CN102778894B - 太阳能电池组件支架的控制系统及方法 - Google Patents

太阳能电池组件支架的控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池组件支架的控制系统，包括：一控制器，分别与该控制器相连的一方位角计算器、一高度角计算器、一方位角检测装置和一高度角检测装置。本发明还公开了一种太阳能电池组件支架的控制方法。本发明的太阳能电池组件支架的控制系统能够控制该太阳能电池组件支架上设置的太阳能电池组件，使得该太阳能电池组件能够跟踪太阳的运动轨迹，并且该太阳能电池组件所在的平面与水平面的夹角可以任意调节，由此可以使得位于任意纬度的太阳能电池组件得以接收垂直入射的太阳光，从而充分利用太阳光的能量。

Description

太阳能电池组件支架的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池组件支架的控制系统及方法，特别是涉及一种实时跟踪太阳的太阳能电池组件支架的控制系统及方法。
背景技术
目前市场现有的太阳能电池组件支架的安装控制系统较为常见的是固定的无跟踪系统、单轴跟踪系统、聚焦式集热器跟踪装置和光电检测电路单片机控制系统。
其中，固定的无跟踪系统为了更好的获得采光量，需要将其朝着正南方向放置。除了正午的一段时间外，太阳能电池组件阵列不能改变的高度角，这使其在采光量上处于不利状态，甚至在早晨和傍晚时刻出现电池组件表面被自身阴影遮挡的情况。并且固定的无跟踪系统的结构最多也只能手动调节太阳能电池组件支架的高度角，而后就固定不动了，不能实现在支架平面内的转动。
而单轴跟踪系统只能实现东西方向的跟踪，不能自动调节太阳能电池组件支架与水平面的倾角以跟踪太阳高度角，而且单轴跟踪系统不能实现高精度跟踪。
另外，聚焦式集热器跟踪装置结构复杂，成本很高。而光电检测电路单片机控制系统由于光跟踪受外界干扰和天气环境影响而导致不稳定。如果在稍长时间内出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到光敏传感器上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至引起执行机构误动作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中太阳能电池组件支架固定不动使太阳光无法得到充分利用的缺陷，提供一种能实时跟踪太阳的运动轨迹、随着太阳高度角和方位角的变化来控制太阳能电池组件支架使得太阳光得以垂直入射至太阳能电池组件以充分利用太阳光线的太阳能电池组件支架的控制系统及方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种太阳能电池组件支架的控制系统，该太阳能电池组件支架包括一立柱以及与该立柱相连的支架本体，其特点在于，该太阳能电池组件支架还包括：一用于使该支架本体围绕该立柱在该支架本体所在的平面内转动的回旋机构；一用于使该支架本体上下摆动的俯仰机构，其中，该回旋机构与该立柱和该支架本体均相连，该俯仰机构与该支架本体相连，其中，该太阳能电池组件支架的控制系统包括：一控制器，分别与该控制器相连的一方位角计算器、一高度角计算器、一方位角检测装置和一高度角检测装置，其中，
该方位角计算器用于根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳方位角并将当前时刻的太阳方位角送入控制器；
该高度角计算器用于根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳高度角并将当前时刻的太阳高度角送入控制器；
该方位角检测装置用于检测当前时刻该回旋机构的实际位置并将该回旋机构的实际位置反馈至该控制器；
该高度角检测装置用于检测当前时刻该俯仰机构的实际位置并将该俯仰机构的实际位置反馈至该控制器；
该控制器用于接收来自该方位角计算器的当前时刻的太阳方位角和来自该高度角计算器的当前时刻的太阳高度角，并根据当前时刻的太阳方位角计算该回旋机构的理想位置以及根据当前时刻的太阳高度角计算该俯仰机构的理想位置，以及接收该方位角检测装置反馈的该回旋机构的实际位置和该高度角检测装置反馈的该俯仰机构的实际位置，以及比较该回旋机构的理想位置与实际位置的差值以获得该回旋机构的回旋差值和比较该俯仰机构的理想位置与实际位置的差值以获得该俯仰机构的俯仰差值，以及根据该回旋差值生成回旋控制信号以控制该回旋机构移动至理想位置和根据该俯仰差值生成俯仰控制信号以控制该俯仰机构移动至理想位置，
其中，该回旋机构和该俯仰机构分别与该控制器相连，该回旋机构与该方位角检测装置相连，该俯仰机构与该高度角检测装置相连。也就是说，本发明的太阳能电池组件支架的控制系统根据当地的当前时间、经度、纬度，通过控制器的自动计算，得到太阳在天球坐标系的轨迹，由此得出任意时刻太阳的高度角和方位角，然后控制回旋机构和/或俯仰机构来驱动太阳能电池组件支架来追踪太阳高度角和方位角，使得太阳光线得以始终垂直入射至太阳能电池组件。
优选地，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一输入装置，该输入装置用于将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器，和/或，设置时间间隔，并判断是否经过了该时间间隔，若是，将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器；若否，继续等待直至经过了该时间间隔。其中，该输入装置可以实时接收用户手动输入的当地的当前时间、经度和纬度并将该用户手动输入的当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器，该输入装置也可以读取用户事先存储于存储器中的当地的各个时间、经度和纬度，而后再由输入装置来选择某一时间以及经纬度的信息将其送入该方位角计算器和该高度角计算器。
