CN103324207B

CN103324207B - 一种集群太阳能跟踪控制系统

Info

Publication number: CN103324207B
Application number: CN201310237308.3A
Authority: CN
Inventors: 唐智杰; 曹海华
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2033-06-17
Also published as: CN103324207A

Abstract

本发明公开了一种集群太阳能跟踪控制系统。它包括：一个中央主控制器、三个太阳光照强度探测平台、多个太阳能跟踪控制单元、多个太阳能电池板和一个远程控制单元，所述中央主控制器通过CANbus总线分别与三个太阳光照强度探测平台和多个太阳能跟踪控制单元相连接，用于接收太阳光强信息并控制太阳能跟踪控制单元实现所有太阳能电池板进行三维自动跟踪，所述中央主控制器通过RS232总线与远程控制单元相连，用于实现系统远程状态检测和报警上告，所述太阳能电池板安装于所述太阳能跟踪控制单元上，实现太阳能电池板三自由角度调整，本太阳能跟踪控制系统可广泛适用于多太阳能电池板系统的自动跟踪和监测。

Description

一种集群太阳能跟踪控制系统

技术领域

本发明涉太阳能发电领域，特别是涉及一种集群太阳能跟踪控制系统，用于集群太阳能发电系统的太阳能跟踪控制。

背景技术

大力发展可再生能源，实现多种能源互补，成为各国能源发展战略的新目标。太阳能是取之不尽、用之不竭的，是清洁、无污染、廉价的自然能源，将太阳能转换为电能是利用太阳能的重要技术基础。

太阳能发电的效率与太阳能电池板与太阳入射角之间的夹角有直接关系，为了有效提高太阳能发电效率，必须尽量使太阳能电池板与太阳入射角垂直，为此，太阳能跟踪系统应运而生。

太阳能朝着大容量、大规模、集群化、高效率的方向不断发展,但是依旧存在一些不足。

目前太阳能跟踪系统已经有了一定的发展：

中国实用新型专利CN201220068409.3公开了“一种太阳能跟踪系统”，采用GPRS和PLC所组成的一种太阳能跟踪系统，但该系统属于单机系统，不适应于多太阳能电池板的集群太阳能跟踪系统。

中国实用新型专利CN200920234754.8公开了一种“太阳能能源站同步跟踪系统”，采用集中式控制方式，可以实现平面太阳能电池板的调整控制，但是，系统随着太阳能电池板数目的增加，系统复杂度急剧增加，布线等工作量也急剧增加，系统可靠性降低，施工成本高。最关键的是该实用新型采用4光敏电阻所组成的传感器，只能实现平面二维的传感，无法实现三维跟踪，其次，一旦某个光敏电阻出了故障或者整个跟踪传感器，系统的跟踪系统便无法正常运行。

发明内容

本发明的目的在于要解决现有技术存在的问题，提供一种集群太阳能跟踪控制系统，适合于多太阳能电池板集群发电的三维容错跟踪，系统具有远程报警监测功能，系统可靠性高、实现成本低。

为解决上述技术问题，本发明的构思是：本发明采用CANbus总线进行多太阳能跟踪单元的总线通讯管理，采用球形布局光敏传感系统实现三维太阳光强传感，采用比对最佳角度计算方法实现最大光强最优角度的计算，采用三维调整机构实现三维太阳跟踪，具有容错和三维跟踪的特性。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种集群太阳能跟踪控制系统，它包括：一个中央主控制器、三个太阳光照强度探测平台、多个太阳能跟踪控制单元、多个太阳能电池板和一个远程控制单元，其特征在于所述中央主控制器通过CANbus总线分别与三个太阳光照强度探测平台和多个太阳能跟踪控制单元相连接，所述中央主控制器通过RS232总线与所述远程控制单元相连，所述太阳能跟踪控制单元连接控制所述太阳能电池板。

