角度控制装置所应用的场合进行选择。 

为了减少控制复杂性，在确定出初始的太阳能电池板的位置后，初始化完成后，控制器开始实时监测太阳能电池板输出功率的变化，开始执行模糊自动控制阶段。即主要实现如下步骤：采集当前的太阳能电池板的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量；通过衰减量计算步进电机的第二步进步数，按照第二步进步数，调节水平角度调节部件或垂直角度调节部件转动预定角度。如，控制器可以将采集的当前的太阳能电池板的输出功率与所存储的当前时刻的前一个采样时刻的输出功率值进行比较，并计算出衰减值。 

图5示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制方法模糊自动控制阶段的流程图。如图5所示，将太阳能电池板当前时刻的输出功率P’与前一时刻的输出功率P进行比较，得出功率的差值ΔP以及功率差值变化率。即用于采集当前的太阳能电池板的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量。 

同时，将功率的差值ΔP以及功率差值变化率dΔP/dt作为输入变量代入隶属度函数进行模糊化处理，然后与模糊规则进行合并计算，得出控制量的模糊集合，并通过解模糊算法将控制量进行清晰化，交替输出水平角度调节步进电机或者垂直角度调节步进电机的转动步数，并根据调节水平调节部件的转动角度或者垂直调节部件的转动角度。并记录调整水平角度调节量或者垂直角度调节量后的输出功率P，以此作为最近一次记录的输出功率值。通过计算出的衰减量交替计算第一步进电机或第二步进电机步进步数，按照电机步进步数，调节水平角度调节部件或垂直角度调节部件转动预定角度。 

由于模糊控制属于智能控制的范畴，能够在一定程度上模拟人的思考过程，且模糊规则是通过多次人为调节实验总结出的操作经验进行制定的。因此用模糊控制算法能够很好的对太阳能电池板的角度进行调节，使之根据输出功率的变化实时调整角度，追踪太阳运行的轨迹，保持太阳能电池板始终处于阳光直射状态，大大提高了太阳能转化效率。 

图6示出了根据本发明实施例的太阳能电池板角度控制方法复位阶段的流程图。 

如图6所示，当太阳能电池板角度控制装置所在的设备，如空调器处于关机状态或进入夜间运行状态时，太阳能电池板角度控制装置开始进行复位。包括： 

S301，将垂直调节电机调整到与水平呈0度角位置。 

S302，将水平调节电机调整到与室外机正面法向呈0度角位置，等待下次启用太阳能电池板。 

在本发明的上述实施例中，太阳能电池板采用的是单晶硅片阵列板，光电转化效率较高，表面用钢化玻璃覆盖保护，并用铝合金边框加固，质量小，强度高。 

并且，在本发明的实施例中是以具有水平角度调节部件以及垂直角度调节部件的太阳能电池板角度控制装置为例说明角度控制方式。当太阳能电池板角度控制装置只具有一个方向的角度调节部件时，控制方式与两个方向的类似，相当于只控制垂直角度调节部件或者水平 角度调节部件。 

下面结合图7至图9详细说明根据本发明实施例的光伏式太阳能空调器的结构。 

图7示出了根据本发明实施例的光伏式太阳能空调器室外机侧视图。如图7所示，光伏式太阳能空调器包括太阳能电池板10、太阳能电池板角度控制装置20以及室外机30。其中，太阳能电池板10通过太阳能电池板角度控制装置20安装于空调器的室外机30上，实现了空调器与太阳能电池板的一体化。并且，可以将太阳能电池板24和空调器分开安装，提高了安装自由性。 

图8示出了根据本发明实施例的光伏式太阳能空调器的内部原理示意图。如图8所示，控制器包括电源管理模块401、太阳能电池板角度控制模块402以及空调器控制模块403。电源管理模块401与交流市电输入端501以及太阳能电池板的输出端502连接。 

如可以在空调器室的外机上设置两个电源接入口，一个为交流市电输入端501，一个与太阳能电池板的输出端502连接。 

电源正确接驳后，市电上电开机，此时启动电源管理模块401，首先监测太阳能电池板的输出电压和电流，将整机运行所需的功率值与太阳能电池板输出功率值进行比较，当整机运行所需的功率等于或低于太阳能电池板输出功率时，切断市电输入，完全由太阳能电源为空调器供电；当整机运行所需功率高于太阳能电池板输出功率时，优先使用太阳能电源，并启用市电输入，使市电输入功率与太阳能电源输入功率之和满足整机功率需求，维持整机正常远转。此过程为动态平衡过程，随着压缩机转速的变化以及运行工况的变化，整机运行所需功率值也在实时发生变化，电源管理模块能够通过自动控制，完成升降频等功率剧烈变化过程中电源的切换和调整，从而提高了太阳能的利用效率。

空调器控制模块403分别与压缩机601、风机电机602、电子膨胀阀603以及四通阀604等常规的空调器部件连接，用于控制空调器的正常运行。 

而太阳能电池板角度控制模块402与太阳能电池板角度控制装置20的水平调节部件201与垂直角度调节部件202连接，实现太阳能电池板的角度调节。具体的角度控制方法在前面已有详细介绍，在此不再赘述。 

在本实施例中，将电源管理模块401、太阳能电池板角度控制模块402以及空调器控制模块403集成在控制器中，即通过一个芯片实现电源管理、太阳能电池板角度控制以及空调器控制的功能。但也可以通过多个芯片分别实现电源管理、太阳能电池板角度控制以及空调器控制的功能，多个芯片形成一个控制器电路，从而便于功能的扩展。 