下面具体介绍太阳高度角和方位角的计算，如下所示：
①由当地时间、经度和标准经度计算当地真太阳时S⊙：
S⊙＝S+{F-[B-(JD+JF/60)]*4}/60+Et/60
(其中，S表示当地时、F表示当地分、B表示授时线、JD表示经度、JF表示经分、Et表示真太阳时与平太阳时之差-时差)
②计算当时太阳时角：
τ＝(S⊙+F⊙/60-12)×15°
(其中，F⊙表示太阳分)
③计算太阳高度角h⊙：
sinh⊙＝sinδsinφ+cosδcosφcosτ
(其中，6表示赤纬角、φ表示当地纬度、τ表示太阳时角、h⊙表示太阳高度角)
④计算太阳方位角A：
cosA＝(sinh⊙sinφ-sinδ)/cosh⊙cosφ
在本发明中将计算太阳方位角和高度角的公式编写成程序直接调用计算结果，例如编写成FDB子程序，将复杂的天文计算公式编成子程序，然后由控制系统的主程序直接调用结果，提高了主程序的扫描速度。从而提高了控制的响应速度。编写成FDB功能块图程序，结构紧凑，更直观性地显示大大方便了数据的查询，利于在线监控和现场调试。
优选地，该控制器还用于判断是否接收到继续控制该太阳能电池组件支架的控制指令，若是，则控制器继续工作；若否，则控制器停止工作。用户可以自行选择需要启用该太阳能电池组件支架的控制系统的场合，例如在晴好天气，用户对控制器输入启用指令，控制器开始工作以控制回旋机构和/或俯仰机构来驱动太阳能电池组件支架来追踪太阳高度角和方位角，倘若遇上恶劣天气，用户关闭该太阳能电池组件支架的控制系统，即太阳能电池组件支架不追踪太阳高度角和方位角。
优选地，该方位角检测装置和/或该高度角检测装置为编码器，该编码器通过累计的脉冲计数反馈该回旋机构的实际位置和/或该俯仰机构的实际位置。编码器内置于该回旋机构和/或该俯仰机构，反馈的位置由该回旋机构和/或该俯仰机构的出厂参数和控制器对反馈通道所累积的脉冲数计算来得出。
优选地，累计的脉冲计数为AB相正反计数。即正转累加，反转累减，以便实现智能定位，即不论该回旋机构和/或该俯仰机构处于何位置，都可以直接运动到目标位置。此外，由于编码器通过该回旋机构和/或该俯仰机构内部滚珠丝杠的旋转带动其光栅盘的旋转使光通过光栅时让对侧的光感应元件产生导通或断开的动作，从而产生脉冲。当光栅盘静止在脉冲上升沿位置，有可能因为机械震荡使某光敏元件来回导通和断开产生误计数，因此在本发明中控制器采取AB两相两脉冲输入、四倍频脉冲高速计数处理有效地解决了此问题。即控制器对A相的上升沿和下降沿各记一次数，对B相的上升沿和下降沿也各记一次数。编码器反馈的A相和B相相位本身相差90度，A相先于B相为正转，反之则反转。正转时，控制器(例如PLC(数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器)或单片机)的计数对A相两脉冲之间必须出现B相两次计数才定义为有效脉冲计数；反转时同理。
优选地，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的风速传感器，该风速传感器用于检测风速是否大于等于阈值，若是，则控制器控制该俯仰机构动作以使该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行；若否，则该风速传感器继续检测风速。
优选地，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的光通量传感器，该光通量传感器用于检测光通量是否大于等于阈值，若是，该光通量传感器继续检测光通量；若否，则控制器停止工作。
优选地，该太阳能电池组件支架的支架本体还包括一横杆，该回旋机构还包括：
一位于该回旋机构顶部的主柱套头；
位于该回旋机构底部且与该立柱的顶部相连的蜗轮蜗杆，该蜗轮蜗杆与该主柱套头相连，
其中该蜗轮蜗杆驱动该主柱套头在水平面内转动，该支架本体的横杆穿设于该主柱套头中。由此控制蜗轮蜗杆水平回旋动作就能够追踪太阳方位角。
优选地，该太阳能电池组件支架的支架本体还包括一旋转挂臂，该俯仰机构还包括一推杆，其中该推杆包括一推杆本体以及一伸缩杆，该伸缩杆具有一套接于该推杆本体中的固定端以及一可伸缩的自由端，该伸缩杆的自由端与该旋转挂臂活动连接。除了推杆以外，俯仰机构还可以是一能竖直回旋的竖直蜗轮蜗杆，通过该竖直蜗轮蜗杆在竖直方向上的回旋来驱动太阳能电池组件的俯仰动作。具体来说，推杆的伸缩或竖直蜗轮蜗杆竖直回旋来驱动太阳能电池组件俯仰动作以追踪太阳高度角。
本发明还提供一种太阳能电池组件支架的控制方法，其特点在于，该控制方法采用如上所述的太阳能电池组件支架的控制系统，该控制方法包括以下步骤：
S1、该方位角计算器根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳方位角并将当前时刻的太阳方位角送入控制器；该高度角计算器根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳高度角并将当前时刻的太阳高度角送入控制器；
S2、该控制器接收来自该方位角计算器的当前时刻的太阳方位角和来自该高度角计算器的当前时刻的太阳高度角，并根据当前时刻的太阳方位角计算该回旋机构的理想位置以及根据当前时刻的太阳高度角计算该俯仰机构的理想位置；
S3、该方位角检测装置检测当前时刻该回旋机构的实际位置并将该回旋机构的实际位置反馈至该控制器；该高度角检测装置检测当前时刻该俯仰机构的实际位置并将该俯仰机构的实际位置反馈至该控制器；
S4、该控制器比较该回旋机构的理想位置与实际位置的差值以获得该回旋机构的回旋差值以及比较该俯仰机构的理想位置与实际位置的差值以获得该俯仰机构的俯仰差值；