上所述中央主控制器由一个主控制微处理器连接一个日历时钟电路、一个RS232接口电路、一个SD卡、一个CANbus接口电路、一个电源控制电路和一个键盘构成，用于通过CANbus总线接收所述太阳光照强度探测平台所提供的太阳能光照强度信息，进行比对最佳角度计算方法获得最大光强角度，并通过CANbus控制所有多个所述太阳能跟踪控制单元进行角度偏转和太阳能最大光强跟踪，通过CANbus获取所有多个所述太阳能跟踪控制单元的运行状态并结合日历信息进行记录存储，将记录存储在所述SD卡中，当发生所述太阳能跟踪控制单元运行异常时，通过所述远程控制单元进行远程报警。

上述比对最佳角度计算方法就是将所述太阳光照强度探测平台所提供的三个平台姿态信息和三个最大光强三维角度进行求和补偿修正获得三个实际最大光强三维角度，然后计算三个实际最大光强三维角度进行相互绝对差，选择绝对差最小的两个值进行求和平均，得到所需要的最大光强最优角度MTD。

上所述太阳光照强度探测平台的结构：一个微处理控制器连接多个光敏传感器、一个姿态传感器、一个CANbus接口电路、一个电源电路、一个LED指示灯、一个半球面机构和一个运放与模拟切换电路，有多个光敏传感器安装于所述半球面机构的各个方向，用于接收感应各个方向的太阳光强，所述运放与模拟切换电路连接所述光敏传感器，所述姿态传感器用于获取所述太阳光照强度探测平台的三维姿态信息，来补偿风雨影响和安装角度误差，所述微处理控制器在接收各方向光强信息和平台姿态信息后通过CANbus接口电路经CANbus总线发送给所述中央主控制器。

上所述太阳能跟踪控制单元的结构：一个微处理控制器连接一个CANbus接口电路、一个电机检测电路、一个LED指示灯、三个步进电机、一个电源电路和一个姿态传感器，所述三个步进电机与一个三维运动平台相连，实现所述太阳能电池板所安装平台的角度调整，所述电机检测电路用于实现电机状态的检测，当出现故障时报警，所述姿态传感器用于监测平台的姿态信息，当平台姿态出现严重偏离时报警，所述微处理控制器通过CANbus接口电路经CANbus总线与所述中央主控制器相连，实现控制角度信息的接收和平台状态信息的发送，同时控制所述三个步进电机实现平台角度调整。

上太阳能电池板用于实现太阳能的光电转换接收，上述远程控制单元用于实现系统远程状态监测和系统远程报警。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明采用球形布局传感单元实现三维太阳光强传感，并与姿态传感器获得的姿态角度信息进行融合获得最大角度信息，通过CANbus总线技术实现所有太阳能电池板三维立体跟踪，并具有高度容错处理，可以避免单个太阳光照强度探测平台出现故障情况下系统依旧正常工作，并发出报警。

本发明的姿态控制系统可广泛适用于集群太阳能系统的太阳跟踪控制。

附图说明

附图1是本发明一个实施例的系统结构框图。

附图2是图1示例中中央主控制器的电路结构框图。

附图3是图1示例中太阳光照强度探测平台的电路结构框图。

附图4是图1示例中太阳能跟踪控制单元的电路结构框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

如图1所示，本集群太阳能跟踪控制系统中，包括：一个中央主控制器（1）、三个太阳光照强度探测平台（2a、2b、2c）、多个太阳能跟踪控制单元（3）、多个太阳能电池板（4）和一个远程控制单元（5），所述中央主控制器（1）通过CANbus总线分别与三个太阳光照强度探测平台（2a、2b、3c）和多个太阳能跟踪控制单元（3）相连接，所述中央主控制器（1）通过RS232总线与所述远程控制单元（5）相连，所述太阳能跟踪控制单元（3）控制连接所述太阳能电池板（4）。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特征之处在于：

如图2所示，所述中央主控制器（1）由一个主控制微处理器（201）连接一个日历时钟电路（206）、一个RS232接口电路（203）、一个SD卡（202）、一个CANbus接口电路（207）、一个电源控制电路（204）和一个键盘（205）构成，用于通过CANbus总线接收所述太阳光照强度探测平台（2a、2b、2c）所提供的太阳能光照强度信息，进行比对最佳角度计算方法获得最大光强角度，并通过CANbus控制所有多个所述太阳能跟踪控制单元（3）进行角度偏转和太阳能最大光强跟踪，通过CANbus获取所有多个所述太阳能跟踪控制单元（3）的运行状态并结合日历信息进行记录存储，将记录存储在所述SD卡（202）中，当发生所述太阳能跟踪控制单元（3）运行异常时，通过所述远程控制单元（5）进行远程报警。

