CN103592958A - 一种太阳能追光方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能追光方法及系统，所述方法包括以下步骤：（a）通过卫星模块与卫星授时定位系统进行通讯，得到太阳能板所在位置坐标及当前时区时间；（b）将位置坐标信息及当前时区时间传输给微处理器，微处理器读取数据后，通过太阳能高度角和方位角算法，计算得到当前太阳相对于太阳能板的高度角和方位角；（c）微处理器判断高度角是否大于0度：如果不大于，则不发出任何驱动信号；如果大于，则微处理器按周期更新太阳高度角和方位角，并将太阳高度角和方位角信息发送给电机驱动电路，驱动电机使太阳能板对准太阳。本发明精度高，反应快，不受天气等自然因素影响，适合大面积太阳能板的对光，性价比高。

Description

一种太阳能追光方法及系统

技术领域

本发明涉及电气控制领域，具体涉及太阳能控制技术领域的一种太阳能追光方法及系统。

背景技术

中国作为世界上第二大能源消耗国，经济的飞速发展给新能源的开发和利用带来了巨大的潜力和压力。另一方面，中国幅员广阔，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，中国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x1018KJ，全国各地太阳年辐射总量达 335~837KJ/cm²·a。如果人们能充分利用其中的一小部分，那也将是具大的能源资源。2012年底，全球光伏新增装机容量达到31GW，累计装机量达到98.5GW的历史新高。光伏市场的中心也正从欧洲的德国、意大利、法国、西班牙向中国、美国和日本等新兴市场转移。中国光伏发电发展非常迅速，2012年中国光伏装机4.5GW，增速达到66%，累计装机量近8GW，预计2013年新增装机7GW。国家对发展光伏应用决心坚定，并给予优厚的政策鼓励。

然而，依据2013中国光伏产业发展报告可知，当前风能的实际利用率并不高。传统的太阳能系统主要采用固定式安装或者采用光学传感器追光。采用固定式安装的太阳能板由于无法根据太阳位置的变化调整太阳能板，因而太阳能的利用率较低，导致投入大，产能低，性价比不高。而采用光学传感器追光虽然可行，但由于太阳光的间歇性与天气的多重影响，导致太阳能板也无法实时对准太阳，影响了效率。

发明内容

本发明的目的在于根据上述问题与矛盾，针对现有技术中太阳能的低利用率和低性价比问题，提供一种太阳能追光方法及系统，其精度高，反应快，不受天气等自然因素影响，适合大面积太阳能板的对光，性价比高。

本发明采用如下技术方案：

一种太阳能追光方法，包括以下步骤：

（a）通过卫星模块与卫星授时定位系统进行通讯，得到太阳能板所在位置坐标及当前时区时间；

（b）将位置坐标信息及当前时区时间传输给微处理器，微处理器读取数据后，通过太阳能高度角和方位角算法，计算得到当前太阳相对于太阳能板的高度角和方位角；

（c）微处理器判断高度角是否大于0度：如果不大于，则不发出任何驱动信号；如果大于，则微处理器按周期更新太阳高度角和方位角，并将太阳高度角和方位角信息发送给电机驱动电路，驱动电机使太阳能板对准太阳。

进一步，所述太阳高度角的H的算法的计算公式可以为：

公式中，

表示观测点地理纬度，

表示太阳的赤纬角，

表示太阳时角，三者单位都为度；

其中：

（1）

可以根据卫星定位得到；

（2）赤纬角

的计算：

 

其中，

      

  

     Year表示年份，由卫星授时得到；NT表示取整；N表示积日，即一年中的第多少天；

（3）太阳时角的计算：

     

，

表示真太阳时间，单位为小时；

     

为时区时间，由卫星授时得到，Longitude为观测点经度，单位为度，由北斗定位得；

     

   

进一步，所述太阳方位角A的计算公式可以为：

  

