CN104699126A - 用于光伏系统的日向检测装置及日光跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能技术领域，具体涉及一种用于光伏系统的日向检测装置及日光跟踪方法。一种用于光伏系统的日向检测装置，包括感光装置、处理器、时钟芯片、检测电路和处理电路。本发明的感光装置使用多个光敏电阻，增加了太阳光检测的灵敏度和电池板调整的精度。系统加入了时钟芯片，可以根据当前时间计算太阳的大致方位，并调整感光装置，避免了由于感光装置和太阳光线方向相反，感光装置无法接收到太阳光线而造成无法跟踪的问题。根据时间计算进入到夜晚时，可以将感光装置自动回转到太阳升起方位，并使系统休眠达到节能效果。

Description

用于光伏系统的日向检测装置及日光跟踪方法

技术领域

本发明涉及太阳能技术领域，具体涉及一种光伏系统的太阳位置检测装置及太阳方向跟踪的方法。

背景技术

太阳能是一种清洁能源，在利用太阳能电池板接收太阳光进行发电的光伏系统中，原有的太阳能接收装置的太阳能感光板安装方位固定，由于地球自转，太阳光线在不同时刻对于太阳能感光板的入射角度不同，而太阳能电池在太阳光线与感光板垂直入射时充电效率最佳。因此，使太阳能感光板根据太阳光线入射角度来校准太阳能感光板的朝向可以有效地提升太阳能电池的充电效率，提高设备的利用率。

传统的光电式跟踪采用4个光敏器件构建成桥式电路，当太阳光垂直入射时，太阳光斑落在4个光敏器件的中心，4个光敏器件所接收的太阳光强度一致，电桥处于平衡状态，如果太阳光线没有垂直入射，则太阳光斑偏移出中心位置，4个光敏器件所接收的光线强度发生变化，电桥的平衡被打破，就会有电压值输出，利用此电压反馈来驱动电机调整电池板的姿态，保证太阳光的垂直入射。这种方式进行的太阳能电池板的调整虽然能满足实时性，但由于光敏元件电参数的差异，检测精度并不高，也就影响了系统的跟踪精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种用于光伏系统精细跟踪的太阳方位检测装置，该装置结构简单，成本低廉，检测精度高。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：包括感光装置、处理器、时钟芯片、检测电路和处理电路；所述感光装置为内壁涂成黑色的圆筒，所述圆筒带底座，圆筒的上口设有菲涅尔波带片，圆筒的底座上设有中心光敏电阻O，主光敏电阻阵列A、a、C、c和次光敏电阻阵列B、b、D、d；所述中心光敏电阻O位于底座的圆心位置，所述主光敏电阻阵列和次光敏电阻阵列均匀分布在以中心光敏电阻O为圆心，以r为半径的圆筒底座的圆周上，其中r小于圆形底座的半径，光敏电阻A和a、C和c、B和b、D和d分别位于以中心光敏电阻为圆心的圆的同一条直径与两侧圆周的交点上，光敏电阻A和a、C和c所在的两条直径垂直，光敏电阻B和b、D和d所在的两条直径垂直；光敏电阻两两之间有隔板隔开。

菲涅尔波带片位于感光装置顶部，用于提高装置的检测灵敏度。菲涅尔波带片将平行入射的太阳光线聚焦，在感光装置内部形成较小的太阳光斑，只能同时照射少数几个光敏电阻上，光敏电阻安装于感光装置底座上，两两之间用隔板分离。内壁涂黑的圆筒保证光线在感光装置内不会来回反射，减少由此带来的干扰。

处理器和时钟芯片根据当前时间计算太阳的大致方位，调整感光装置正对太阳，主光敏电阻O与其他电路元件及电源构成回路，处理器采集此回路电压，当电压超过一定阈值时，主光敏电阻和次光敏电阻电路开始工作，若光照强度不足，电路进入休眠状态，1小时后再进行检测。

