CN103294069A - 一种太阳能电池跟踪检测与控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池跟踪检测与控制装置，其包括根据光照产生检测电压的检测装置，接收检测电压并产生控制信号的控制逻辑，接收所述控制信号的单片机，受单片机控制的水平驱动电路和仰角驱动电路，受水平驱动电路驱动的水平电机和受仰角驱动电路驱动的仰角电机。本发明根据检测装置所产生的检测电压，经过控制逻辑的处理输入到单片机，由单片机来判断太阳能电池板的运动方向，及时地驱动相关电机来调整太阳能电池板的姿态，使其能够达到最大限度地吸收太阳光能的位置。光敏元件与相关电路的配合工作相对于现有技术，具备更高的精确性和实时性。

Description

一种太阳能电池跟踪检测与控制装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池跟踪检测与控制装置，属于光伏电池应用领域。

背景技术

太阳能光伏电池是一种将太阳光能直接转化为电能的器件，基于的原理是半导体PN结处所发生的光生伏特效应，器件本身是一个半导体光电二极管。当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能转变成电能，通过电路便产生电流，向外电路输送电功率。

半导体PN结接受到太阳光的照射，PN结材料体内将会出现电子-空穴对，PN结周围产生的载流子没有被复合，它们流向空间电荷区，电子被材料内部形成的电场所吸引，流入N区，使N区呈现电负性。同时，空穴流向P区而使之呈现电正性，这种变化的最终结果是导致N区出现过多带负电的电子，P区出现过多带正电的空穴，在PN结周围产生了与势垒方向相反的光生电场。光生电场导致N区和P区之间的薄层上产生电动势，这就是光生伏特效应。若把外部的电路进行短接，在外部电路中便会检测到流过与入射光能量成正比的电流，该电流称为短路电流。相反，如果把PN结的两端连线断开，电子和空穴将对应地跑向N区和P区，导致N区的费米能级高于P区的费米能级，二者之间便出现电位差，这个电位差值可以被检测到，通常称之为开路电压。在外部电路可通电的情况下，外部电路中会检测到有电流流过，即PN结内部因为光伏产生了功率输出，这便是光伏电池发电的原理。将许多个电池串联或并联就可以构成有比较大功率输出的太阳能电池方阵。

太阳能电池大多做成板状，如图1所示。当太阳光按照图示方向入射时，太阳能电池板等效接受太阳光的面积成为：

S＝S₀cosθ

其中N、N'表示实际太阳能电池板及等效太阳能电池板的法线方向，θ表示入射光与太阳能电池板法线之间的夹角，S₀为太阳能电池板原始面积。

现有的太阳能电池板因为角度的原因而不能充分地吸收太阳光。现有技术中也有一些最大功率追踪的方法和装置，但大都基于太阳能电池的电流或电压的历史曲线，不够精确。

发明内容

发明目的：本发明提出一种太阳能电池跟踪检测与控制装置，根据光敏元件所组成的点阵来判断太阳光与太阳能电池板之间的角度，并随时调整太阳能电池板的角度，以实现太阳能电池板能够到达获取最大功率位置的追踪控制，追踪更加精确。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种太阳能电池跟踪检测与控制装置，包括根据光照产生检测电压的检测装置，接收检测电压并产生控制信号的控制逻辑，接收所述控制信号的单片机，受单片机控制的水平驱动电路和仰角驱动电路，受水平驱动电路驱动的水平电机和受仰角驱动电路驱动的仰角电机。

作为本发明的进一步改进，所述检测装置包括点阵、安装点阵的底板、垂直安装在底板上的标杆；点阵中的若干个预设点由两个光敏元件组成，该检测装置还包括若干个比较电路，每个比较电路包括位于不同预设点的两个光敏元件，所述两个光敏元件相互串联形成从电源到地的通路，该比较电路还包括输入端连接两个光敏元件之间的公共端的两个比较器。所述单片机还连接有显示器和按键。所述点阵为5*5点阵。所述光敏元件为光敏电阻。

