CN103425137A - 太阳能实时跟踪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳实时跟踪系统，包括一避光盒，该避光盒的顶面上开设有透光孔，该避光盒内部设有以平行于避光盒底面的方式设置的一凸透镜平面阵列，该避光盒底部设置有一光敏元件阵列；一微控制器，与该光敏元件阵列连接，用于从该光敏元件阵列获取太阳方位角信号，并计算太阳方位角；一驱动器，通过数据线连接于该微控制器，用于从该微控制器接收指令；一电机，通过导线连接于该驱动器，受该驱动器驱动；及一太阳能采集板，与该电机机械连接，用于在该电机带动下，调整方向，采集太阳能。本发明尤其适用于太阳能发电系统，具有检测准确度高、自动化和智能化程度高、环境适应能力好、系统可靠性高且成本低、结构简单等优点。

Description

太阳能实时跟踪系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能实时跟踪系统，尤其是一种太阳能发电系统的太阳实时跟踪系统。
背景技术
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着我国经济的快速增长，能源需求大幅增加，能源供需矛盾突出。国家在提倡节能的同时也鼓励开发和利用太阳能、风能和水力发电等新能源。太阳能是一种清洁、低污染的新能源，但目前太阳能的利用率却比较低。目前应用比较广泛的光伏发电装置中的光电转换效率最高仅为16％左右，过低的光能转换效率导致发电成本过高，这是制约太阳能发电技术发展的主要原因之一。众所周知，当太阳光线垂直照射与采光装置时光能利用率最高。如果太阳光线能够一直保持垂直于太阳能发电装置的采光装置的状态，那么就可使得太阳能发电装置保持最佳的光能利用状态，可以提高太阳能的利用率。在现有技术中，太阳能跟踪器目前主要采用以下几种方法实现；恒定电压判断法、逐步降低初始状态和目标状态的距离的方法、导纳微分法及通过二维PSD为基础的方法，以上这些方法普遍存在误差比较大、采样结果在最大功率点左右来回震荡和价格较高等缺点。目前太阳能自动跟踪系统大都存在有系统复杂、可靠性和稳定性较差、系统维护运行成本过高、环境适应性差、自动化程度低等问题。
发明内容
本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种太阳能实时跟踪系统，以降低太阳跟踪的误差和系统的成本，简化系统并提高系统自动化程度和环境适应能力。
本发明为解决技术问题采用以下技术方案。
太阳实时跟踪系统，其结构特点是，包括一避光盒，该避光盒的顶面上开设有透光孔，该避光盒内部设有以平行于避光盒底面的方式设置的一凸透镜平面阵列，该避光盒底部设置有一光敏元件阵列；一微控制器，与该光敏元件阵列连接，用于从该光敏元件阵列获取太阳方位角信号，并计算太阳方位角；一驱动器，通过数据线连接于该微控制器，用于从该微控制器接收指令；一电机，通过导线连接于该驱动器，受该驱动器驱动；及一太阳能采集板，与该电机机械连接，用于在该电机带动下，调整方向，采集太阳能。
本发明的太阳实时跟踪系统的结构特点也在于：
所述避光盒为长方体形盒子，透光孔设于避光盒顶面的中心部。
所述避光盒为圆柱形盒子，避光盒的顶面为圆锥面，透光孔设于圆锥面的锥顶部；其中圆锥面母线与圆锥面轴线之间的夹角为A，且80°≤A≤85°
所述透光孔处密封安装有玻璃片。
所述凸透镜平面阵列所在的平面平行于避光盒的底面，且平面阵列所在的平面和避光盒底面之间的距离为避光盒总高度的2/3.