太阳位置跟踪需要实时对太阳位置进行检测，计算位置偏移量用于调整太阳能电池板角度，本发明利用感光装置底座的主光敏电阻A和a以及C和c分别计算俯仰角和方位角的调整量，以此作为太阳能电池板的主调整量，用次光敏电阻B、b、D、d的电压值的组合计算得到的数据对主调整量进行修正，以保证精确跟踪太阳位置。

一种日光跟踪方法，其特征在于：包括

步骤(1)：中心光敏电阻检测太阳光的强度；

步骤(2)：开启其余光敏电阻进行太阳方位检测；

步骤(3)：处理器读取主光敏电阻电路各参考点电压值即电压差值；

步骤(4)：处理器读取次光敏电阻参考点的电压比较值即电压差值；

步骤(5)：处理器计算方位角调整量和俯仰角调整量；

步骤(6)：输出方位角调整量至方位角调整电机；

步骤(7)：输出仰俯角调整量至俯仰角调整电机；

每隔时间t，重复步骤(1)至步骤(7)；

其中，步骤(5)所述俯仰角调整量的计算方法：

以主光敏电阻A和a上的压降之差VA–Va作为太阳能电池板俯仰方向的主调整量，以次光敏电阻B和b上的压降之差VB–Vb与次光敏电阻D和d上的压降之差VD–Vd的算术平均[(VB–Vb)+(VD–Vd)]/2作为太阳能电池板俯仰角方向的辅助调整量，用于控制太阳能电池板俯仰角方向调整量为主调整量与辅助调整量的加权和，即k(VA–Va)+w[(VB–Vb)+(VD–Vd)]/2，其中权值k和权w的关系为，k+w＝1，k≥w>0；

步骤5所述方位角调整量的计算方法：

以主光敏电阻C和c上的压降之差VC–Vc作为太阳能电池板方位角方向主调整量，以次光敏电阻B和D上的压降之差VB–VD与次光敏电阻b和d上的电压降之差Vb–Vd的算术平均[(VB–VD)+(Vb–Vd)]/2作为太阳能电池板方位角方向的辅助调整量，用于控制太阳能电池板方位角方向调整量为方位角主调整量和方位角辅助调整量的加权和，即k(VC–Vc)+w[(VB–VD)+(Vb–Vd)]/2，其中权值k和权w的关系为，k+w＝1，k≥w>0。

本发明的感光装置使用多个光敏电阻，增加了太阳光检测的灵敏度和电池板调整的精度。系统加入了时钟芯片，可以根据当前时间计算太阳的大致方位，并调整感光装置，避免了由于感光装置和太阳光线方向相反，感光装置无法接收到太阳光线而造成无法跟踪的问题。根据时间计算进入到夜晚时，可以将感光装置自动回转到太阳升起方位，并使系统休眠达到节能效果。

附图说明

图1为本发明的感光装置示意图；

图2为光敏电阻分布示意图；

图3为检测电路的连接图；

图4为处理电路I的连接图；

图5为处理电路2的连接图；

图6为整个系统的连接示意图。

其中：1-圆筒；2-菲涅尔波带片；3-隔板；4-底座。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进一步说明。

本发明包括包括包括感光装置、处理器、时钟芯片、检测电路和处理电路。如图1所示，所述感光装置为内壁涂成黑色的圆筒1，所述圆筒1带底座4，圆筒1的上口设有菲涅尔波带片2，圆筒的底座4上设有中心光敏电阻O，主光敏电阻阵列A、a、C、c和次光敏电阻阵列B、b、D、d.如图2所示，所述中心光敏电阻O位于底座4的圆心位置，所述主光敏电阻阵列和次光敏电阻阵列均匀分布在以中心光敏电阻O为圆心，以r为半径的圆筒底座4的圆周上，其中r小于圆形底座4的半径，光敏电阻A和a、C和c、B和b、D和d分别位于以中心光敏电阻为圆心的圆的同一条直径与两侧圆周的交点上，光敏电阻A和a、C和c所在的两条直径垂直，光敏电阻B和b、D和d所在的两条直径垂直；光敏电阻两两之间有隔板3隔开。光敏电阻设置于菲涅尔波带片3以下1.5倍焦距至两倍焦距处。