作为本发明的进一步改进，所述点阵为k×k点阵，k为奇数（k≥3）。所述光敏元件为光敏二极管。横轴位于

行，纵轴位于

列，纵、横轴的交点是测量标杆的安置点。“[]”表示里面的数字取整。

本发明中的检测装置起到了探测入射阳光与太阳能电池板法线之间夹角的作用。该检测装置的底板上布满点阵，其中若干个预设的点包含两个光敏元件，当垂直在底板上的标杆在阳光的照射下，于点阵内形成阴影，即可根据该阴影所引起的光敏元件电阻变化来判断阳光与太阳能电池板法线之间的夹角。

有益效果：本发明根据检测装置所产生的检测电压，经过控制逻辑的处理输入到单片机，由单片机来判断太阳能电池板的运动方向，及时地驱动相关电机来调整太阳能电池板的姿态，使其达到吸收最大功率的位置。光敏元件与相关电路的配合工作相对于现有技术，具备更高的精确性和实时性。

附图说明

图1为太阳能电池板光照角度示意图；

图2为本发明检测装置的结构示意图；

图3为本发明底板上的点阵结构示意图；

图4为本发明图3分析简化的2*2点阵示意图；

图5为本发明检测装置中各个光敏电阻所组成的单一比较器串联电路结构图；

图6为本发明检测装置中各个光敏电阻所组成的双比较器串联电路结构图；

图7为本发明5*5点阵示意图；

图8为本发明控制逻辑的电路结构图；

图9为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图2所示，本发明的检测装置中水平放置的底板1上垂直地安装有标杆F。底板1上设置有如图3所示的点阵。可以看到，在太阳光的照射下，标杆F会在底板上留下阴影线，该阴影线使得点阵中的相应点被遮挡而不被太阳光照射。

下面根据图4（注：图3的简化图，便于分析）以2*2点阵为例说明其工作原理。可以看到该点阵以标杆F在底板1上的安装点为中心，行被标记为a_i、a_j，列标记为b_i、b_j，沿b_ib_j的方向并经过中心的直线为横轴，沿a_ia_j的方向并经过中心的直线为纵轴。在点a_ib_i、a_ib_j、a_jb_i、a_jb_j位置上各放置两个同型号的光敏电阻。a_ib_i位置上一只光敏电阻和a_ib_j位置上的一只光敏电阻串联，a_ib_i位置上的另一只光敏电阻和a_jb_i上一只光敏电阻串联，对某个点上的两个光敏电阻分别用脚标1、2表示。如图5所示，相应的两个光敏电阻串联在电源Vc和地之间，并且将两个光敏电阻的公共端电压输入到滞环比较器。在太阳光作用下，结合测量标杆所产生的阴影，两光敏电阻公共端的分压数值会有所不同，即可根据该位置电压的变化来确定该位置的光照情况。以沿横轴方向的电路滞环比较器输出电压为A，以沿纵轴方向的电路滞环比较器输出电压为B，所有检测点的串联分压电路均按照纵轴左侧元件位于串联电路下部，右侧元件位于串联电路上部，横轴上侧元件位于串联电路下部，下侧元件位于串联电路上部来进行布置。四个滞环比较器的输出电压即形成检测电压分别表示为：A_i1、A_i2、B_i1、B_i2。