所述凸透镜的水平断面呈六边形
所述驱动器为uln2003达林顿阵列。
所述微控制器为megal16单片机。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明利用日晷的原理，通过在密闭的避光盒顶开设透光孔，将太阳光引入避光盒并用凸透镜聚光，由光敏元件接收汇聚光，可避免采用外界光线影响光敏元件，光敏元件不易受外界散射光的影响，提高了太阳光线角度的检测准确度，可降低太阳跟踪的误差。采用微控制器控制驱动器，并由驱动器驱动发电机，提高了系统的自动化和智能化程度。太阳方位角是根据三角函数和反三角函数计算获得，计算精度可达0.01°避光盒的顶面设置为圆锥面，透光孔处密封安装有玻璃片，可避免雨水进入避光盒，提高了系统的环境适应能力。凸透镜的水平断面呈六边形，可使得每个凸透镜和六个相邻的凸透镜相连接，提高了光斑位置的分辨能力，以提高太阳光线的角度的计算准确度，降低系统误差；并且可通过调整凸透镜的尺寸来调整系统的检测分辨率，可调整性比较好。Mega16单片机、uln2003达林顿阵列相比同类产品价格低，可降低系统的成本；uln2003达林顿阵列为高电压大电流达林顿阵列，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，可适应于各类要求大功率驱动的系统，提高了系统的可靠性。本发明通过在密闭的避光盒顶开设透光孔，在避光盒内设凸透镜聚光，结构简单，实现容易且制作成本较低，还具有检测准确度高、自动化和智能化程度高、环境适应能力好、系统可靠性高且成本低等优点。
本发明尤其适用于太阳能发电系统，也可用于太阳能热水器等利用太阳能的设备。
附图说明
图1为本发明太阳实时跟踪系统的结构框图。
图2为本发明太阳实时跟踪系统的避光盒结构示意图。
图3为本发明的太阳光线角度计算示意图。
图4为本发明的光敏元件和微控制器之间的连接示意图。
图5为本发明的其中一个实施例的电机驱动原理图。
附图1、附图2、附图3、附图4、附图5中标号：1避光盒，2透光孔，3凸透镜，4光敏元件，5太阳光线，6微控制器，7驱动器，8电机。
具体实施方式
参见图1、图2、图3、图4和图5，太阳实时跟踪系统，包括一避光盒1，该避光盒1的顶面上开设有透光孔2，该避光盒1内部设有以平行于避光盒底面的方式设置的一凸透镜平面阵列3，该避光盒1底部设置有一光敏元件阵列4；一微控制器6，与该光敏元件阵列4连接，用于从该光敏元件阵列4获取太阳方位角信号，并计算太阳方位角；一驱动器，7通过数据线连接于该微控制器6，用于从该微控制器6接收指令；一电机8，通过导线连接于该驱动器7，受该驱动器7驱动；及一太阳能采集板9，与该电机8机械连接，用于在该电机8带动下，调整方向，采集太阳能。
避光盒1为长方体形盒子，透光孔2设于避光盒顶面的中心部。避光盒1为圆柱形盒子，避光盒1的顶面为圆锥面，透光孔2设于圆锥面的锥顶部；其中圆锥面母线与圆锥面轴线之间的夹角为A，且80°≤A≤85°。透光孔2处密封安装有玻璃片，以防止雨水、灰尘等杂物进入避光盒。所述微控制器6优选为megal16单片机。所述驱动器7优选为uln2003达林顿阵列。所述凸透镜平面阵列3所在的平面平行于避光盒1的底面，且平面阵列所在的平面和避光盒1底面之间的距离为避光盒1总高度的2/3。所述凸透镜的水平断面呈六边形。
六边形的凸透镜之间采用无缝连接，形成严密的凸透镜平面阵列。光敏元件阵列设于避光盒的底部，其中每个光敏元件的位置是确定的，光敏元件与底面中心点的距离也是固定的。当有太阳光线汇聚，汇聚后的光斑照在光敏元件阵列上产生电信号并将电信号输入至微控制器，由微控制器根据光敏元件在阵列甲的位置，根据预设的公式计算太阳的方位角。微控制器中设置有太阳能采集板的初始状态，可将初始状态设置为太阳能采集板朝向正南或正东，太阳能采集板与水平面的夹角为45°。微控制器根据初始状态和实时计算的方位角，计算控制参数并产生相应的控制信号，并将控制信号发送至驱动器，由驱动器驱动电机运行，改变太阳能采集板的方向角，使得太阳光线垂直照射在太阳能采集板上，以达到最大程度地利用太阳能的目的。