S5、该控制器根据该回旋差值生成回旋控制信号以控制该回旋机构移动至理想位置以及根据该俯仰差值生成俯仰控制信号以控制该俯仰机构移动至理想位置。也就是说，本发明的太阳能电池组件支架的控制方法根据当地的当前时间、经度、纬度，通过控制器的自动计算，得到太阳在天球坐标系的轨迹，由此得出任意时刻太阳的高度角和方位角，然后控制回旋机构和/或俯仰机构来驱动太阳能电池组件支架来追踪太阳高度角和方位角，使得太阳光线得以始终垂直入射至太阳能电池组件。
优选地，步骤S1之前还包括以下步骤：
S0、将该太阳能电池组件支架置于初始位置，其中该初始位置为该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行的位置。当然，初始位置可以由用户根据自身所在的实际地理位置来确定，不局限于支架本体与水平面平行的位置。
优选地，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一输入装置，其中，步骤S0之后步骤S1之前还包括以下步骤：
SP、该输入装置将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器。其中，该输入装置可以实时接收用户手动输入的当地的当前时间、经度和纬度并将该用户手动输入的当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器，该输入装置也可以读取用户事先存储于存储器中的当地的各个时间、经度和纬度，而后再由输入装置来选择某一时间以及经纬度的信息将其送入该方位角计算器和该高度角计算器。例如，用户事先设定一时间间隔，每当经过该时间间隔后，输入装置将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器，随后该方位角计算器和该高度角计算器接收到当前时间、经度和纬度后根据当前时间、经度和纬度计算当前时间的太阳方位角和太阳高度角以进行后续流程。
优选地，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的风速传感器，其中，步骤S1之前还包括以下步骤：
该风速传感器检测风速是否大于等于阈值，若是，则控制器控制该俯仰机构动作以使该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行；若否，则该风速传感器继续检测风速。
优选地，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的光通量传感器，其中，步骤S1之前还包括以下步骤：
该光通量传感器检测光通量是否大于等于阈值，若是，该光通量传感器继续检测光通量；若否，则控制器停止工作。
优选地，步骤S5之后还包括以下步骤：
S6、是否接收到继续控制该太阳能电池组件支架的控制指令，若是，则返回步骤S1；若否，则控制器停止工作。用户可以自行选择需要启用该太阳能电池组件支架的控制系统的场合，例如在晴好天气，用户对控制器输入启用指令，控制器开始工作以控制回旋机构和/或俯仰机构来驱动太阳能电池组件支架来追踪太阳高度角和方位角，倘若遇上恶劣天气，用户关闭该太阳能电池组件支架的控制系统，即太阳能电池组件支架不追踪太阳高度角和方位角。
优选地，该方位角检测装置和/或该高度角检测装置为编码器，该编码器通过累计的脉冲计数反馈该回旋机构的实际位置和/或该俯仰机构的实际位置。
优选地，累计的脉冲计数为AB相正反计数。即正转累加，反转累减，以便实现智能定位，即不论该回旋机构和/或该俯仰机构处于何位置，都可以直接运动到目标位置。此外，由于编码器通过该回旋机构和/或该俯仰机构内部滚珠丝杠的旋转带动其光栅盘的旋转使光通过光栅时让对侧的光感应元件产生导通或断开的动作，从而产生脉冲。当光栅盘静止在脉冲上升沿位置，有可能因为机械震荡使某光敏元件来回导通和断开产生误计数，因此在本发明中控制器采取AB两相两脉冲输入、四倍频脉冲高速计数处理有效地解决了此问题。即控制器对A相的上升沿和下降沿各记一次数，对B相的上升沿和下降沿也各记一次数。编码器反馈的A相和B相相位本身相差90度，A相先于B相为正转，反之则反转。正转时，控制器(例如PLC(数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器)或单片机)的计数对A相两脉冲之间必须出现B相两次计数才定义为有效脉冲计数；反转时同理。
本发明的积极进步效果在于：
1、太阳能电池组件支架具有回旋机构和俯仰机构，由此该太阳能电池组件支架的控制系统得以控制该太阳能电池组件支架上设置的太阳能电池组件，使得该太阳能电池组件能够跟踪太阳的运动轨迹，并且该太阳能电池组件所在的平面与水平面的夹角可以任意调节，由此可以使得位于任意纬度的太阳能电池组件得以接收垂直入射的太阳光，从而充分利用太阳光的能量，这样随着一天内太阳位置的变化，本发明的太阳能电池组件支架的控制系统使得太阳能电池组件能够获得更多的采光量，提高发电效率，同时降低太阳能电池组件阵列的占地面积，节约施工成本。
2、在计算太阳方位角和太阳高度角的过程中，本发明的控制系统和方法将复杂的天文计算公式编成子程序，然后由控制的主程序直接调用结果，提高了主程序的扫描速度，从而提高了控制的响应速度。倘若选择将计算过程编写成FDB(MAC地址(硬件地址)转发表)功能块图程序，结构紧凑，更直观性地显示大大方便了数据的查询，利于在线监控和现场调试。
3、为了节省驱动控制系统的能源，每天到达日落时间和太阳光照的强度小于参考值时，该太阳能电池组件支架自动复位。由于编码器脉冲反馈的误差可能出现太阳落山之后驱动反转停止时，编码反馈为0脉冲的位置与初始位置实际相差一个或几个脉冲。为了消除误差，本发明的太阳能电池组件支架的控制系统在太阳能电池组件返回到初始位置时回旋机构和/或俯仰机构延时运动到底，并且设置延时运动时一定时间内无脉冲反馈则将脉冲置零，由此消除了编码器的累积误差。