所述主控制微处理器（201）采用美国菲利浦公司ARM芯片LPC2119，内含有模拟-数字转换器、CANbus收发控制器、UART全双工硬件串口控制器等。所述控制器（201）的信号脚P0.10~P0.17与键盘（205）的相连，实现按键输入设置等功能；所述控制器（201）的信号脚RD1和TD1分别连接CANbus接口电路，实现CANbus通讯，完成与所述节点控制器（102）的通讯；所述控制器（201）的信号脚RXD0和TXD0分别连接RS232接口（203），实现RS232通讯，完成与所述远程控制单元（5）的通讯控制；所述控制器（201）的信号脚SDA和SCL分别连接日历时钟电路（206），实现系统时间设置读取等功能；所述控制器（201）的信号脚SCK0、MISO0和MOSI0分别连接SD卡接口电路，实现SD卡的数据存储和读取操作；主控制微处理器（201）用于通过CANbus总线接收所述太阳光照强度探测平台（2a、2b、2c）所提供的太阳能光照强度信息，进行比对最佳角度计算方法获得最大光强角度，并通过CANbus控制所有多个所述太阳能跟踪控制单元（3）进行角度偏转和太阳能最大光强跟踪，通过CANbus获取所有多个所述太阳能跟踪控制单元（3）的运行状态并结合日历信息进行记录存储，将记录存储在所述SD卡（202）中，当发生所述太阳能跟踪控制单元（3）运行异常时，通过所述远程控制单元（5）进行远程报警。

所述RS232接口（203）SP3232E是一个RS232接口芯片，连接控制器（201）和所述远程控制单元（5），实现通讯功能。

所述CANbus接口（207）TJA1042是一个CANbus接口芯片，连接控制器（201）和CANbus总线，实现CANbus通讯功能。

所述SD卡（202）SanDisk8GB-SD卡是一片SanDisk公司的8GBSD卡，连接控制器（201），实现数据存储功能。

所述时钟电路（206）DS1302是一片时钟芯片，连接控制器（201），实现时间设置和实时时间读取功能。

所述比对最佳角度计算方法就是将所述太阳光照强度探测平台（2a、2b、2c）所提供的三个平台姿态信息（Ta(α _ta 1,β _ta 1)、Tb(α _tb 2,β _tb 2)、Tc(α _tc 3,β _tc 3)）和三个最大光强三维角度（Da(α _da 1,β _da 1)、Db(α _db 1,β _db 1)、Dc(α _dc 1,β _dc 1)）,表示方式采用球极坐标表示，单位圆半径，α表示经度，β表示纬度。