进一步地，本实施例中的光伏式太阳能空调器的直流变频压缩机，则太阳能板所产生的直流电不需要进行逆变，大大提高了太阳能利用效率。 

在本实施例中，光伏式空调器的电源管理模块401能够根据当前日照强度自动调节市电的输入，优先使用太阳能电源，当太阳能电源提供的电能不足时，则使用交流市电进行补充，最大限度的利用太阳能板产生的电能；所述太阳能电池板固定装置是具有角度自动调节功能的智能型设备。 

并且，太阳能电池板采用单晶硅片阵列板，光电转化效率较高，表面用钢化玻璃覆盖保护，并用铝合金边框加固，质量小，强度高，尺寸以空调器室外机的尺寸作为参考进行设计，能够与空调器室外机很好的配合，安装使用方便。 

图9示出了根据本发明实施例的光伏式太阳能空调器的工作流程图。如图9所示，光伏式太阳能空调器的工作流程包括： 

S401，判断太阳能输入电压是否大于10V。即判断太阳能电池板的输出电压是否大于10V。是则转至步骤S402，否则转至步骤S403。 

S402，太阳能电源输入开路，市电输入开路。即太阳能电池板与交流市电同时为光伏式太阳能空调器供电。 

S403，太阳能电源输入断路，市电输入开路。即仅使用交流市电同时为光伏式太阳能空调器供电。 

S404，每一秒钟检测一次太阳能输入电压是否大于10V。是则转至步骤S402，否则转至步骤S09。 

S405，空调按设定模式开始运行并计算所需功率。即按照用户的选择，空调器开始工作。 

S406，判断所需功率是否大于太阳能输入功率。是转至步骤S407，否则转至步骤S408。 

S407，空调按设定模式开始运行。 

S408，市电输入断路。即使用太阳能电池板的为光伏式太阳能空调器供电。 

S409，每1秒钟检测一次所需功率是否大于太阳能输入功率。是则转至步骤S410，否则转至步骤S408 

S410，空调按设定模式运行。 

即实时监测太阳能电池板的输出电压和电流，将整机运行所需的功率值与太阳能电池板输出功率值进行比较，当整机运行所需的功率等于或低于太阳能电池板输出功率时，切断市电输入，完全由太阳能电源为空调器供电；当整机运行所需功率高于太阳能电池板输出功率时，优先使用太阳能电源，并启用市电输入，使市电输入功率与太阳能电源输入功率之和满足整机功率需求，维持整机正常远转。 

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果： 

本发明实现了太阳能电池板与空调器的一体化，并通过对太阳能电池板角度的智能控制，提高了太阳光能的转化效率，在电源管理方面，能够将太阳能电池板产生的直流电直接引入空调器，无需进行逆变处理，并能够优先使用太阳能电源，提高了太阳能电源的利用效率。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种太阳能电池板角度控制装置，其特征在于，包括：

步进电机；

控制器，与所述步进电机的输入端连接；

角度调节部件，控制信号输入端与所述步进电机的输出端连接，其上固定有所述太阳能电池板，

其中，所述控制器获取所述太阳能电池板在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率，基于所获取的输出功率的最大值来控制所述步进电机的第一步进步数，使得所述太阳能电池板处于与所述输出功率的最大值相对应的角度位置。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池板角度控制装置，其特征在于，所述控制器还用于采集当前的所述太阳能电池板的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量，通过所述衰减量获得第二步进步数，按照所述第二步进步数，调节所述角度调节部件转动预定角度。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池板角度控制装置，其特征在于，所述步进电机包括第一步进电机以及第二步进电机，所述角度调节部件包括水平角度调节部件以及垂直角度调节部件，其中，

所述第一步进电机设置于第一方向；

所述第二步进电机设置于与所述第一方向垂直的第二方向；

所述水平角度调节部件与所述第一步进电机的输出端连接；

所述垂直角度调节部件与所述第二步进电机的输出端连接；

其中，所述控制器获取所述太阳能电池板在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率，基于所获取的输出功率的最大值来控制第一步进电机或第二步进电机的所述第一步进步数，使得所述太阳能电池板处于与所述输出功率的最大值相对应的角度位置。

4.根据权利要求3所述的太阳能电池板角度控制装置，其特征在于，所述控制器还用于采集当前的所述太阳能电池板的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量，通过衰减量获得第一步进电机或第二步进电机的第二步进步数，按照所述第一步进电机或第二步进电机的第二步进步数，调节所述水平角度调节部件或者所述垂直角度调节部件转动预定角度。

5.一种光伏式太阳能空调器，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池板角度控制装置。

6.根据权利要求5所述的光伏式太阳能空调器，其特征在于，所述光伏式太阳能空调器还包括：

电源管理模块，

其中，所述电源管理模块判断所述太阳能电池板的输出功率大于所述空调器的功率时，由所述太阳能电池板为所述空调器供电；

所述电源管理模块判断所述太阳能电池板的输出功率小于所述空调器的功率时，由交流市电与所述太阳能电池板同时为所述空调器供电。

7.根据权利要求5或6所述的光伏式太阳能空调器，其特征在于，所述光伏式太阳能空调器还包括直流变频压缩机。

8.一种太阳能电池板角度控制方法，其特征在于，包括：

控制器获取太阳能电池板在预定角度范围内的各个预定角度下的输出功率；

基于所获取的输出功率的最大值来控制步进电机的第一步进步数，使得太阳能电池板处于与输出功率的最大值相对应的角度位置。

9.根据权利要求8所述的太阳能电池板角度控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

采集当前的所述太阳能电池板的输出功率值与最近一次记录的输出功率值，运算出功率的衰减量；

通过所述衰减量计算步进电机的第二步进步数，按照所述第二步进步数，调节所述水平角度调节部件或垂直角度调节部件转动预定角度。

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