附图说明
图1为本发明的太阳能电池组件支架的控制系统的结构框图。
图2为本发明的一实施例的太阳能电池组件支架的控制方法的流程图。
图3为本发明的另一实施例的太阳能电池组件支架的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
参考图1，太阳能电池组件支架的控制系统，其中该控制系统的控制对象为太阳能电池组件支架，该太阳能电池组件支架包括一立柱以及与该立柱相连的支架本体，以及：一用于使该支架本体围绕该立柱在该支架本体所在的平面内转动的回旋机构2；一用于使该支架本体上下摆动的俯仰机构3，其中，该回旋机构与该立柱和该支架本体均相连，该俯仰机构与该支架本体相连，其中，该太阳能电池组件支架的控制系统包括：一控制器1，分别与该控制器1相连的一方位角计算器4、一高度角计算器5、一方位角检测装置6和一高度角检测装置7，其中，
该方位角计算器4用于根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳方位角并将当前时刻的太阳方位角送入控制器1；
该高度角计算器5用于根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳高度角并将当前时刻的太阳高度角送入控制器1；
该方位角检测装置6用于检测当前时刻该回旋机构的实际位置并将该回旋机构的实际位置反馈至该控制器1；
该高度角检测装置7用于检测当前时刻该俯仰机构的实际位置并将该俯仰机构的实际位置反馈至该控制器1；
该控制器1用于接收来自该方位角计算器4的当前时刻的太阳方位角和来自该高度角计算器5的当前时刻的太阳高度角，并根据当前时刻的太阳方位角计算该回旋机构2的理想位置以及根据当前时刻的太阳高度角计算该俯仰机构3的理想位置，以及接收该方位角检测装置6反馈的该回旋机构2的实际位置和该高度角检测装置7反馈的该俯仰机构3的实际位置，以及比较该回旋机构2的理想位置与实际位置的差值以获得该回旋机构2的回旋差值和比较该俯仰机构3的理想位置与实际位置的差值以获得该俯仰机构3的俯仰差值，以及根据该回旋差值生成回旋控制信号以控制该回旋机构2移动至理想位置和根据该俯仰差值生成俯仰控制信号以控制该俯仰机构3移动至理想位置，
其中，该回旋机构2和该俯仰机构3分别与该控制器相连1，该回旋机构2与该方位角检测装置6相连，该俯仰机构3与该高度角检测装置7相连。
具体来说，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一输入装置8，该输入装置8用于将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器4和该高度角计算器5，和/或，设置时间间隔，并判断是否经过了该时间间隔，若是，将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器；若否，继续等待直至经过了该时间间隔。其中，该输入装置可以实时接收用户手动输入的当地的当前时间、经度和纬度并将该用户手动输入的当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器，该输入装置也可以读取用户事先存储于存储器中的当地的各个时间、经度和纬度，而后再由输入装置来选择某一时间以及经纬度的信息将其送入该方位角计算器和该高度角计算器。
进一步地，该控制器还用于判断是否接收到继续控制该太阳能电池组件支架的控制指令，若是，则控制器继续工作；若否，则控制器停止工作。
为了避免大风天气对太阳能电池组件支架可能造成的损坏，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的风速传感器，该风速传感器用于检测风速是否大于等于阈值，若是，则控制器控制该俯仰机构动作以使该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行；若否，则该风速传感器继续检测风速。
在遇上阴雨天气等光照不足的天气条件下，为了节省驱动该太阳能电池组件支架跟踪太阳运动轨迹的能源，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的光通量传感器，使得只有在光照程度大于一定阈值的情况下该太阳能电池组件支架的控制系统才开始工作，即该光通量传感器用于检测光通量是否大于等于阈值，若是，该光通量传感器继续检测光通量；若否，则控制器停止工作。
其中，具体来说，该方位角检测装置和/或该高度角检测装置为编码器，该编码器通过累计的脉冲计数反馈该回旋机构的实际位置和/或该俯仰机构的实际位置。为了避免机械振荡产生的误计数，累计的脉冲计数为AB相正反计数。
参考图2，本发明所述的太阳能电池组件支架的控制方法，采用如上所述的太阳能电池组件支架的控制系统，该控制方法包括以下步骤：
S1、该方位角计算器根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳方位角并将当前时刻的太阳方位角送入控制器；该高度角计算器根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳高度角并将当前时刻的太阳高度角送入控制器；
S2、该控制器接收来自该方位角计算器的当前时刻的太阳方位角和来自该高度角计算器的当前时刻的太阳高度角，并根据当前时刻的太阳方位角计算该回旋机构的理想位置以及根据当前时刻的太阳高度角计算该俯仰机构的理想位置；
S3、该方位角检测装置检测当前时刻该回旋机构的实际位置并将该回旋机构的实际位置反馈至该控制器；该高度角检测装置检测当前时刻该俯仰机构的实际位置并将该俯仰机构的实际位置反馈至该控制器；
S4、该控制器比较该回旋机构的理想位置与实际位置的差值以获得该回旋机构的回旋差值以及比较该俯仰机构的理想位置与实际位置的差值以获得该俯仰机构的俯仰差值；