然后进行求和补偿修正，具体如下：

α _TDa=α _da 1-α _ta 1，β _TDa=β _da 1-β _ta 1，

α _TDb=α _da 1-α _ta 1，β _TDb=β _da 1-β _ta 1，

α _TDc=α _da 1-α _ta 1，β _TDc=β _da 1-β _ta 1，

获得三个实际最大光强三维角度（TDa、TDb、TDc），该修正方法同样适应于所述太阳能跟踪控制单元（3）的角度补偿计算。

然后计算三个实际最大光强三维角度进行相互绝对差即单位球面距离，

△1=arccos|[cosβ _TDa cosβ _TDb cos（α _TDa -α _TDb ）+sinβ _TDa sinβ _TDb ]|

△2=arccos|[cosβ _TDa cosβ _TDc cos（α _TDa -α _TDc ）+sinβ _TDa sinβ _TDc ]|

△3=arccos|[cosβ _TDc cosβ _TDb cos（α _TDc -α _TDb ）+sinβ _TDc sinβ _TDb ]|

选择最小的△对应的角度进行求和平均，得到所需要的最大光强最优角度MTD（α _MTD，β _MTD）。

假定△1最小，则计算：

α _MTD=(α _TDa +α _TDb)/2，β _MTD=(β _TDa +β _TDb)/2

假定△2最小，则计算：

α _MTD=(α _TDa +α _TDc)/2，β _MTD=(β _TDa +β _TDc)/2

假定△3最小，则计算：

α _MTD=(α _TDc +α _TDb)/2，β _MTD=(β _TDc +β _TDb)/2

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，特征之处在于：

参见图3，所述太阳光照强度探测平台（2a、2b、2c）的结构：一个微处理控制器（301）连接一个姿态传感器（303）、一个CANbus接口电路（304）、一个电源电路（305）、一个LED指示灯（306）和一个运放与模拟切换电路（308），有多个光敏传感器（302）安装于一个所述半球面机构（307）的各个方向，用于接收感应各个方向的太阳光强，所述运放与模拟切换电路（308）连接所述光敏传感器（302），用于实现光敏感应电信号的放大和采集，所述姿态传感器（303）用于获取所述太阳光照强度探测平台的三维姿态信息，来补偿风雨影响和安装角度误差，所述微处理控制器（301）在接收各方向光强信息和平台姿态信息后通过CANbus接口电路（304）经CANbus总线发送给所述中央主控制器（1）。

所述主控制微处理器（301）采用美国菲利浦公司ARM芯片LPC2119，内含有模拟-数字转换器、CANbus收发控制器、UART全双工硬件串口控制器等。所述主控制微处理器（301）分别与所述姿态传感器（303）、所述CANbus接口电路（304）、所述电源电路（305）、所述LED指示灯（306）和所述运放与模拟切换电路（308）相连，用于实现各个方向光强信息的采集、所述太阳光照强度探测平台的姿态角度信息获取，并与所述中央主控制器（1）经所述CANbus接口电路（304）相连实现数据通讯。

所述多个光敏传感器（302）均匀布置安装于所述半球面机构（307）的表面各个方向，用于接收感应各个方向的太阳光强,实现光电转换。

所述运放与模拟切换电路（308）分别连接所述光敏传感器（302）和所述微处理控制器（301），用于实现光敏感应电信号的放大和采集。

所述姿态传感器（303）采用ITG-3000三轴传感器，用于获取所述太阳光照强度探测平台的三维姿态信息，来补偿风雨影响和安装角度误差。

所述CANbus接口（304）TJA1042是一个CANbus接口芯片，连接控制器（301）和CANbus总线，实现CANbus通讯功能。

实施例四：

本实施例与实施例一基本相同，特征之处在于：

参见图4，所述太阳能跟踪控制单元（3）的结构：一个微处理控制器（401）连接一个CANbus接口电路（402）、一个电机检测电路（403）、一个LED指示灯（404）、三个步进电机（405a、405b、405c）、一个电源电路（406）和一个姿态传感器（407），所述三个步进电机（405a、405b、405c）与一个三维运动平台（408）相连，并与所述电机检测电路（403）相连，实现所述太阳能电池板（4）所安装平台的角度调整，所述电机检测电路（403）用于实现电机状态的检测，当出现故障时报警，所述姿态传感器（407）用于获取监测平台姿态信息来补偿和反馈实际跟踪角度控制，同时，当平台姿态出现严重偏离时报警，所述微处理控制器（401）通过CANbus接口电路（402）经CANbus总线与所述中央主控制器（1）相连，实现控制角度信息的接收和平台状态信息的发送，同时控制所述步进电机（405a、405b、405c）实现平台角度调整。