公式中各参数含义同上述，太阳方位角的单位为度。

进一步，一个卫星模块可以被至少一个太阳能板使用，每个太阳能板均具有自己的微处理器。

进一步，所述方法还可以包含步骤：对卫星模块进行周期性地数据更新。

进一步，对卫星模块可以进行周期性地数据更新，如周期性的地理坐标更新和系统校时。

进一步，所述卫星模块为北斗模块，所述时区时间为北京时间时，所述方法包含以下步骤：

步骤S1、使北斗模块与北斗卫星通讯，得到太阳能板所在位置的地理坐标和当前北京时间，并将位置坐标信息及当前北京时间传输给微处理器；

步骤S2、微处理器将得到的太阳能板地理位置和时间信息，通过太阳高度角方位角算法，计算得到当前太阳相对于太阳能板的高度角和方位角；

步骤S3、微处理器判断高度角是否大于0度，如果不大于，则不发出任何驱动信号；如果大于，则进入步骤S4；

步骤S4、判断太阳高度角是否大于预定范围，如果是，则转入步骤S5，否则，转入步骤S6；

步骤S5、当太阳高度角大于0度但小于预定范围时，让太阳能板提前作好迎接阳光的准备；

步骤S6、当太阳高度角大于预定范围时，让太阳能板对光，否则不产生动作；

步骤S7、微处理器发出驱动信号；

步骤S8、控制器根据来自微处理器的驱动信号驱动步进电机调整太阳板对准太阳。

本发明同时提供一种太阳能追光系统，包含支架、底座和由支架与底座支撑起的太阳能板，所述太阳能板安装在相互垂直设置的垂直步进电机和水平步进电机构成的框架上，所述垂直步进电机用于利用控制器控制太阳能板沿第一方向180度旋转，所述水平步进电机用于利用控制器控制太阳能板沿与所述第一方向垂直的方向180度旋转，所述控制器利用了上述的方法。

进一步，所述控制器包可以含卫星模块和多个微处理器，每个微处理器对应一个太阳能板，至少一个太阳能板共用一个卫星模块。

本发明一种太阳能追光方法及系统的优点如下所述。

（1）使用本发明，可以有效提高太阳能的利用效率，减小由于天气等因素造成的光能资源浪费。

（2）采用卫星授时定位，自动追踪太阳位置，不必考虑由于太阳能板安装位置变化而进行软件调整。

（3）优化的太阳高度角和方位角算法，充分考虑地球绕太阳运转的时间，补偿闰年平年产生的累积误差，提高了算法的准确度和精度。

（4）由于任何定位都存在一定合理的误差，因此可以一个太阳能场内，多块太阳能板共用一个北斗通讯模块，提高了系统的稳定性，节省了投入。

（5）周期性的数据更新，如地理坐标更新和系统校时，提高了北斗的使用寿命和系统的抗干扰性能。

附图说明

图1是本发明一种太阳能追光方法的流程示意图。

图2是本发明一种太阳能追光方法的一个实施例的流程示意图。

图3是本发明一种太阳能追光系统的结构示意图。

附图标号说明：

1、垂直步进电机；                  2、水平步进电机；

3、太阳能板；                      4、控制器；

5、支架；                          6、底座。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明一种太阳能追光方法及系统的具体实施方式，但是，本发明的实施不限于以下的实施例。

参见图1。一种太阳能追光方法，包括以下步骤：（a）通过卫星模块与卫星授时定位系统进行通讯，得到太阳能板所在位置坐标及当前时区时间；（b）将位置坐标信息及当前时区时间传输给微处理器，微处理器读取数据后，通过太阳能高度角和方位角算法，计算得到当前太阳相对于太阳能板的高度角和方位角；（c）微处理器判断高度角是否大于0度：如果不大于，则不发出任何驱动信号；如果大于，则微处理器按周期更新太阳高度角和方位角，并将太阳高度角和方位角信息发送给电机驱动电路，驱动电机使太阳能板对准太阳。

步骤（b）中，太阳能板的高度角和方位角的算法可以分别具体为：

（Ⅰ）太阳高度角的H的计算公式为：

公式中，

表示观测点地理纬度，

表示太阳的赤纬角，

表示太阳时角，三者单位都为度；其中：

（1）

可以根据卫星定位得到；

（2）赤纬角

的计算：

    