S5、该控制器根据该回旋差值生成回旋控制信号以控制该回旋机构移动至理想位置以及根据该俯仰差值生成俯仰控制信号以控制该俯仰机构移动至理想位置。
进一步地，步骤S1之前还包括以下步骤：
S0、将该太阳能电池组件支架置于初始位置，其中该初始位置为该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行的位置。当然，初始位置可以由用户根据自身所在的实际地理位置来确定，不局限于支架本体与水平面平行的位置。
优选地，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一输入装置，其中，步骤S0之后步骤S1之前还包括以下步骤：
SP、该输入装置将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器。其中，该输入装置可以实时接收用户手动输入的当地的当前时间、经度和纬度并将该用户手动输入的当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器，该输入装置也可以读取用户事先存储于存储器中的当地的各个时间、经度和纬度，而后再由输入装置来选择某一时间以及经纬度的信息将其送入该方位角计算器和该高度角计算器。例如，用户事先设定一时间间隔，每当经过该时间间隔后，输入装置将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器，随后该方位角计算器和该高度角计算器接收到当前时间、经度和纬度后根据当前时间、经度和纬度计算当前时间的太阳方位角和太阳高度角以进行后续流程。
具体来说，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的风速传感器，其中，步骤S1之前还包括以下步骤：
该风速传感器检测风速是否大于等于阈值，若是，则控制器控制该俯仰机构动作以使该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行；若否，则该风速传感器继续检测风速。由此可以避免大风天气该太阳能电池组件支架受损的情况。
具体来说，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的光通量传感器，其中，步骤S1之前还包括以下步骤：
该光通量传感器检测光通量是否大于等于阈值，若是，该光通量传感器继续检测光通量；若否，则控制器停止工作。这样以避免了在阴雨天气等阳光不充足的情况下开启太阳能电池组件支架的控制系统从而浪费能源的情况。
其中，步骤S5之后还包括以下步骤：
S6、是否接收到继续控制该太阳能电池组件支架的控制指令，若是，则返回步骤S1；若否，则控制器停止工作。用户可以自行选择需要启用该太阳能电池组件支架的控制系统的场合，例如在晴好天气，用户对控制器输入启用指令，控制器开始工作以控制回旋机构和/或俯仰机构来驱动太阳能电池组件支架来追踪太阳高度角和方位角，倘若遇上恶劣天气，用户关闭该太阳能电池组件支架的控制系统，即太阳能电池组件支架不追踪太阳高度角和方位角。
其中，该方位角检测装置和/或该高度角检测装置为编码器，该编码器通过累计的脉冲计数反馈该回旋机构的实际位置和/或该俯仰机构的实际位置。
优选地，累计的脉冲计数为AB相正反计数。即正转累加，反转累减，以便实现智能定位，即不论该回旋机构和/或该俯仰机构处于何位置，都可以直接运动到目标位置。此外，由于编码器通过该回旋机构和/或该俯仰机构内部滚珠丝杠的旋转带动其光栅盘的旋转使光通过光栅时让对侧的光感应元件产生导通或断开的动作，从而产生脉冲。当光栅盘静止在脉冲上升沿位置，有可能因为机械震荡使某光敏元件来回导通和断开产生误计数，因此在本发明中控制器采取AB两相两脉冲输入、四倍频脉冲高速计数处理有效地解决了此问题。即控制器对A相的上升沿和下降沿各记一次数，对B相的上升沿和下降沿也各记一次数。编码器反馈的A相和B相相位本身相差90度，A相先于B相为正转，反之则反转。正转时，控制器(例如PLC(数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器)或单片机)的计数对A相两脉冲之间必须出现B相两次计数才定义为有效脉冲计数；反转时同理。
下面列举两种结构的太阳能电池组件支架，并结合该太阳能电池组件支架的具体结构详细说明本发明的控制系统和控制方法。
结构1：该太阳能电池组件支架的支架本体还包括一横杆，该回旋机构还包括：
一位于该回旋机构顶部的主柱套头；
位于该回旋机构底部且与该立柱的顶部相连的蜗轮蜗杆，该蜗轮蜗杆与该主柱套头相连，
其中该蜗轮蜗杆驱动该主柱套头在水平面内转动，该支架本体的横杆穿设于该主柱套头中。
同时，该太阳能电池组件支架的支架本体还包括一旋转挂臂，该俯仰机构还包括一推杆，其中该推杆包括一推杆本体以及一伸缩杆，该伸缩杆具有一套接于该推杆本体中的固定端以及一可伸缩的自由端，该伸缩杆的自由端与该旋转挂臂活动连接。
在结构1所述的情况中，通过蜗轮蜗杆的驱动使得太阳能电池组件支架的支架本体得以跟踪太阳方位角，通过推杆的伸缩杆的伸缩，可以太阳能电池组件支架的支架本体与水平面的倾角，从而使得太阳能电池组件支架的支架本体得以跟踪太阳高度角。
结构2：该回旋机构为一水平蜗轮蜗杆，该俯仰机构为一竖直蜗轮蜗杆，其中通过该水平蜗轮蜗杆的驱动使得太阳能电池组件支架的支架本体得以跟踪太阳方位角，通过该竖直蜗轮蜗杆的驱动使得太阳能电池组件支架的支架本体与水平面的倾角改变从而得以跟踪太阳高度角。
下面以结构1和内置于蜗轮蜗杆、伸缩杆中的编码器以及输入装置每个预设时间读取当地的当前时间为例，介绍本发明的的控制系统和控制方法。
