CN104020786B - 一种太阳能发电装置追日姿态自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能发电装置追日姿态自动控制系统，包括电机执行单元，电机执行单元连有控制箱，控制箱中设有主控制器和电源电路；主控制器储有内部时钟电路和主控运算程序，该主控制器线路接有反馈太阳在图像中位置坐标信息的太阳位置传感器以及用于人工设定太阳能发电装置所处经纬度参数的上位机，主控制器依据输入的经纬度参数和内部时钟提供的实时时间参数计算得出太阳方位角和高度角后控制太阳能光伏板转动到计算得出的太阳方位角和高度角，主控制器再依据太阳位置传感器输入的实时太阳位置坐标信息控制太阳能光伏板转动到太阳位置坐标的校准太阳位置坐标，实现太阳能发电装置追日姿态的高精度控制。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能应用技术领域，特别是涉及一种太阳能发电装置追日姿态自动控制系统。
背景技术
太阳能作为一种环保、绿色、可持续的新能源，全世界都在积极的对太阳能的开发利用进行广泛的研究。有理论研究表明，自动追踪式太阳能发电装置与定点式太阳能发电装置相比，可以使太阳能的接收效率提高35%。是现阶段国际上太阳能发电领域极力推荐的新技术、新产品。
自动追踪式太阳能发电装置就是太阳能光伏板实时对准太阳，保持太阳光线实时正射在太阳光伏板上。由于太阳的方位和高度是时时刻刻变化的，每一台的同一时刻也是不同的，这就需要控制系统参与控制太阳发电装置的姿态控制，使太阳能光伏板时刻正对太阳。所以要实现太阳能发电装置追日姿态的自动控制，就必须要得知太阳的实时方位和高度。太阳的实时方位和高度可以根据经纬度参数和实时时间采用天文学知识计算得到。控制系统再根据计算得到的太阳实时方位和高度，控制方位执行电机带动太阳发电装置转动到实际方位，控制高度执行电机带动太阳发电装置。这种方法由于是开环控制，控制的精度直接受传动装置的机械误差影响，并且会产生误差累积。要实现高精度的控制就必须要依赖高精度的机械传动装置，成本是非常巨大的，实用价值不大。一种改进方法是采用光敏电阻或光敏二极管作为反馈，让系统减轻了对机械传动装置精度的依赖，但是由于光敏电阻或光敏二级管在太阳位置检测中误差较大，并且比较容易受干扰，只能实现粗略的追日姿态的控制，不能实现追日姿态的高精度控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供具有结构简单、成本低廉、接口统一且能在太阳能应用中实现追日姿态高精度控制的一种太阳能发电装置追日姿态自动控制系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种太阳能发电装置追日姿态自动控制系统，包括用于驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板上下左右运动的电机执行单元，电机执行单元线路连接有控制箱，该控制箱中设有主控制器和为系统提供电力所需的电源电路；主控制器储有内部时钟电路和主控运算程序，并且该主控制器线路外接有基于图像处理技术以摄像方式获取太阳图像反馈太阳在图像中位置坐标信息的太阳位置传感器以及初始状态时用于人工设定太阳能发电装置所处经纬度参数的上位机，主控制器依据输入的经纬度参数和内部时钟提供的实时时间参数经内部运算处理计算得出太阳方位角和高度角，该主控制器电信号自动控制电机执行单元驱动太阳能光伏板转动到计算得出的太阳方位角和高度角后，主控制器再依据太阳位置传感器输入的实时太阳位置坐标信息电信号自动控制电机执行单元驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板转动到太阳位置坐标的校准太阳位置坐标；控制箱上固定设置有用于方便太阳位置传感器连接的太阳位置传感器接口以及方便上位机连接的通讯接口，上位机能人工手动调整主控制器的内部时钟。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
上述的主控制器经通讯接口连接有能自动获取太阳能发电装置所处经纬度参数和实时时间参数的GPS模块。
上述的主控制器经通讯接口连接有气象模块；该主控制器根据气象模块所提供的气象数据控制电机执行单元在下雨时驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板以45度的倾斜度接受雨水的清洁，或在刮风时驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板与地面平行减少受风面。