由于所有光敏电阻均为同型号的光敏元件，各光敏电阻大致按照相同的规律改变其自身电阻阻值。在没有标杆F阴影遮挡的情况下，所有光敏电阻的光照情况基本一致，则串联回路中两个光敏电阻的分压数值将近乎处于电源电压的中间数值，波动很小。如果出现图4所示a_ib_i被标杆F阴影所遮挡的情况，R_ii的电阻值将和R_ij、R_ji有很大不同，即R_ii较大，Ri_j、R_ji较小，其串联电路中点电位将上升至电源Vc附近，由于滞环比较器设置的门槛电压比电源Vc中值高比较多的数值（如接近电源Vc），经过后续滞环比较器后确定A_i1=1、B_i1=1，另外两路滞环比较器因为相关光敏元件均受到太阳光的照射，两电阻的分压处于电源电压中点附近，A_i2=0、B_i2=0。因此根据上述检测电压就可以看出，太阳能电池板横轴上侧应该沿处于中心的横轴向逆太阳光方向推进，同时光伏电池板左侧应该沿纵轴向逆太阳光方向推进，使太阳能电池板尽可能正对太阳光，以获得更大的电能。表1列出了2*2点阵阴影位置与检测电压的输出关系。

表1  2*2点阵阴影位置与检测电压的输出关系

测量标杆阴影位置	Ai1	Bi1	Ai2	Bi2
					aibi位置	1	1	0	0
aibj位置	0	0	0	1
					ajbi位置	0	0	1	0
ajbj位置	0	0	0	0

观察表1，似乎可以根据检测电路输出的状态确定太阳光的入射方向，确定太阳能电池移动的方向，但是，图5检测电路并没有能够区分当位于串联电路上部的光敏电阻被阴影覆盖时的电路状态，该检测电路把该状态与光敏元件均被太阳光照射时（或者均无光照射）的情况视为相同，输出状态均为0。为此，在图5的基础上每一条串联电路均增加一个滞环比较器，该滞环比较器的门槛电压设置得接近于零值附近，其输出状态表示为

如图6所示（注：在本设计中，A_i和及B_i和

并不是互为相反的逻辑变量）。

根据标杆阴影所处位置，可以分析得出电路状态，如表2所示。表中同时表示出位于纵轴、横轴上元件被阴影所覆盖情况下的检测电路状态。对于位于测量标杆F横轴上的光敏元件，在构成检测电路时，只需要考虑相应轴上对称位置构成检测电路，即横轴上只需要考虑以纵轴对称的元件构成检测电路，在纵轴上只需要考虑以横轴对称的元件构成检测电路。

表2电路状态

这里的分析表明，光线方向判定电路中，在接受到太阳光线正常照射的情况下，光敏电阻串联电路中点的电位基本处于电源Vc中点电位附近，表示相关点位置接受到太阳光的正常照射。其实，当天气状况处于阴雨天、黑夜等无太阳光照射情况下，点阵所有的检测电压所反映的光线入射状况均表示为正对太阳光状态，不需要对太阳能电池板实施位置调整。因此，对检测装置中位于上侧的滞环比较器的门槛电压应该设置为滞环上下电压均大于电源电压中点数值，在电源电压中点以上适当位置设置一定的滞环。对检测装置中位于下侧的滞环比较器的门槛电压应该设置为滞环上下电压均小于电源电压中点数值，在电源电压中点以下适当位置设置一定的滞环。

图7为5*5点阵的结构示意图，其工作原理与上述简化的2*2点阵相同，5*5点阵中除中心点外均设有光敏电阻。根据前面的分析，在太阳光照射情况下，位于横轴以上检测电压为1时，要求光电池板上端迎太阳光移动，位于纵轴左侧检测电压为1时，要求光电池板左侧迎太阳光移动。图7中：