步骤100，将该太阳能电池组件支架置于初始位置，其中该初始位置为该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行的位置。另外，对于方位角的位置判断，用户可以根据自身所处的位置自行设定，例如在本实施例中，初始位置是这样定义的：针对俯仰动作定位支架本体与水平面平行的位置为0度；针对水平回旋动作定位北半球则东偏北30度为0度，俯视为顺时针跟踪，南半球则东偏南30度为0度，俯视为逆时针跟踪太阳轨迹。上述定位的电气执行机构可以采用限位传感器，本领域技术人员还可采用其他定位装置实现初始位置的确定。
步骤101，用户输入当地的经度、纬度并设置时间间隔以及风速阈值和光通量阈值。
步骤102，光通量传感器判断光通量是否大于等于光通量阈值？若否，进入步骤103；若是，进入步骤104。
步骤103，不启用太阳能电池组件支架的实时跟踪功能并继续检测光通量，并返回步骤102。
步骤104，风速传感器判断风速是否大于等于风速阈值？若是，进入步骤105；若否，进入步骤106。
步骤105，不启用太阳能电池组件支架的实时跟踪功能并将支架本体置于与水平面平行的位置，以避免该太阳能电池组件支架在大风天气下受到损坏，并且继续检测风速，并且返回步骤104。
步骤106，开启控制系统启用太阳能电池组件支架的实时跟踪功能。
步骤107，输入装置将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器。
步骤108，该方位角计算器和该高度角计算器根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳方位角和太阳高度角并将当前时刻的太阳方位角和太阳高度角送入控制器。
步骤109，该控制器接收来自该方位角计算器的当前时刻的太阳方位角和来自该高度角计算器的当前时刻的太阳高度角，并根据当前时刻的太阳方位角计算该回旋机构的理想位置以及根据当前时刻的太阳高度角计算该俯仰机构的理想位置。
步骤110，该方位角检测装置检测当前时刻该回旋机构的实际位置并将该回旋机构的实际位置反馈至该控制器；该高度角检测装置检测当前时刻该俯仰机构的实际位置并将该俯仰机构的实际位置反馈至该控制器。
步骤111，该控制器比较该回旋机构的理想位置与实际位置的差值以获得该回旋机构的回旋差值以及比较该俯仰机构的理想位置与实际位置的差值以获得该俯仰机构的俯仰差值。
步骤112，该控制器根据该回旋差值生成回旋控制信号以控制该回旋机构移动至理想位置以及根据该俯仰差值生成俯仰控制信号以控制该俯仰机构移动至理想位置。例如，当某一时刻太阳高度角为60度，对于机构1而言，则通过推杆的伸长使太阳能电池组件支架的支架本体倾俯30度，以使太阳能电池组件所在平面垂直于入射的太阳光线；对于机构2而言，则通过竖直蜗轮蜗杆的旋转使太阳能电池组件倾俯30度。又或者，对于机构2而言，当某一时刻太阳方位角为-90度(方位角正南为0度，偏东为负，偏西为正)，于北半球，水平蜗轮蜗杆旋转使太阳能电池组件的朝向从初始位置顺时针旋转30度；于南半球，水平蜗轮蜗杆旋转使太阳能电池组件的朝向从初始位置逆时针旋转30度。
步骤113，控制器判断是否继续启用太阳能电池组件支架的实时跟踪功能？若是，进入步骤114；若否，进入步骤115。
步骤114，判断是否经过了预设时间间隔？若是，返回步骤102；若否，等待并继续判断是否经过了预设时间间隔。
步骤115，结束流程。
上述步骤101～105在实际中的具体实现是本领域的现有技术，并非本发明的发明点所在。
更进一步地说，高度角的跟踪对于机构1，先由某时刻的太阳高度角计算出太阳能电池组件从水平位置开始运动应该倾俯的角度，再将该所应倾俯的角度换算成推杆的伸缩杆应当伸缩的长度(例如通过余弦定理CosC＝(a2+b2-c2)/2ab将应该俯仰的角度换算为推杆应该伸长的行程)，然后与编码器反馈的位置进行比较，小于则正转，大于则反转，实行闭环控制。
编码器内置于推杆内部，反馈的位置由推杆的出厂参数和控制器对反馈通道所累积的脉冲数计算来得出。例如，出厂参数为600mm对应120000个脉冲，若控制器此刻累积脉冲为60000个，则推杆的伸缩杆伸长了300mm。
此处脉冲累积采取AB相正反计数，即正转累加，反转累减，以便实现智能定位，即不论推杆处于何位置，都可以直接运动到目标位置。否则在推杆伸长过程中需要反转一定距离时就只能先回到初始位置再重新计数。这对恶劣天气瞬间大风时系统保护使太阳能电池组件放平动作旋即又恢复的过程中的节能具有重要意义。另外也使系统跟踪的稳定性得到提高，为实现高精度的跟踪提供了可能性。
高度角的跟踪对于机构2，同上理，控制器先由太阳高度角计算出太阳能电池组件从水平位置开始运动应该倾俯的角度，再与竖直蜗轮蜗杆内置编码器反馈的实际角度位置进行比较来控制竖直蜗轮蜗杆的正反转。
此处编码器反馈的位置亦由该竖直蜗轮蜗杆的出厂参数和控制器对反馈通道所累积的脉冲数计算来得出。例如，出厂参数为360度对应120000个脉冲，若控制器此刻累积脉冲为60000个，则说明该竖直蜗轮蜗杆从初始位置旋转了180度。此处脉冲累积亦采取AB相正反计数。
方位角的跟踪同上理，控制器将由方位角计算出的应该水平回旋的角度与编码反馈的实际角度位置进行比较来控制蜗轮蜗杆的正反转。内置编码反馈的位置计算同机构2的高度角跟踪。脉冲累积亦采取AB相正反计数。
整个跟踪系统的定位位置计算，是以当地的格林威治时间和当地的经纬度为输入参数来计算得出的。即以一定的计算精度(例如一秒钟)自动计算一次跟踪位置，亦相当于每隔一秒钟控制器执行一次跟踪判断，同时控制器设置0.5的精度(实际的机械精度)控制驱动机构执行跟踪动作。由此，就解决了跟踪连续性的问题。相比由绘图软件计算每步的步长来控制，不仅大大提高了控制的精度，而且简化了编程，提高了扫描速度。
除此之外，还要注意累积误差的消除，例如在每天太阳到达日落时间和光照强度小于参考值时，太阳能电池组件支架会自动复位。由于编码器脉冲反馈的误差可能出现太阳落山之后驱动反转停止时，编码反馈为0脉冲的位置与初始位置实际相差一个或几个脉冲。所以当太阳能电池组件返回到初始位置时需要让推杆或竖直蜗轮蜗杆和水平蜗轮蜗杆延时反转到底，并且设置反转时一定时间内无脉冲反馈则将脉冲置零，以消除累积误差，进行初始复位。