上述的太阳位置传感器包括开有透光孔的壳体以及内置在壳体中的减光片、摄像头和信号处理板；摄像头通过减光片将拍摄包含太阳的图像传送给信号处理板，该信号处理板对图像进行处理得出太阳在图像中的位置坐标信息输出给控制箱的主控制器；太阳位置传感器的采光面与太阳能发电装置的太阳能光伏板的受光面相平行，该太阳位置传感器的运动轨迹与太阳能发电装置的太阳能光伏板的运动轨迹相同。
上述的电机执行单元经太阳能发电装置的运动机构驱动太阳能光伏板运动，太阳位置传感器安装在运动机构上，电机执行单元包括左右驱动太阳能光伏板转动到计算出的太阳方位角的左右执行电机和上下驱动太阳能光伏板转动到计算出的太阳高度角的上下执行电机。
上述的太阳能发电装置上安装有均分别与主控制器信号相连的向上行程开关、向下行程开关和上下位置传感器；向上行程开关将运动机构向上运行的最大行程信息反馈至主控制器，向下行程开关将运动机构向下运行的最大行程信息反馈至主控制器，上下位置传感器将检测运动机构在上下运动区间的位置信息反馈至主控制器。
上述的太阳能发电装置上安装有均分别与主控制器信号相连的向左行程开关、向右行程开关和左右位置传感器；向左行程开关将运动机构向左运行的最大行程信息反馈至主控制器，向右行程开关将运动机构向右运行的最大行程信息反馈至主控制器，左右位置传感器将检测运动机构在左右运动区间的位置信息反馈至主控制器。
上述的控制箱上安装有与主控制器相连的左右电机执行单元接口；左右电机执行单元接口包含有用于连接左右执行电机的左右执行电机接口、用于连接向左行程开关的左行程开关接口，用于连接向右行程开关的右行程开关接口和用于连接左右位置传感器的左右位置传感器接口。
上述的控制箱上安装有与主控制器相连的上下电机执行单元接口；上下电机执行单元接口包含有用于连接上下执行电机的上下执行电机接口、用于连接向上行程开关的上行程开关接口，用于连接向下行程开关的下行程开关接口和用于连接上下位置传感器的上下位置传感器接口。
上述的控制箱上安装有与主控制器相连用于在紧急状态下的人工停机的紧急停止按键，并且该控制箱上设置有用于显示系统工作状态的指示灯，指示灯包括电源指示灯、运行指示灯和故障指示灯；控制箱配装有方便电源引入的电源输入接口。
与现有技术相比，本发明的控制箱内的主控制器连接有太阳位置传感器，太阳位置传感器基于图像处理技术以对太阳摄像的方式获取太阳图像信息，输出太阳在图像中位置坐标数据给主控制器，主控制器储有内部时钟电路和主控运算程序，主控制器能根据其内部的时钟和在初始状态时上位机人工输入的太阳能发电装置所处的经纬度参数经运算后智能的控制太阳能光伏板转动到计算得出的太阳方位角和高度角，使太阳能光伏板完成对太阳的初步定位追踪，然后主控制器再根据太阳位置传感器输入的太阳在图像中位置坐标数据控制太阳能光伏板转动到太阳位置坐标的校准太阳位置坐标，从而完成太阳能光伏板的高精度追日姿态控制，实现高精度的实时追踪性能。本发明结构简单、成本低廉、性能可靠，适于各种气象条件下太阳能应用中追日姿态的高精度智能控制。
附图说明
图1是本发明实施例的控制原理示意图；
图2是本发明控制箱的侧面结构示意图；
图3是图2的俯视结构图；
图4是本发明太阳位置传感器工作原理示意图；
图5是图4的分解结构示意图；
图6是本发明摄像头拍摄的分辨率为640*480包含太阳成像的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图6为本发明的结构及工作原理示意图。
其中的附图标记为：太阳位置传感器接口A1、通讯接口A2、电源输入接口A3、左右执行电机接口B1、左行程开关接口B2、右行程开关接口B3、左右位置传感器接口B4、上下执行电机接口C1、上行程开关接口C2、下行程开关接口C3、上下位置传感器接口C4、故障指示灯H、运行指示灯L、电源指示灯S、紧急停止按键T、控制箱1、主控制器11、电源电路12、太阳位置传感器2、透光孔2a、壳体21、减光片22、摄像头23、信号处理板24、GPS模块3、气象模块4、左右执行电机5、向左行程开关51、向右行程开关52、左右位置传感器53、上下执行电机6、向上行程开关61、向下行程开关62、上下位置传感器63、太阳Sun。