其中，

 ，

      

  

     Year表示年份，由卫星授时得到；NT表示取整；N表示积日，即一年中的第多少天；

（3）太阳时角

的计算：

     

，

表示真太阳时间，单位为小时；

     

为时区时间，由卫星授时得到，Longitude为观测点经度，单位为度，由北斗定位得；

     

   

（

）太阳方位角A的计算公式为：

  

公式中各参数含义同（

）中所述，太阳方位角的单位为度。

上述太阳能追光方法中，一个卫星模块可以被至少一个太阳能板使用，每个太阳能板均具有自己的微处理器。还可以对卫星模块进行周期性地数据更新，如对卫星模块进行周期性的地理坐标更新和系统校时。

我国自主研发的北斗授时定位系统已经开放了免费公用的授时、定位服务，精度会随着北斗的不断发展而逐步提高。通过北斗通讯模块，可以通过与北斗卫星进行通讯获取太阳能板所在地理位置信息和时间信息。图5显示卫星为北斗卫星时的一个具体实施例，其包括以下几个步骤。

步骤S1、使北斗模块与北斗卫星通讯，得到太阳能板所在位置的地理坐标和当前北京时间，并将位置坐标信息及当前北京时间传输给微处理器。此步骤中，可以使用诸如UM220BD+GPS双模定位模块，此模块通过UART与微处理器的UART引脚连接。通过触发UART中断，可以将数据传输给微处理器。微处理器可以使用单片机、ARM嵌入式硬件或者DSP，可依据实际应用需要进行合理选择。当数据采集完毕后，触发微处理器中断，微处理器收到中断请求后，接收北斗模块数据，得到太阳能板地理位置和当前北京时间。进一步，可以在一定范围内多块太阳能板共用一个北斗通讯模块，以提高系统的稳定性，降低成本投入。

步骤S2、微处理器将得到的太阳能板地理位置和时间信息，通过太阳高度角方位角算法，计算得到当前太阳相对于太阳能板的高度角和方位角。太阳东升西落，日复一日，有着稳定的运动轨迹。利用地平坐标系建立太阳相对于地球运动的数学模型，就可以将太阳各个时刻的位置进行确定，从而使太阳能板对准太阳位置，提高太阳能的利用率。通过数学建模，三角分析，本申请得到太阳实时高度角H和方位角A的计算公式：

对于方位角A，如果地方时间小于12点整，则太阳方位角A取其负值。即如果

，太阳方位角等于-A度。

其中，

表示能观测点地理纬度，表示太阳的赤纬角，

表示太阳时角，三者单位都为度。其中

可以根据北斗定位得到，下面介绍赤纬角

和太阳时角

的计算。

赤纬角

：

    

其中，

    

其中，

  

其中，Year表示年份，由北斗授时得到。INT表示取整。N表示积日，即一年中的第多少天，由于平年与闰年的区别，可以对积日将进行三年度修正,即每3年对积日进行一次修正，以提高精度。

其中，太阳时角

：

     

其中，

表示真太阳时间，单位为小时。我们知道从北斗授时系统得到的时间是北京时间，也就是东八区，120E经线上的时间，它既不是真太阳时，也不是观测点真正的时间，观测点的地方时间为：

     

其中，

为北京时间，由北斗授时得到，Longitude为观测点经度，单位为度，由北斗定位得到。由此，真太阳时为：

                

其中，

  。

由此，通过上面的计算就可以得到太阳高度角H。

进一步，对于太阳方位角A：

  

各参数含义同上，代入数据就可以得到任意观察点在任意时刻在太阳方位角，单位为度。

进一步，如果地方时间小于12点整，则太阳方位角A取其负值。即如果

<12，太阳方位角等于-A度。

当然也可以用别的算法计算太阳实时高度角H和方位角A，如中国专利申请公布号为CN102541092A所公开的专利申请中记载的太阳实时高度角H和方位角A的算法，在此不再赘述。