a₁b₁和a₁b₅上光敏电阻确定状态A₁₁、

a₁b₂和a₁b₄确定状态A₁₂、

a₂b₁和a₂b₅确定状态A₂₁、

a₂b₂和a₂b₄确定状态A₂₂、

a₃b₁和a₃b₅确定状态A₃₁、

a₃b₂和a₃b₄确定状态A₃₂、

a₄b₁和a₄b₅确定状态A₄₁、a₄b₂和a₄b₄确定状态A₄₂、

a₅b₁和a₅b₅确定状态A₅₁、

a₅b₂和a₅b₄确定状态A₅₂、

a₁b₁上另一光敏电阻和a₅b₁上一个光敏电阻确定状态B₁₁、a₂b₁和a₄b₁确定状态B₁₂、

a₁b₂和a₅b₂确定状态B₂₁、

a₂b₂和a₄b₂确定状态B₂₂、

a₁b₃和a₅b₃确定状态B₃₁、

a₂b₃和a₄b₃确定状态B₃₂、

a₁b₄和a₅b₄确定状态B₄₁、

a₂b₄和a₄b₄确定状态B₄₂、

a₁b₅和a₅b₅确定状态B₅₁、

a₂b₅和a₄b₅确定状态B₅₂、

定义电池板上端沿横轴逆光旋转为x＝1，则电池板下端沿横轴逆光旋转为y＝1；定义电池板左端沿纵轴逆光旋转为m＝1，则电池板右端沿纵轴逆光旋转为n＝1。因此，针对图7列出表3如下：

表3图7的状态

按照上述运行原理，早晨太阳从东方升起，晚上太阳从西方降落，太阳能电池板将要旋转接近180°。随着太阳的降落，太阳能电池板将面向西方，在没有太阳光的照射下，电池板并不进行任何方向的运动，一直保持面对西方。第二天早上，太阳再次从东方升起时，太阳光将照射到太阳能电池板的背面。为此，在底板1的正面、反面再布置一对光敏电阻，按照图5所示仅有一个滞环比较器的串联电路，将背面的光敏电阻置于串联电路的上侧，正面的光敏电阻置于下侧，滞环比较器输出电压形成正反检测位z。则在正常情况下，正面被光线照射，检测电路输出低电平，阴雨及夜晚无太阳光直射情况下输出近乎电源电压的中间值。如果反面被太阳光照射，则检测电路将输出高电平，表示太阳能电池板需要沿纵轴反向旋转，当旋转到正面面对太阳光时，正面检测元件就会对光线的方向做出反映，由此调整电池板的对光位置。表3所示的逻辑关系以及正反检测位z，可由图8所示的控制逻辑来实现。

图8的控制逻辑输出x，y，m，n四个控制信号给单片机，该单片机控制水平驱动电路和仰角驱动电路。水平驱动电路再驱动水平电机带动太阳能电池板沿水平方向转动，仰角驱动电路驱动仰角电机带动太阳能电池板做俯仰运动，如图9所示。除此之外单片机还连接了按键以便于人员操作，并将各种数据输出到与其连接的显示器。外接的15V/5V电源为单片机、水平驱动电路和仰角驱动电路提供电力。

Claims (6)

1.一种太阳能电池跟踪检测与控制装置，其特征在于，包括根据光照强弱产生检测电压的检测装置，接收检测电压并经逻辑运算产生控制信号的控制逻辑，接收所述控制信号的单片机，受单片机控制的水平驱动电路和仰角驱动电路，受水平驱动电路驱动的水平电机和受仰角驱动电路驱动的仰角电机。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池跟踪检测与控制装置，其特征在于，所述检测装置包括点阵、安装点阵的底板、垂直安装在底板上的测量标杆；

点阵中的若干个预设点由两个光敏元件组成，该检测装置还包括若干个比较电路，每个比较电路包括位于不同预设点的两个光敏元件，所述两个光敏元件相互串联形成从电源到地的通路，该比较电路还包括输入端连接两个光敏元件之间公共端的两个比较器。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池跟踪检测与控制装置，其特征在于，所述单片机还连接有显示器和按键。

4.根据权利要求3所述的太阳能电池跟踪检测与控制装置，其特征在于，所述点阵为k×k点阵，k为奇数，k≥3。

5.根据权利要求4所述的太阳能电池跟踪检测与控制装置，其特征在于，所述光敏元件为光敏电阻。

6.根据权利要求4所述的太阳能电池跟踪检测与控制装置，其特征在于，所述光敏元件为光敏二极管。

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