另外，还需注意编码误反馈的处理。编码器通过涡轮或推杆内部滚珠丝杠的旋转带动其光栅盘的旋转使光通过光栅时让对侧的光感应元件产生导通或断开的动作，从而产生脉冲。当光栅盘静止在脉冲上升沿位置，有可能因为机械震荡使某光敏元件来回导通和断开产生误计数。
控制器采取AB两相两脉冲输入，四倍频脉冲高速计数处理有效地解决了此问题。即控制器对A相的上升沿和下降沿各记一次数，对B相的上升沿和下降沿也各记一次数。编码器反馈的A相和B相相位本身相差90度，A相先于B相为正转，反之则反转。正转时，PLC或单片机控制器的计数对A相两脉冲之间必须出现B相两次计数才定义为有效脉冲计数；反转时同理。
另外，在本发明中，零延时的定位控制，由于对高速运转的电机要实行精确定位，即使是毫秒级的控制误差也很大。如果不对程序进行处理，从内部控制到刷新输出至少要经过一个程序扫描周期的延时。
本程序采用中断处理，即在达到条件时中断程序扫描直接刷新输出。具体控制方式如下：
先设置控制器捕捉脉冲反馈的通道，当编码器反馈的脉冲数等于定位所需脉冲数时，主程序暂停扫描先执行中断程序，立即切断控制推杆和/或蜗轮蜗杆的电机电源。否则主程序从检测条件满足到执行动作需要推迟到下一个程序扫描周期。
另外，本发明中还加入了光感保护、风感保护和过温保护的单元。
对电池组件而言，必须达到一定的光通量才能有效的发电。所以本发明设计一光通量传感器，程序设定一个光通量阈值，当照度大于此阈值时，控制系统才能启动跟踪控制。这样就节省了驱动太阳能电池组件支架的回旋机构和/或俯仰机构的电力，特别是在早上、黄昏和雷雨天气。
对于风感保护而言，根据大气运动规律，风向基本在水平面。为了减小风阻，本发明设置了一风速传感器，程序设定风载阈值，当风速大于此阈值时，无论白天或黑夜系统快速将太阳能电池组件支架的支架本体放平。当风力小于保护风载一定时间后，系统按照最短行程智能定位到追踪位置。
对于过温保护而言，电气控制箱内部设计一个温度控制器和风扇。设定一个保护温度以保证电气器件稳定工作。
对于用户而言，要做的是预先将软件程序下载至控制器，例如通过RS232串口数据线将软件程序下载到PLC或单片机。
使用时，只需在用户的输入界面(例如文本输入器)中输入当地的时间、经度和纬度，按确认之后，系统启动自动跟踪控制。
上午，当太阳高度角大于零且光通量大于阈值，系统根据天文计算的高度角和方位角自动调整太阳能电池组件姿态，使其朝东。
然后，按0.5度的精度间歇跟踪，直至太阳高度角小于零且光通量小于阈值，系统自动返回初始位置，并进行复位，消除累积误差。
在下雨天，光通量传感器测得阳光强度没有超过参考值时，电池组件还是处于固定状态，不跟踪太阳；当雨停止时，光通量传感器监测到的阳光强度超过参考值时，电池组件开始跟踪太阳，执行机构响应PLC或单片机控制，自动快速定位到跟踪位置。
整个过程，包括夜晚，当风速达于参考值时，俯仰驱动迅速定位太阳能电池组件到水平位置。当风速保持小于参考值十分钟后，太阳能电池组件自动定位到跟踪位置或初始位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：具有精度高、操作方便、运行稳定、低功耗等特点，提高了太阳能发电设备的利用率，大幅度降低了太阳能发电的成本。
本发明该控制器是集光、机、电于一体的多功能智能控制器，系统经过长时间的实验模拟运行，具有操作方便、运行稳定等特点，提高了太阳能发电设备的利用率，大幅度降低了太阳能发电的成本。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种太阳能电池组件支架的控制系统，该太阳能电池组件支架包括一立柱以及与该立柱相连的支架本体，其特征在于，该太阳能电池组件支架还包括：一用于使该支架本体围绕该立柱在该支架本体所在的平面内转动的回旋机构；一用于使该支架本体上下摆动的俯仰机构，其中，该回旋机构与该立柱和该支架本体均相连，该俯仰机构与该支架本体相连，其中，该太阳能电池组件支架的控制系统包括：一控制器，分别与该控制器相连的一方位角计算器、一高度角计算器、一方位角检测装置和一高度角检测装置，其中，
该方位角计算器用于根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳方位角并将当前时刻的太阳方位角送入控制器；
该高度角计算器用于根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳高度角并将当前时刻的太阳高度角送入控制器；
该方位角检测装置用于检测当前时刻该回旋机构的实际位置并将该回旋机构的实际位置反馈至该控制器；
该高度角检测装置用于检测当前时刻该俯仰机构的实际位置并将该俯仰机构的实际位置反馈至该控制器；
该控制器用于接收来自该方位角计算器的当前时刻的太阳方位角和来自该高度角计算器的当前时刻的太阳高度角，并根据当前时刻的太阳方位角计算该回旋机构的理想位置以及根据当前时刻的太阳高度角计算该俯仰机构的理想位置，以及接收该方位角检测装置反馈的该回旋机构的实际位置和该高度角检测装置反馈的该俯仰机构的实际位置，以及比较该回旋机构的理想位置与实际位置的差值以获得该回旋机构的回旋差值和比较该俯仰机构的理想位置与实际位置的差值以获得该俯仰机构的俯仰差值，以及根据该回旋差值生成回旋控制信号以控制该回旋机构移动至理想位置和根据该俯仰差值生成俯仰控制信号以控制该俯仰机构移动至理想位置，
其中，该回旋机构和该俯仰机构分别与该控制器相连，该回旋机构与该方位角检测装置相连，该俯仰机构与该高度角检测装置相连；