如图1至图6所示：本发明的一种太阳能发电装置追日姿态自动控制系统，包括用于驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板上下左右运动的电机执行单元，电机执行单元线路连接有控制箱1，该控制箱1中设有主控制器11和为系统提供电力所需的电源电路12；主控制器11储有内部时钟电路和主控运算程序，并且该主控制器11线路外接有基于图像处理技术以摄像方式获取太阳图像反馈太阳Sun在图像中位置坐标信息的太阳位置传感器2以及初始状态时用于人工设定太阳能发电装置所处经纬度参数的上位机，主控制器11依据输入的经纬度参数和内部时钟提供的实时时间参数经内部运算处理计算得出太阳方位角和高度角，该主控制器11电信号自动控制电机执行单元驱动太阳能光伏板转动到计算得出的太阳方位角和高度角后，主控制器11再依据太阳位置传感器2输入的实时太阳位置坐标信息电信号自动控制电机执行单元驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板转动到太阳位置坐标的校准太阳位置坐标，实现太阳能发电装置追日姿态的高精度智能控制。控制箱1上固定设置有用于方便太阳位置传感器2连接的太阳位置传感器接口A1以及方便上位机连接的通讯接口A2，上位机能人工手动调整主控制器11的内部时钟。现有技术中，太阳能发电装置自动追日控制普遍采用两种追踪方法，一种是根据经纬度参数和实时时间采用天文学知识计算得到，另一种改进方法是采用光敏电阻或光敏二极管作为反馈信号来减少第一种方法产生的误差，提高对太阳追踪的精度。但是由于光敏电阻或光敏二级管自身的特性原因使其在太阳位置检测中误差仍然较大，并且比较容易受干扰，只能实现粗略的追日姿态的控制，因此还不能实现追日姿态的高精度控制。本发明的主控制器11连接有上位机和太阳位置传感器2，能通过上位机在初始状态时提供系统所在位置经纬度参数（当完成初次设定后，由于系统位置不会再动，因此就不需要再次设定了），主控制器11就会自动根据提供的经纬度参数和自身内部时钟的实时时间计算出太阳方位角和高度角，再由主控制器11控制电机执行单元驱动太阳能发电装置转到计算出的太阳方位角和太阳高度角，使太阳能光伏板被控制转到正对太阳的大概位置。太阳位置传感器2为本发明实现高精度追日控制的关键部分，太阳位置传感器2能拍摄太阳图像信息并以图像处理技术反馈太阳Sun在图像中位置坐标数据，使主控制器11能不断地根据太阳位置传感器2输入的实时太阳位置坐标控制电机执行单元驱动太阳能发电装置转到太阳位置坐标的校准太阳位置坐标，这样在任何时刻只要太阳位置传感装置2的太阳位置坐标和校准太阳位置坐标相同，太阳能光伏板就是正对太阳的，通过这种方法就能实现太阳能发电装置追日姿态的高精度自动控制。本发明太阳位置传感装置2的数据传输可以设定特定的时间间隔，上位机也能够对主控制器11的内部时钟进行校准操作，以防止误差。
实施例中，为了提高本发明的时间精度，控制器11还可以经通讯接口A2连接有能自动获取太阳能发电装置所处经纬度参数和实时时间参数的GPS模块3。安装GPS模块3后就可以由GPS模块3为系统提供经纬度参数和实时时间参数，GPS模块3的时钟精度更高，就可以不需要上位机调节和设置了。当然不安装GPS模块3也可以，这时就需要人工通过上位机间隔进行调整。上位机主要用于人工发出各种指令信号。
实施例中，主控制器11经通讯接口A2连接有气象模块4；该主控制器11根据气象模块4所提供的气象数据控制电机执行单元在下雨时驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板以45度的倾斜度接受雨水的清洁，或在刮风时驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板与地面平行减少受风面，减轻对整个系统机械结构的影响。当然不安装气象模块4，人们也可以通过上位机输入指令达到相同的目的，但是安装有气象模块4后系统能实现高度自动化控制。
如图4和图5所示，本发明的太阳位置传感器2包括开有透光孔2a的壳体21以及内置在壳体21中的减光片22、摄像头23和信号处理板24；摄像头23通过减光片22将拍摄包含太阳的图像传送给信号处理板24，该信号处理板24对图像进行处理得出太阳在图像中的位置坐标信息输出给控制箱1的主控制器11；太阳位置传感器2的采光面与太阳能发电装置的太阳能光伏板的受光面相平行，该太阳位置传感器2的运动轨迹与太阳能发电装置的太阳能光伏板的运动轨迹相同。图4显示了本发明的太阳位置传感器2应用时的状态，太阳的光线通过透光孔2a经减光片22降低光强照射到摄像头23的镜头上，摄像头23内部的图像传感器对进入的光进行成像，成像信息传到信号处理板24，信号处理板24进行图形处理提取出太阳位置坐标信息通过外部接口传输给主控制器11。如果摄像头按图4所示正对太阳，摄像头成像中就包括太阳的图像信息，采用640*480图像传感器得到的包含太阳图像的示意图如图6所示，信号处理板进行图像处理的时候就可以得到太阳中心位置在图6所示的坐标。