微控制器内安装有控制程序，可在程序中设定系统的工作时间，如7:00-19:00.在设定的工作时间内，系统先进行位置的初始化，确定调整基准，比如太阳能采集板朝向正东、太阳能采集板与水平面之间的夹角为45°为初始的基准状态，根据计算的太阳方位角和基准状态，由电机对太阳能采集板进行调整，调整后将系统的位置参数存入微控制器的存储器中。当需要再次调整时，根据上一次获得的位置参数和计算所得的太阳方位角，进行下一次的调整。在夜晚来临时，控制程序根据设定的时间将系统关闭。在阴暗天气，由于光敏元件上没有光斑出现，系统会一直处于初始状态。
图3中，α为太阳光线5与水平面之间的夹角。β为太阳光线5在水平面上的投影与预设的正东或正南的方向之间的夹角。根据三角函数和反三角函数，通过计算得到α和β，获得控制参数并产生控制信号。图4中R1～R4为电阻，PB0～PB3、PC0～PC3均为单片机mega16的输入端口。图5为电机驱动原理图，单片机mega16通过线路接口与达林顿阵列uln2003相连接，达林顿阵列uln2003的输出端口与电机相连接；PD0～PD3为单片机mega16的输出端口，1B～3B为达林顿阵列uln2003的输入端口，1C～3C为达林顿阵列2003的输出端口。
该透光孔的面积小于每块该凸透镜的面积，以增大进入该避光盒的全部落在同一块该凸透镜上的概率，从而提高系统的跟踪精度。
该微控制器中预设有一间隔时间值，当该微控制器在工作状态下，该微控制器在初始工作时刻从该光敏元件阵列获取一次太阳方位角信号，并基于该太阳方位角信号调整该太阳能采集板的方向，此后，该微控制器每隔该间隔时间从该光敏元件接收一次太阳方位角信号，并基于该太阳方位角信号调整该太阳能采集板的方向。
当该避光盒被固定设置，该避光盒具有适合的结构，使得该光敏元件阵列能够检测到太阳高度角大于20°的太阳光线。
由该光敏元件阵列检测出一光强值，该微控制器将该光强值与预设的一光强阈值进行比较，当该光强值大于该光强阈值时，该微控制器启动晴天模式，该微控制器正常工作；当该光强值小于该阈值时，说明光强较弱，光敏元件检测到的太阳该微控制器启动阴天模式，该微控制器停止从光敏元件阵列接收太阳方位角信号。
根据一较佳实施例，晴天模式下，该微控制器预设有一相对阈值TH1，该微控制器将该太阳方位角实时值θ与该太阳方位角前一次值θ’进行比较；当|θ-θ’|≤TH1，该微控制器基于θ向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向；当|θ-θ’|＞TH1，该微控制器根据θ’与TH1计算出此时的一太阳方位角预估值θe，然后基于θe向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向。
在阴天模式下，由于云层的漫反射现象，可认为各方向上的光强近似相等，该微控制器停止向驱动器发出指令，该太阳能采集板不再转动。
根据又一较佳实施例，该微控制器根据预先输入的纬度参数及当时的时间参数，计算出此时此地的一太阳方位角预估值θe，或者该微控制器中预存有一太阳方位角预估表，该微控制器根据当时的时间参数，查询出此时的一太阳方位角预估值θe。
该避光盒被固定设置，该避光盒具有适合的高度，使得该光敏元件阵列能够检测到太阳高度角大于20°的太阳光线。
晴天模式下，该微控制器内预设有一绝对范围阈值TH2，该微控制器将一太阳方位角实时值θ与该太阳方位角预估值θe进行比较；当|θ-θe|≤TH2，该微控制器基于θ向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向；当|θ-θe|＞TH2时，该微控制器基于θe向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向。
在阴天模式下，该微控制器直接基于该太阳方位角的预估值θe向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向。
本发明利用日晷的原理，通过在密闭的避光盒顶开设透光孔，将太阳光引入避光盒并用凸透镜聚光，由光敏元件接收汇聚光，可避免采用外界光线影响光敏元件，光敏元件不易受外界散射光的影响，提高了太阳光线角度的检测准确度，可降低太阳跟踪的误差。采用微控制器控制驱动器，并由驱动器驱动发电机，提高了系统的自动化和智能化程度。太阳方位角是根据三角函数和反三角函数计算获得，计算精度可达0.01°避光盒的顶面设置为圆锥面，透光孔处密封安装有玻璃片，可避免雨水进入避光盒，提高了系统的环境适应能力。凸透镜的水平断面呈六边形，可使得每个凸透镜和六个相邻的凸透镜相连接，提高了光斑位置的分辨能力，以提高太阳光线的角度的计算准确度，降低系统误差；并且可通过调整凸透镜的尺寸来调整系统的检测分辨率，可调整性比较好。