该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一输入装置，该输入装置用于将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器，和/或，
设置时间间隔，并判断是否经过了该时间间隔，若是，将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器；若否，继续等待直至经过了该时间间隔；
该方位角检测装置和/或该高度角检测装置为编码器，该编码器通过累计的脉冲计数反馈该回旋机构的实际位置和/或该俯仰机构的实际位置；
该太阳能电池组件支架的支架本体还包括一旋转挂臂，该俯仰机构还包括一推杆，其中该推杆包括一推杆本体以及一伸缩杆，该伸缩杆具有一套接于该推杆本体中的固定端以及一可伸缩的自由端，该伸缩杆的自由端与该旋转挂臂活动连接。
2.如权利要求1所述的太阳能电池组件支架的控制系统，其特征在于，该控制器还用于判断是否接收到继续控制该太阳能电池组件支架的控制指令，若是，则控制器继续工作；若否，则控制器停止工作。
3.如权利要求1所述的太阳能电池组件支架的控制系统，其特征在于，累计的脉冲计数为AB相正反计数。
4.如权利要求1所述的太阳能电池组件支架的控制系统，其特征在于，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的风速传感器，该风速传感器用于检测风速是否大于等于阈值，若是，则控制器控制该俯仰机构动作以使该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行；若否，则该风速传感器继续检测风速。
5.如权利要求1所述的太阳能电池组件支架的控制系统，其特征在于，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的光通量传感器，该光通量传感器用于检测光通量是否大于等于阈值，若是，该光通量传感器继续检测光通量；若否，则控制器停止工作。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的太阳能电池组件支架的控制系统，其特征在于，该太阳能电池组件支架的支架本体还包括一横杆，该回旋机构还包括：
一位于该回旋机构顶部的主柱套头；
位于该回旋机构底部且与该立柱的顶部相连的蜗轮蜗杆，该蜗轮蜗杆与该主柱套头相连，其中该蜗轮蜗杆驱动该主柱套头在水平面内转动，该支架本体的横杆穿设于该主柱套头中。
7.一种太阳能电池组件支架的控制方法，其特征在于，该控制方法采用如权利要求1所述的太阳能电池组件支架的控制系统，该控制方法包括以下步骤：
S1、该方位角计算器根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳方位角并将当前时刻的太阳方位角送入控制器；该高度角计算器根据当地的当前时间、经度和纬度计算当前时刻的太阳高度角并将当前时刻的太阳高度角送入控制器；
S2、该控制器接收来自该方位角计算器的当前时刻的太阳方位角和来自该高度角计算器的当前时刻的太阳高度角，并根据当前时刻的太阳方位角计算该回旋机构的理想位置以及根据当前时刻的太阳高度角计算该俯仰机构的理想位置；
S3、该方位角检测装置检测当前时刻该回旋机构的实际位置并将该回旋机构的实际位置反馈至该控制器；该高度角检测装置检测当前时刻该俯仰机构的实际位置并将该俯仰机构的实际位置反馈至该控制器；
S4、该控制器比较该回旋机构的理想位置与实际位置的差值以获得该回旋机构的回旋差值以及比较该俯仰机构的理想位置与实际位置的差值以获得该俯仰机构的俯仰差值；
S5、该控制器根据该回旋差值生成回旋控制信号以控制该回旋机构移动至理想位置以及根据该俯仰差值生成俯仰控制信号以控制该俯仰机构移动至理想位置。
8.如权利要求7所述的太阳能电池组件支架的控制方法，其特征在于，步骤S1之前还包括以下步骤：
S0、将该太阳能电池组件支架置于初始位置，其中该初始位置为该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行的位置。
9.如权利要求8所述的太阳能电池组件支架的控制方法，其特征在于，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一输入装置，其中，步骤S0之后步骤S1之前还包括以下步骤：
SP、该输入装置将当地的当前时间、经度和纬度送入该方位角计算器和该高度角计算器。
10.如权利要求7所述的太阳能电池组件支架的控制方法，其特征在于，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的风速传感器，其中，步骤S1之前还包括以下步骤：
该风速传感器检测风速是否大于等于阈值，若是，则控制器控制该俯仰机构动作以使该太阳能电池组件支架的支架本体与水平面平行；若否，则该风速传感器继续检测风速。
11.如权利要求7所述的太阳能电池组件支架的控制方法，其特征在于，该太阳能电池组件支架的控制系统还包括一与该控制器相连的光通量传感器，其中，步骤S1之前还包括以下步骤：
该光通量传感器检测光通量是否大于等于阈值，若是，该光通量传感器继续检测光通量；若否，则控制器停止工作。
12.如权利要求7-11中任意一项所述的太阳能电池组件支架的控制方法，其特征在于，步骤S5之后还包括以下步骤：
S6、是否接收到继续控制该太阳能电池组件支架的控制指令，若是，则返回步骤S1；若否，则控制器停止工作。
13.如权利要求7-11中任意一项所述的太阳能电池组件支架的控制方法，其特征在于，该方位角检测装置和/或该高度角检测装置为编码器，该编码器通过累计的脉冲计数反馈该回旋机构的实际位置和/或该俯仰机构的实际位置。
14.如权利要求13所述的太阳能电池组件支架的控制方法，其特征在于，累计的脉冲计数为AB相正反计数。
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