如图3所示，所述的检测电路包括电源Vs、中心光敏电阻O、电阻R0和多路选通器，中心光敏电阻O的一端连接电源Vs，另一端串接电阻R0接地，中心光敏电阻O和电阻R0的公共端连接到多路选通器的输入端，多路选通器的输出端连接到处理器I/O接口。

当光照射越强时，中心光敏电阻的阻值越小，亦即q点的对地电压值越大，设定一个电压阈值Vth，当q点的对地电压值大于阈值Vth时，系统开始日向跟踪工作状态，当q点的对地电压值小于阈值Vth时，系统便停止日光跟踪，进入休眠状态。当中心光敏电阻O检测太阳能强度升高时，开启其余光敏电阻进行太阳方位检测。

处理电路包括由电源Vs，光敏电阻A、a、C、c，电阻R1、R2、R3、R4，2个电压比较器和多路选通器组成的处理电路I和由电源Vs，光敏电阻B、b、D、d，电阻R5、R6、R7、R8，4个电压比较器和多路选通器组成的处理电路II。

如图4所示，所述处理电路I的光敏电阻A的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻a接地，光敏电阻A和a的公共端连接到电压比较器I的输入端口I；电阻R1的一端连接电源Vs，另一端串接电阻R2接地，电阻R1和R2的公共端连接到电压比较器I的输入端口II；光敏电阻C的一点连接电源Vs，另一端串接光敏电阻c接地，光敏电阻C和c的公共端连接到电压比较器II的输入端口I；电阻R3的一端连接电源Vs，另一端串接电阻R4接地，电阻R3和R4的公共端连接到电压比较器II的输入端口II；电压比较器I和电压比较器II的输出端分别连接到多路选通器的输入端，多路选通器的输出端连接到处理器I/O接口。

如图5所示，所述处理电路II的光敏电阻B的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻R5接地，光敏电阻B和R5的公共端连接到电压比较器5的输入端口2和电压比较器6的输入端口2；光敏电阻b的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻R6接地，光敏电阻b和R6的公共端连接到电压比较器4的输入端口2和电压比较器5的输入端口1；光敏电阻D的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻R7接地，光敏电阻D和R7的公共端连接到电压比较器3的输入端口2和电压比较器6的输入端口1；光敏电阻d的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻R8接地，光敏电阻d和R8的公共端连接到电压比较器3的输入端口1和电压比较器4的输入端口1；电压比较器3、4、5、6的输出端连接到多路选通器的输入端，多路选通器的输出端连接到处理器I/O接口。

上述电压比较器优选采用LM324。

如图6所示，整个系统的电路回路由主光敏电阻阵列、次光敏电阻阵列、电压比较器、多路选通器、时钟芯片和微处理器组成，时钟芯片输出当前当地时间和日期，处理器根据此时间和日期计算太阳的大致方位，并调整感光装置，避免了由于感光装置中没有太阳光射入而无法跟踪太阳的问题。

一种日光跟踪方法，其特征在于：包括

步骤(1)：中心光敏电阻检测太阳光的强度；

步骤(2)：开启其余光敏电阻进行太阳方位检测；

步骤(3)：处理器读取主光敏电阻电路各参考点电压值即电压差值；

步骤(4)：处理器读取次光敏电阻参考点的电压比较值即电压差值；

步骤(5)：处理器计算方位角调整量和俯仰角调整量；

步骤(6)：输出方位角调整量至方位角调整电机；

步骤(7)：输出仰俯角调整量至俯仰角调整电机；

每隔时间t，重复步骤(1)至步骤(7)；

其中，步骤(5)所述俯仰角调整量的计算方法：

以主光敏电阻A和a上的压降之差VA–Va作为太阳能电池板俯仰方向的主调整量，以次光敏电阻B和b上的压降之差VB–Vb与次光敏电阻D和d上的压降之差VD–Vd的算术平均[(VB–Vb)+(VD–Vd)]/2作为太阳能电池板俯仰角方向的辅助调整量，用于控制太阳能电池板俯仰角方向调整量为主调整量与辅助调整量的加权和，即k(VA–Va)+w[(VB–Vb)+(VD–Vd)]/2，其中权值k和权w的关系为，k+w＝1，k≥w>0；