步骤S3、微处理器判断高度角是否大于0度，如果不大于，则不发出任何驱动信号；如果大于，则进入下一步，即步骤S4。微处理器计算出太阳高度角和方位角后，判断高度角是否为负，即太阳是否还在水平线以下，或者说，当前太阳位置是否不为白天状态，如果是，则说明还没有日出，不必驱动太阳能板对光；如果不是，则微处理器按周期更新太阳高度角和方位角，并将太阳高度角和方位角信息发送给步进电机驱动路，驱动步进电机使太阳能板对准太阳。

步骤S4、判断太阳高度角是否大于预定范围，如果是，则转入步骤S5，否则，转入步骤S6。

步骤S5、当太阳高度角大于0度但小于预定范围时，让太阳能板提前作好迎接阳光的准备。也就是说，当太阳高度角仍接近零度时，比如在5度以下，可以驱动太阳能电池板转向水平线位置，等待太阳光的出现，这样也能减小由于误差造成的光能资源浪费。

步骤S6、当太阳高度角大于预定范围时，让太阳能板对光，否则不产生动作。为了防止太阳板的不断调整而引起的太阳能板抖动，同时也考虑步进电机的动作精度和使用寿命。因此可以设定，只有当角度差超出预定范围时，如大于5度时，再让太阳能板对光。否则不产生动作。

此外，一般太阳能板安装后就几乎不会变化，此时时间信息就成了决定太阳高度角和太阳方位角的唯一参数。为了延长北斗模块的使用寿命和提高系统抗干扰能力，可以采用周期性的数据更新。比如8个小时更新一次地理坐标，同时进行一次系统校时。而平常由微处理器定时器进行时间更新。

步骤S7、微处理器发出驱动信号。微处理器程序将驱动步进电机的信号通过输入输出口送出到步进电机驱动电路。例如：首先送出水平步进电机驱动信号，当误差为负时，则发送水平步进电机正转信号，反之则发送水平步进电机反转信号；其次发送垂直步进电机驱动信号，当误差为负时，则发送垂直步进电机正转信号，反之则发送垂直步进电机反转信号，

步骤S8、控制器根据来自微处理器的驱动信号驱动步进电机调整太阳板对准太阳。步进电机驱动电机得到驱动信号后，将信号进行放大，首先驱动水平电机转动，当水平步进电机到位后，等待垂直步进电机驱动信号，然后驱动垂直步进电机调整到位，两个方向都到位后，则一次对光完成，等待下一次的调整驱动信号。

本发明同时提供一种太阳能追光系统，如图3所示。太阳能追光系统包含支架5、底座6和由支架5与底座6支撑起的太阳能板3，所述太阳能板3安装在相互垂直设置的垂直步进电机1和水平步进电机2构成的框架上，所述垂直步进电机1用于利用控制器4控制太阳能板3沿第一方向180度旋转，所述水平步进电机2用于利用控制器4控制太阳能板3沿与所述第一方向垂直的方向180度旋转，所述控制器4利用了上述的太阳能追光方法。所述控制器4可以安装在所述支架5上靠近底座6的一端。

所述控制器4包含卫星模块和多个微处理器，每个微处理器对应一个太阳能板，至少一个太阳能板共用一个卫星模块。由于北斗模块本身存在一定的精度，同时为了节约成本，可以几个太阳能板共用一个北斗模块，即不必每个控制器4内都含有北斗模块。可以几个太阳能板共用一个控制器4的驱动信号，但每个太阳能板仍然需要自己的微处理器用于记录历史数据和控制太阳能转换及显示等。控制器4内可以进一步含有显示器、太阳能转换电路、存储器及其它外围电路。

本发明将采用太阳轨迹跟踪法，利用北斗模块接收来自北斗授时定位系统的信息。通过硬件模块计算出太阳高度角和太阳时角，驱动双轴，水平轴和垂直轴，步进电机，使太阳能板对准太阳。本发明太阳能追光系统精度高，反应快，不受天气等自然因素影响，适合大面积太阳能板的对光，性价比高。