所述步进电机（405a、405b、405c）与三维运动平台（408）相连，实现所述太阳能电池板（4）所安装平台的角度调整。

所述电机检测电路（403）用于实现电机状态的检测，当出现故障时报警。

所述姿态传感器（407）采用ITG-3000三轴传感器，用于获取监测平台的姿态角度信息来补偿控制自动跟踪角度的偏差，为实际跟踪角度提供反馈。

所述主控制微处理器（401）采用美国菲利浦公司ARM芯片LPC2119，内含有模拟-数字转换器、CANbus收发控制器、UART全双工硬件串口控制器等。所述微处理控制器（401）通过CANbus接口电路（402）经CANbus总线与所述中央主控制器（1）相连，实现控制角度信息的接收和平台状态信息的发送，同时控制所述步进电机（405a、405b、405c）实现平台角度调整，同时当平台姿态出现严重偏离时报警。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种集群太阳能跟踪控制系统，包括：一个中央主控制器（1）、三个太阳光照强度探测平台（2a、2b、2c）、多个太阳能跟踪控制单元（3）、多个太阳能电池板（4）和一个远程控制单元（5），其特征在于：所述中央主控制器（1）通过CANbus总线分别与三个太阳光照强度探测平台（2a、2b、3c）和多个太阳能跟踪控制单元（3）相连接，所述中央主控制器（1）通过RS232总线与所述远程控制单元（5）相连，所述太阳能跟踪控制单元（3）连接控制所述太阳能电池板（4）；所述太阳光照强度探测平台（2a、2b、2c）的结构：一个微处理控制器（301）连接一个姿态传感器（303）、一个CANbus接口电路（304）、一个电源电路（305）、一个LED指示灯（306）和一个运放与模拟切换电路（308），有多个光敏传感器（302）安装于一个半球面机构（307）的各个方向，用于接收感应各个方向的太阳光强，所述运放与模拟切换电路（308）连接所述光敏传感器（302），用于实现光敏感应电信号的放大和采集，所述姿态传感器（303）用于获取所述太阳光照强度探测平台的三维姿态信息，来补偿风雨影响和安装角度误差，所述微处理控制器（301）在接收各方向光强信息和平台姿态信息后通过CANbus接口电路（304）经CANbus总线发送给所述中央主控制器（1）。

2.根据权利要求1所述的集群太阳能跟踪控制系统，其特征在于：所述中央主控制器（1）由一个主控制微处理器（201）连接一个日历时钟电路（206）、一个RS232接口电路（203）、一个SD卡（202）、一个CANbus接口电路（207）、一个电源控制电路（204）和一个键盘（205）构成，用于通过CANbus总线接收所述太阳光照强度探测平台（2a、2b、2c）所提供的太阳能光照强度信息，进行比对最佳角度计算方法获得最大光强角度，并通过CANbus控制所有多个所述太阳能跟踪控制单元（3）进行角度偏转和太阳能最大光强跟踪，通过CANbus获取所有多个所述太阳能跟踪控制单元（3）的运行状态并结合日历信息进行记录存储，将记录存储在所述SD卡（202）中，当发生所述太阳能跟踪控制单元（3）运行异常时，通过所述远程控制单元（5）进行远程报警。

3.根据权利要求2所述的集群太阳能跟踪控制系统，其特征在于：所述比对最佳角度计算方法就是将所述太阳光照强度探测平台（2a、2b、2c）所提供的三个平台姿态信息（Ta、Tb、Tc）和三个最大光强三维角度（Da、Db、Dc）进行求和补偿修正获得三个实际最大光强三维角度（TDa、TDb、TDc），然后计算三个实际最大光强三维角度进行相互绝对差，选择绝对差最小的两个值进行求和平均，得到所需要的最大光强最优角度MTD。

4.根据权利要求1所述的集群太阳能跟踪控制系统，其特征在于所述太阳能跟踪控制单元（3）的结构：一个微处理控制器（401）连接一个CANbus接口电路（402）、一个电机检测电路（403）、一个LED指示灯（404）、三个步进电机（405a、405b、405c）、一个电源电路（406）和一个姿态传感器（407），所述三个步进电机（405a、405b、405c）与一个三维运动平台（408）相连，并与所述电机检测电路（403）相连，实现所述太阳能电池板（4）所安装平台的角度调整，所述电机检测电路（403）用于实现电机状态的检测，当出现故障时报警，所述姿态传感器（407）用于获取监测平台姿态信息来补偿和反馈实际跟踪角度控制，同时，当平台姿态出现严重偏离时报警，所述微处理控制器（401）通过CANbus接口电路（402）经CANbus总线与所述中央主控制器（1）相连，实现控制角度信息的接收和平台状态信息的发送，同时控制所述步进电机（405a、405b、405c）实现平台角度调整。

5.根据权利要求1所述的集群太阳能跟踪控制系统，其特征在于所述太阳能电池板（4）用于实现太阳能的光电转换接收。

6.根据权利要求1所述的集群太阳能跟踪控制系统，其特征在于所述远程控制单元（5）用于实现系统远程状态监测和系统远程报警。