实施例中，电机执行单元经太阳能发电装置的运动机构驱动太阳能光伏板运动，太阳位置传感器2安装在运动机构上，电机执行单元包括左右驱动太阳能光伏板转动到计算出的太阳方位角的左右执行电机5和上下驱动太阳能光伏板转动到计算出的太阳高度角的上下执行电机6。本发明通过上下执行电机控制太阳能发电装置追日姿态的高度角相应变化，通过左右执行电机控制太阳能发电装置追日姿态的方位角相应变化。
实施例中，太阳能发电装置上安装有均分别与主控制器11信号相连的向上行程开关61、向下行程开关62和上下位置传感器63；向上行程开关61将运动机构向上运行的最大行程信息反馈至主控制器11，向下行程开关62将运动机构向下运行的最大行程信息反馈至主控制器11，上下位置传感器63将检测运动机构在上下运动区间的位置信息反馈至主控制器11。
实施例中，太阳能发电装置上安装有均分别与主控制器11信号相连的向左行程开关51、向右行程开关52和左右位置传感器53；向左行程开关51将运动机构向左运行的最大行程信息反馈至主控制器11，向右行程开关52将运动机构向右运行的最大行程信息反馈至主控制器11，左右位置传感器53将检测运动机构在左右运动区间的位置信息反馈至主控制器11。
实施例中，控制箱1上安装有与主控制器11相连的左右电机执行单元接口；左右电机执行单元接口包含有用于连接左右执行电机5的左右执行电机接口B1、用于连接向左行程开关51的左行程开关接口B2、用于连接向右行程开关52的右行程开关接口B3和用于连接左右位置传感器53的左右位置传感器接口B4。
实施例中，控制箱1上安装有与主控制器11相连的上下电机执行单元接口；上下电机执行单元接口包含有用于连接上下执行电机6的上下执行电机接口C1、用于连接向上行程开关61的上行程开关接口C2、用于连接向下行程开关62的下行程开关接口C3和用于连接上下位置传感器63的上下位置传感器接口C4。
实施例中，控制箱1上安装有与主控制器11相连用于在紧急状态下的人工停机的紧急停止按键T，并且该控制箱1上设置有用于显示系统工作状态的指示灯，指示灯包括电源指示灯S、运行指示灯L和故障指示灯H；所控制箱1配装有方便电源引入的电源输入接口A3。
本发明控制箱1上安装的所有接口均采用标准的防水接口，这样安装维护非常方便。
Claims (1)
1.一种太阳能发电装置追日姿态自动控制系统，包括用于驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板上下左右运动的电机执行单元，其特征是：所述的电机执行单元线路连接有控制箱(1)，该控制箱(1)中设有主控制器(11)和为系统提供电力所需的电源电路(12)；所述的主控制器(11)储有内部时钟电路和主控运算程序，并且该主控制器(11)线路外接有基于图像处理技术以摄像方式获取太阳图像反馈太阳在图像中位置坐标信息的太阳位置传感器(2)以及初始状态时用于人工设定太阳能发电装置所处经纬度参数的上位机，所述的主控制器(11)依据输入的经纬度参数和内部时钟提供的实时时间参数经内部运算处理计算得出太阳方位角和高度角，该主控制器(11)电信号自动控制电机执行单元驱动太阳能光伏板转动到计算得出的太阳方位角和高度角后，所述的主控制器(11)再依据太阳位置传感器(2)输入的实时太阳位置坐标信息电信号自动控制电机执行单元驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板转动到太阳位置坐标的校准太阳位置坐标；所述的控制箱(1)上固定设置有用于方便太阳位置传感器(2)连接的太阳位置传感器接口(A1)以及方便上位机连接的通讯接口(A2)，所述的上位机能人工手动调整主控制器(11)的内部时钟；
所述的主控制器(11)经通讯接口(A2)连接有能自动获取太阳能发电装置所处经纬度参数和实时时间参数的GPS模块(3)；
所述的主控制器(11)经通讯接口(A2)连接有气象模块(4)；该主控制器(11)根据气象模块(4)所提供的气象数据控制电机执行单元在下雨时驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板以45度的倾斜度接受雨水的清洁，或在刮风时驱动太阳能发电装置的太阳能光伏板与地面平行减少受风面；