应当指出，以上叙述中的实施方式仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种太阳能追光方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（a）通过卫星模块与卫星授时定位系统进行通讯，得到太阳能板所在位置坐标及当前时区时间；

（b）将位置坐标信息及当前时区时间传输给微处理器，微处理器读取数据后，通过太阳能高度角和方位角算法，计算得到当前太阳相对于太阳能板的高度角和方位角；

（c）微处理器判断高度角是否大于0度：如果不大于，则不发出任何驱动信号；如果大于，则微处理器按周期更新太阳高度角和方位角，并将太阳高度角和方位角信息发送给电机驱动电路，驱动电机使太阳能板对准太阳。

2.根据权利要求1所述的太阳能追光方法，其特征在于，步骤（b）中，

所述太阳高度角的H的算法的计算公式具体为：

公式中，

表示观测点地理纬度，

表示太阳的赤纬角，

表示太阳时角，三者单位都为度；

其中：

（1）

可以根据卫星定位得到；

（2）赤纬角

的计算：

    

其中，

 ，

      

  

     Year表示年份，由卫星授时得到；NT表示取整；N表示积日，即一年中的第多少天；

（3）太阳时角

的计算：

     

，

表示真太阳时间，单位为小时；

     

为时区时间，由卫星授时得到，Longitude为观测点经度，单位为度，由北斗定位得；

      

  。

3.根据权利要求2所述的太阳能追光方法，其特征在于，步骤（b）中，

所述太阳方位角A的计算公式为：

  

公式中各参数含义同权利要求2中所述，太阳方位角的单位为度。

4.根据权利要求1所述的太阳能追光方法，其特征在于，一个卫星模块被至少一个太阳能板使用，每个太阳能板均具有自己的微处理器。

5.根据权利要求1所述的太阳能追光方法，其特征在于，所述方法还包含步骤：对卫星模块进行周期性地数据更新。

6.根据权利要求5所述的太阳能追光方法，其特征在于，对卫星模块进行周期性地数据更新包含周期性的地理坐标更新和系统校时。

7.根据权利要求1所述的太阳能追光方法，其特征在于，所述卫星模块为北斗模块，所述时区时间为北京时间时，所述方法包含以下步骤：

步骤S1、使北斗模块与北斗卫星通讯，得到太阳能板所在位置的地理坐标和当前北京时间，并将位置坐标信息及当前北京时间传输给微处理器；

步骤S2、微处理器将得到的太阳能板地理位置和时间信息，通过太阳高度角方位角算法，计算得到当前太阳相对于太阳能板的高度角和方位角；

步骤S3、微处理器判断高度角是否大于0度，如果不大于，则不发出任何驱动信号；如果大于，则进入步骤S4；

步骤S4、判断太阳高度角是否大于预定范围，如果是，则转入步骤S5，否则，转入步骤S6；

步骤S5、当太阳高度角大于0度但小于预定范围时，让太阳能板提前作好迎接阳光的准备；

步骤S6、当太阳高度角大于预定范围时，让太阳能板对光，否则不产生动作；

步骤S7、微处理器发出驱动信号；

步骤S8、控制器根据来自微处理器的驱动信号驱动步进电机调整太阳板对准太阳。

8.一种利用权利要求1-7中任一项方法的太阳能追光系统，包含支架、底座和由支架与底座支撑起的太阳能板，其特征在于，所述太阳能板安装在相互垂直设置的垂直步进电机和水平步进电机构成的框架上，所述垂直步进电机用于利用控制器控制太阳能板沿第一方向180度旋转，所述水平步进电机用于利用控制器控制太阳能板沿与所述第一方向垂直的方向180度旋转，所述控制器利用了权利要求1-7中其中一项所述的方法。

9.根据权利要求8所述的太阳能追光系统，其特征在于，所述控制器包含卫星模块和多个微处理器，每个微处理器对应一个太阳能板，至少一个太阳能板共用一个卫星模块。

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