CN102778898A - 一种光伏电池最大辐照量自动跟踪装置及方法 - Google Patents

一种光伏电池最大辐照量自动跟踪装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏电池最大辐照量自动跟踪装置及方法。该装置包括光伏电池、传动系统及控制电路；其中，光伏电池包括光伏电池板和用于支撑光伏电池板的固定支架，光伏电池板对称铰接于固定支架上；传动系统分别与光伏电池板两端连接，且设于两端边缘的中部；控制电路包括电流电压采样电路和电机驱动电路；其中，电流电压采样电路与光伏电池板电连接，电机驱动电路与传动系统电连接，而电流电压采样电路和电机驱动电路电连接。本发明设计了一种实际可行的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，系统结构较为简单，不需要外部供电，能够实现快速的光伏电池最大辐照量自动跟踪。

Description

一种光伏电池最大辐照量自动跟踪装置及方法
技术领域
本发明光伏电池涉及技术领域，特别涉及一种光伏电池最大辐照量自动跟踪装置及方法。
背景技术
太阳能是地球上最主要的可再生能源之一，具有储量大、分布广、清洁无污染等优点，是未来社会发展最重要的能源来源。目前，对太阳能的利用主要包括光热效应与光伏效应两个方面。其中，光伏发电技术的研究和应用具有巨大的发展空间。
太阳能发电是指利用光伏电池板将太阳能转化成电能，光伏发电的效率是指光伏电池输出电能占单位面积内的太阳能辐照量的百分比。由于受到光伏电池材料本身的限制，光伏电池板的光电转换效率一般只有14%~20%之间，最高不超过40%；另一个影响光电转换效率的因素是光伏电池板的安装方法，即倾斜角与高度角的设计。高度角的选择一般以当地纬度和占地面积为主要依据，在特定的纬度地区，高度角的设计比较简单；倾斜角的设计一般遵循年发电量均衡的原则或夏季发电量最大的原则等。无论是那种原则，都存在倾斜角一旦固定就无法改变的问题；这样就导致了光伏电池的日、年发电量大大降低。 
发明内容
本发明的发明目的是针对现有光伏电池的技术不足，提供一种增加日、年发电量且实用快速精确的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置。
进一步地，本发明提供一种采用同上述光伏电池最大辐照量自动跟踪装置的方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，包括光伏电池、传动系统及控制电路；其中，光伏电池包括光伏电池板和用于支撑光伏电池板的固定支架，所述光伏电池板对称铰接于固定支架上；所述传动系统分别与光伏电池板两端连接，且设于两端边缘的中部；所述控制电路包括电流电压采样电路和电机驱动电路；其中，电流电压采样电路与光伏电池板电连接，电机驱动电路与传动系统电连接，而电流电压采样电路和电机驱动电路电连接。
优选地，所述固定支架底座平面面向光伏电池的安装地的正南方向且与水平面的夹角为                                               
Figure 2012102589350100002DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 815768DEST_PATH_IMAGE002
=当地纬度-
Figure 2012102589350100002DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 363424DEST_PATH_IMAGE004
取2°~5°。
优选地，所述光伏电池板能够绕固定支架铰接点转动，且在不受外力的情况下能够保持稳定。
优选地，所述电流电压采样电路包括为光伏电池板最大功率跟踪电路与传感器，所述光伏电池板最大功率跟踪电路通过光伏电池板接线盒与光伏电池板电连接，所述光伏电池板最大功率跟踪电路通过直流总线与传感器电连接。
优选地，所述电机驱动电路包括单片机与电机，所述传感器与单片机电连接；所述传感器采样光伏电池板的输出电压电流并送入单片机中，单片机进行功率计算并产生驱动信号以控制电机正反转；电机输出端连接传动系统。电机采用直流电机。
优选地，所述传动系统包括传动齿轮、被动齿轮、第一齿条、第二齿条与直角套筒，传动齿轮由电机带动且与第一齿条耦合；被动齿轮与第二齿条耦合；所述传动齿轮通过变向调速齿轮驱动被动齿轮连接，其中，变向调速齿轮分别与传动齿轮、被动齿轮耦合；所述第一齿条、第二齿条的一端分别与光伏电池板的两端连接，且光伏电池板不能绕链接点转动；所述第一齿条、第二齿条的另一端分别接入直角套筒的两个直角边，使得第一齿条、第二齿条始终保持垂直状态。
优选地，所述光伏电池板宽边与固定支架之间的倾角为，
Figure 205609DEST_PATH_IMAGE006
取-60°~60°；且倾角调节的步长为，
Figure 649360DEST_PATH_IMAGE008
取2°或5°。可通过倾角步长计算第一齿条和第一齿条的伸长或缩短尺寸，进而设计出齿轮组各齿轮的齿数和电机的旋转速度，进而实现功率检测、光伏电池板倾角调节以及最大输出功率跟踪。