步骤5所述方位角调整量的计算方法：

以主光敏电阻C和c上的压降之差VC–Vc作为太阳能电池板方位角方向主调整量，以次光敏电阻B和D上的压降之差VB–VD与次光敏电阻b和d上的电压降之差Vb–Vd的算术平均[(VB–VD)+(Vb–Vd)]/2作为太阳能电池板方位角方向的辅助调整量，用于控制太阳能电池板方位角方向调整量为方位角主调整量和方位角辅助调整量的加权和，即k(VC–Vc)+w[(VB–VD)+(Vb–Vd)]/2，其中权值k和权w的关系为，k+w＝1，k≥w>0。

当太阳光线经过菲涅尔波带片聚光后形成的太阳光斑偏离光敏电阻阵列的中心时(上下方向的偏离)，主光敏电阻A和次光敏电阻a的电阻值就会发生相应的变化，假如光斑偏向光敏电阻A而远离光敏电阻a，则光敏电阻A的阻值就会增加，光敏电阻a电阻值减小，图4中参考点41的电压值(对地)相应地变化，而参考点42此时的电压值(对地)并不会发生变化，电压比较器通过将41点电压值和42点电压值(参考电压)比较输出比较结果，即41点和42点的电压差，来表征太阳在上下方向偏离光敏电阻阵列中心的量，这也是太阳能电池板俯要在仰角方向进行调整的主调整量，同理当光斑偏离光敏电阻阵列中心时(左右方向)，此偏移量也由43和44点的电压差表征，作为太阳能电池板方位角方向的主调整量。为提高系统跟踪太阳位置的精度，本发明还使用了4个次光敏电阻B、b、D、d为辅助器件，即用光敏电阻B、b、D、d采集的相应参考点的电压值的组合运算结果作为俯仰角方向和方位角方向调整量的修正量，具体的计算为：

俯仰角调整量：

以光敏电阻A和a采集的电压差(即图4中41与42点的电势差VA-Va)乘以校正因子k为主调整量，以B、b、D、d采集电压值VB与Vb之差和电压值VD与Vd之差的算术平均[(VB-Vb)+(VD–Vd)]/2乘以校正因子w作为辅助调整量，如果校正因子k＝w＝1/2，则系统按照公式(VA–Va)/2+w[(VB–Vb)+(VD–Vd)]/4计算用于太阳能电池板的实际调整量。

方位角调整量：

以光敏电阻C和c采集的电压差(即图4中43与44点的电势差VC-Vc)乘以校正因子k为主调整量，以B、b、D、d点的采集电压值组合[(VB–VD)+(Vb–Vd)]/2乘以校正因子w为辅助修正量，如果采用的校正因子k＝w＝1/2，则系统按照公式k(VC–Vc)/2+w[(VB–VD)+(Vb–Vd)]/4计算用于太阳能电池板的实际调整量。

俯仰角和方位角的实际调整量由微处理器进行计算，计算结果经过映射换算成电机要调整的步数送到相应的电机，用于调整太阳能电池板的姿态。

Claims (7)

1.一种用于光伏系统的日向检测装置，其特征在于：包括感光装置、处理器、时钟芯片、检测电路和处理电路；所述感光装置为内壁涂成黑色的圆筒(1)，所述圆筒(1)带底座(4)，圆筒(1)的上口设有菲涅尔波带片(2)，圆筒的底座(4)上设有中心光敏电阻O，主光敏电阻阵列A、a、C、c和次光敏电阻阵列B、b、D、d；所述中心光敏电阻O位于底座(4)的圆心位置，所述主光敏电阻阵列和次光敏电阻阵列均匀分布在以中心光敏电阻O为圆心，以r为半径的圆筒底座(4)的圆周上，其中r小于圆形底座(4)的半径，光敏电阻A和a、C和c、B和b、D和d分别位于以中心光敏电阻为圆心的圆的同一条直径与两侧圆周的交点上，光敏电阻A和a、C和c所在的两条直径垂直，光敏电阻B和b、D和d所在的两条直径垂直；光敏电阻两两之间有隔板(3)隔开。