Mega16单片机、uln2003达林顿阵列相比同类产品价格低，可降低系统的成本；uln2003达林顿阵列为高电压大电流达林顿阵列，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，可适应于各类要求大功率驱动的系统，提高了系统的可靠性。本发明通过在密闭的避光盒顶开设透光孔，在避光盒内设凸透镜聚光，结构简单，实现容易且制作成本较低，还具有检测准确度高、自动化和智能化程度高、环境适应能力好、系统可靠性高且成本低等优点。
本发明尤其适用于太阳能发电系统，也可用于太阳能热水器等利用太阳能的设备。

Claims (10)

1.太阳能实时跟踪系统，包括：
一避光盒，该避光盒的顶面上开设有透光孔，该避光盒内部设有以平行于避光盒底面的方式设置的一凸透镜平面阵列，该避光盒底部设置有一光敏元件阵列；
一微控制器，与该光敏元件阵列连接，用于从该光敏元件阵列获取太阳方位角信号，并计算太阳方位角；
一驱动器，通过数据线连接于该微控制器，用于从该微控制器接收指令；
一电机，通过导线连接于该驱动器，受该驱动器驱动；及
一太阳能采集板，与该电机机械连接，用于在该电机带动下，调整方向，采集太阳能。
2.根据权利要求1所述的太阳实时跟踪系统，其中，该透光孔的面积小于每块该凸透镜的面积，以增大进入该避光盒的全部落在同一块该凸透镜上的概率，从而提高系统的跟踪精度。
3.根据权利要求1所述的太阳实时跟踪系统，其中，该微控制器中预设有一间隔时间值，当该微控制器在工作状态下，该微控制器在初始工作时刻从该光敏元件阵列获取一次太阳方位角信号，并基于该太阳方位角信号调整该太阳能采集板的方向，此后，该微控制器每隔该间隔时间从该光敏元件接收一次太阳方位角信号，并基于该太阳方位角信号调整该太阳能采集板的方向。
4.根据权利要求1所述的太阳实时跟踪系统，其中，由该光敏元件阵列检测出一光强值，该微控制器将该光强值与预设的一光强阈值进行比较，当该光强值大于该光强阈值时，该微控制器启动晴天模式，该微控制器正常工作；当该光强值小于该阈值时，该微控制器启动阴天模式，该微控制器停止从光敏元件阵列接收太阳方位角信号。
5.根据权利要求4所述的太阳实时跟踪系统，其中，晴天模式下，该微控制器预设有一相对阈值TH1，该微控制器将该太阳方位角实时值θ与该太阳方位角前一次值θ’进行比较；当|θ-θ’|≤TH1，该微控制器基于θ向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向；当|θ-θ’|＞TH1，该微控制器根据θ’与TH1计算出此时的一太阳方位角预估值θe，然后基于θe向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向。
6.根据权利要求4所述的太阳实时跟踪系统，其中，在阴天模式下，该微控制器停止向驱动器发出指令，该太阳能采集板不再转动。
7.根据权利要求4所述的太阳实时跟踪系统，该微控制器根据预先输入的纬度参数及当时的时间参数，计算出此时此地的一太阳方位角预估值θe，或者该微控制器中预存有一太阳方位角预估表，该微控制器根据当时的时间参数，查询出此时的一太阳方位角预估值θe。
8.根据权利要求7所述的太阳实时跟踪系统，其中，该避光盒被固定设置，该避光盒具有适合的高度，使得该光敏元件阵列能够检测到太阳高度角大于20°的太阳光线。
9.根据权利要求8所述的太阳实时跟踪系统，其中，晴天模式下，该微控制器内预设有一绝对范围阈值TH2，该微控制器将一太阳方位角实时值θ与该太阳方位角预估值θe进行比较；当|θ-θe|≤TH2，该微控制器基于θ向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向；当|θ-θe|＞TH2时，该微控制器基于θe向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向。
10.根据权利要求8所述的太阳实时跟踪系统，其中，在阴天模式下，该微控制器直接基于该太阳方位角的预估值θe向该驱动器发出指令，以使该驱动器进一步驱动该电机，从而调整该太阳能采集板的方向。
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