一种采用上述光伏电池最大辐照量自动跟踪装置的方法，包括如下步骤：当前倾角条件下，传感器采样光伏电池板接收到的太阳能辐射所发电的输出额定功率；将此功率与前一次的检测功率进行比较，从而控制电机正/反转方向和转数；电机正/反转带动齿轮组正/反转，从而拖动第一齿条与第二齿条伸长/缩短；随着第一齿条与第二齿条长度的变化，光伏电池板的倾角随之发生改变以调整太阳直射光线与光伏电池板面垂直，从而实现光伏电池最大辐照量的自动跟踪。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明设计了一种实际可行的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，系统结构较为简单，不需要外部供电，能够实现快速的最大辐照量自动跟踪。
2、本发明的提出有利于提高光伏电池的发电效率，增加光伏电池日、年平均发电量；本发明的结构简单、合理，且成本较低，能达到节能要求。
附图说明
图1为光伏电池最大辐照量自动跟踪装置使得结构示意图；
图2为光伏电池最大辐照量自动跟踪装置的侧视图；
图3为本发明的固定支架底座与水平面的夹角示意图；
图4为本实施例中光伏电池板与固定支架之间的倾角示意图；
图5为齿条伸出时，光伏电池板与固定支架之间的倾角示意图；
图6为齿条伸入时，光伏电池板与固定支架之间的倾角示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。
如图１所示，一种实用的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置。该装置主要包括光伏电池、控制电路以及齿轮齿条传动系统。光伏电池包括光伏电池2和用于支撑光伏电池板的固定支架15。其中，光伏电池板的尺寸为长边（120cm）×宽边（80cm）且输出额定功率为200W。光伏电池板2对称铰接于固定支架15上；固定支架与光伏电池板的链接点4位于宽边中点且始终垂直于光伏电池板面。光伏电池板2能够绕固定支架铰接点4转动，且在不受外力的情况下能够保持稳定.
控制电路部分由电流电压采样电路18和电机驱动电路19组成，电流电压采样电路18通过传感器和分压电阻分别采样光伏电池输出端的电流和电压；然后传感器将采样的电流电压输入单片机，单片机进行功率运算并对直流电机20进行控制。
电流电压采样电路18包括为光伏电池板最大功率跟踪电路16与传感器，光伏电池板最大功率跟踪电路16通过光伏电池板接线盒3与光伏电池板2电连接，光伏电池板最大功率跟踪电路16通过直流总线17与传感器电连接。
电机驱动电路19包括单片机与电机，传感器与单片机电连接；传感器采样光伏电池板的输出电压电流并送入单片机中，单片机进行功率计算并产生驱动信号以控制电机正反转；电机输出端连接传动系统。电机采用直流电机20。传感器采用霍尔电流传感器。
传动系统包括传动齿轮9、被动齿轮8、第一齿条6、第二齿条10与直角套筒11、12、13，传动齿轮9由直流电机20带动且与第一齿条6耦合。被动齿轮8与第二齿条10耦合。传动齿轮9通过变向调速齿轮7驱动被动齿轮8连接。其中，变向调速齿轮7分别与传动齿轮9、被动齿轮8耦合。第一齿条6、第二齿条10的一端分别与光伏电池板2的两端边缘的中部连接，且光伏电池板2不能绕链接点转动，链接点自由度为零。第一齿条6、第二齿条10的另一端分别接入直角套筒的两个直角边11与13，使得第一齿条6、第二齿条10齿条始终保持垂直状态。
如图2所示，固定支架底座平面21与光伏电池板板面平行，使该平面与水平面相交，面向安装地的正南方向且与水平面夹角为
Figure 537681DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 951345DEST_PATH_IMAGE002
=当地纬度-
Figure 507091DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 590585DEST_PATH_IMAGE004
取20~50之间。另外，保持两者的交线与光伏电池板的宽边平行；光伏电池板可绕固定支架链接点在光伏板板面垂直面自由旋转，且在不受外力影响的情况下保持稳定，从而不发生晃动。
控制电路直接通过光伏电池板获取控制电源，I、U为通过霍尔电流传感器和分压电阻分别采样光伏电池的输出电流和电压，将采样信号送入单片机，进行功率计算和比较，输出控制信号驱动直流电机转向（正或反）和转数；电机带动齿轮转动，使齿条左右或上下移动，如图4、5、6所示。
由于第一齿条6、第二齿条10的一端分别连接光伏电池板长边中部且链接点自由度为零；第一齿条6、第二齿条10的另一端分别插入直角套筒的两个直角边11与13中，因此，当齿轮顺或逆时针转动时，第一齿条6伸入或缩短直角边11的长度增大，第二齿条伸出或缩短直角边13的长度也增加，从而使光伏电池板2的倾角改变。
光伏电池板与固定支架之间的倾角为