所述的太阳位置传感器(2)包括开有透光孔(2a)的壳体(21)以及内置在壳体(21)中的减光片(22)、摄像头(23)和信号处理板(24)；所述的摄像头(23)通过减光片(22)将拍摄包含太阳的图像传送给信号处理板(24)，该信号处理板(24)对图像进行处理得出太阳在图像中的位置坐标信息输出给控制箱(1)的主控制器(11)；所述的太阳位置传感器(2)的采光面与太阳能发电装置的太阳能光伏板的受光面相平行，该太阳位置传感器(2)的运动轨迹与太阳能发电装置的太阳能光伏板的运动轨迹相同；
所述的电机执行单元经太阳能发电装置的运动机构驱动太阳能光伏板运动，所述的太阳位置传感器(2)安装在运动机构上，所述的电机执行单元包括左右驱动太阳能光伏板转动到计算出的太阳方位角的左右执行电机(5)和上下驱动太阳能光伏板转动到计算出的太阳高度角的上下执行电机(6)；
所述的太阳能发电装置上安装有均分别与主控制器(11)信号相连的向上行程开关(61)、向下行程开关(62)和上下位置传感器(63)；所述的向上行程开关(61)将运动机构向上运行的最大行程信息反馈至主控制器(11)，所述的向下行程开关(62)将运动机构向下运行的最大行程信息反馈至主控制器(11)，所述的上下位置传感器(63)将检测运动机构在上下运动区间的位置信息反馈至主控制器(11)；
所述的太阳能发电装置上安装有均分别与主控制器(11)信号相连的向左行程开关(51)、向右行程开关(52)和左右位置传感器(53)；所述的向左行程开关(51)将运动机构向左运行的最大行程信息反馈至主控制器(11)，所述的向右行程开关(52)将运动机构向右运行的最大行程信息反馈至主控制器(11)，所述的左右位置传感器(53)将检测运动机构在左右运动区间的位置信息反馈至主控制器(11)；
所述的控制箱(1)上安装有与主控制器(11)相连的左右电机执行单元接口；所述的左右电机执行单元接口包含有用于连接左右执行电机(5)的左右执行电机接口(B1)、用于连接向左行程开关(51)的左行程开关接口(B2)、用于连接向右行程开关(52)的右行程开关接口(B3)和用于连接左右位置传感器(53)的左右位置传感器接口(B4)；
所述的控制箱(1)上安装有与主控制器(11)相连的上下电机执行单元接口；所述的上下电机执行单元接口包含有用于连接上下执行电机(6)的上下执行电机接口(C1)、用于连接向上行程开关(61)的上行程开关接口(C2)、用于连接向下行程开关(62)的下行程开关接口(C3)和用于连接上下位置传感器(63)的上下位置传感器接口(C4)；
所述的控制箱(1)上安装有与主控制器(11)相连用于在紧急状态下的人工停机的紧急停止按键(T)，并且该控制箱(1)上设置有用于显示系统工作状态的指示灯，所述的指示灯包括电源指示灯(S)、运行指示灯(L)和故障指示灯(H)；所述的控制箱(1)配装有方便电源引入的电源输入接口(A3)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 315400 No. 28 Feng Yuan Road, South District, Yuyao Economic Development Zone, Zhejiang, China Applicant after: Ningbo Kingdun Electronic Industry Co.,Ltd. Address before: 315400 No. 28 Feng Yuan Road, South District, Yuyao Economic Development Zone, Zhejiang, Ningbo Applicant before: NINGBO KINGDUN ELECTRONIC INDUSTRY Co.,Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 315400 No.28 Fengyuan Road, South District, Yuyao Economic Development Zone, Zhejiang Province Patentee after: Ningbo Kaidun Electronic Industry Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 315400 No.28 Fengyuan Road, South District, Yuyao Economic Development Zone, Zhejiang Province Patentee before: Ningbo Kingdun Electronic Industry Co.,Ltd. Country or region before: China |