Figure 231782DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 917978DEST_PATH_IMAGE006
取-60°~60°；且倾角调节的步长为，
Figure 871642DEST_PATH_IMAGE008
取2°或5°；通过倾角步长计算第一齿条6和第二齿条10的伸长或缩短尺寸，进而设计出各齿轮的齿数和直流电机的旋转速度，进而实现功率检测、光伏电池板倾角调节以及最大输出功率跟踪。
一种采用上述光伏电池最大辐照量自动跟踪装置的方法，包括如下步骤：当前倾角条件下，传感器采样光伏电池板接收到的太阳能辐射所发电的输出额定功率；将此功率与前一次的检测功率进行比较，从而控制直流电机20正/反转方向和转数；直流电机20正/反转带动齿轮组正/反转，从而拖动第一齿条6与第二齿条10的伸长/缩短；随着第一齿条6与第二齿条10长度的变化，光伏电池板2的倾角随之发生改变以调整太阳直射光线与光伏电池板面垂直，从而实现光伏电池最大辐照量的自动跟踪。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，其特征在于：包括光伏电池、传动系统及控制电路；其中，光伏电池包括光伏电池板和用于支撑光伏电池板的固定支架，所述光伏电池板对称铰接于固定支架上；所述传动系统分别与光伏电池板两端连接，且设于两端边缘的中部；所述控制电路包括电流电压采样电路和电机驱动电路；其中，电流电压采样电路与光伏电池板电连接，电机驱动电路与传动系统电连接，而电流电压采样电路和电机驱动电路电连接。
2.根据权利要求1所述的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，其特征在于：所述固定支架底座平面面向安装地的正南方向且与水平面的夹角为                                                
Figure 789982DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 199097DEST_PATH_IMAGE001
=当地纬度-
Figure 394587DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 496535DEST_PATH_IMAGE002
取2°~5°。
3.根据权利要求1所述的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，其特征在于：所述光伏电池板能够绕固定支架铰接点转动，且在不受外力的情况下能够保持稳定。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，其特征在于：所述电流电压采样电路包括为光伏电池板最大功率跟踪电路与传感器，所述光伏电池板最大功率跟踪电路通过光伏电池板接线盒与光伏电池板电连接，所述光伏电池板最大功率跟踪电路通过直流总线与传感器电连接。
5.根据权利要求4所述的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，其特征在于：所述电机驱动电路包括单片机与电机，所述传感器与单片机电连接；所述传感器采样光伏电池板的输出电压电流并送入单片机中，单片机进行功率计算并产生驱动信号以控制电机正反转；电机输出端连接传动系统。
6.根据权利要求5所述的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，其特征在于：所述传动系统包括传动齿轮、被动齿轮、第一齿条、第二齿条与直角套筒，传动齿轮由电机带动且与第一齿条耦合；被动齿轮与第二齿条耦合；所述传动齿轮通过变向调速齿轮驱动被动齿轮连接，其中，变向调速齿轮分别与传动齿轮、被动齿轮耦合；所述第一齿条、第二齿条的一端分别与光伏电池板的两端连接，且光伏电池板不能绕链接点转动；所述第一齿条、第二齿条的另一端分别接入直角套筒的两个直角边，使得第一齿条、第二齿条始终保持垂直状态。
7.根据权利要求1所述的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置，其特征在于：所述光伏电池板宽边与固定支架之间的倾角为
Figure 534898DEST_PATH_IMAGE003
，取-60°~60°；且倾角调节的步长为
Figure 328859DEST_PATH_IMAGE004
，取2°或5°。
8.一种采用权利要求1-6任一项所述的光伏电池最大辐照量自动跟踪装置的方法，其特征在于包括如下步骤：当前倾角条件下，传感器采样光伏电池板接收到的太阳能辐射所发电的输出额定功率；将此功率与前一次的检测功率进行比较，从而控制电机正/反转方向和转数；电机正/反转带动齿轮组正/反转，从而拖动第一齿条与第二齿条伸长/缩短；随着第一齿条与第二齿条长度的变化，光伏电池板的倾角随之发生改变以调整太阳直射光线与光伏电池板面垂直，从而实现光伏电池最大辐照量的自动跟踪。
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