2.根据权利要求1所述的用于光伏系统的日向检测装置，其特征在于：所述的检测电路包括电源Vs、中心光敏电阻O、电阻R0和多路选通器，中心光敏电阻O的一端连接电源Vs，另一端串接电阻R0接地，中心光敏电阻O和电阻R0的公共端连接到多路选通器的输入端，多路选通器的输出端连接到处理器I/O接口。

3.根据权利要求1所述的用于光伏系统的日向检测装置，其特征在于：所述的处理电路包括由电源Vs，光敏电阻A、a、C、c，电阻R1、R2、R3、R4，2个电压比较器和多路选通器组成的处理电路I和由电源Vs，光敏电阻B、b、D、d，电阻R5、R6、R7、R8，4个电压比较器和多路选通器组成的处理电路II。

4.根据权利要求3所述的用于光伏系统的日向检测装置，其特征在于：所述处理电路I的光敏电阻A的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻a接地，光敏电阻A和a的公共端连接到电压比较器I的输入端口I；电阻R1的一端连接电源Vs，另一端串接电阻R2接地，电阻R1和R2的公共端连接到电压比较器I的输入端口II；光敏电阻C的一点连接电源Vs，另一端串接光敏电阻c接地，光敏电阻C和c的公共端连接到电压比较器II的输入端口I；电阻R3的一端连接电源Vs，另一端串接电阻R4接地，电阻R3和R4的公共端连接到电压比较器II的输入端口II；电压比较器I和电压比较器II的输出端分别连接到多路选通器的输入端，多路选通器的输出端连接到处理器I/O接口。

5.根据权利要求3所述的用于光伏系统的日向检测装置，其特征在于：所述处理电路II的光敏电阻B的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻R5接地，光敏电阻B和R5的公共端连接到电压比较器5的输入端口2和电压比较器6的输入端口2；光敏电阻b的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻R6接地，光敏电阻b和R6的公共端连接到电压比较器4的输入端口2和电压比较器5的输入端口1；光敏电阻D的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻R7接地，光敏电阻D和R7的公共端连接到电压比较器3的输入端口2和电压比较器6的输入端口1；光敏电阻d的一端连接电源Vs，另一端串接光敏电阻R8接地，光敏电阻d和R8的公共端连接到电压比较器3的输入端口1和电压比较器4的输入端口1；电压比较器3、4、5、6的输出端连接到多路选通器的输入端，多路选通器的输出端连接到处理器I/O接口。

6.根据权利要求1所述的用于光伏系统的日向检测装置，其特征在于：光敏电阻设置于菲涅尔波带片3以下1.5倍焦距至两倍焦距处。

7.一种日光跟踪方法，其特征在于：包括

步骤(1)：中心光敏电阻检测太阳光的强度；

步骤(2)：开启其余光敏电阻进行太阳方位检测；

步骤(3)：处理器读取主光敏电阻电路各参考点电压值即电压差值；

步骤(4)：处理器读取次光敏电阻参考点的电压比较值即电压差值；

步骤(5)：处理器计算方位角调整量和俯仰角调整量；

步骤(6)：输出方位角调整量至方位角调整电机；

步骤(7)：输出仰俯角调整量至俯仰角调整电机；

每隔时间t，重复步骤(1)至步骤(7)；

其中，步骤(5)所述俯仰角调整量的计算方法：

以主光敏电阻A和a上的压降之差VA–Va作为太阳能电池板俯仰方向的主调整量，以次光敏电阻B和b上的压降之差VB–Vb与次光敏电阻D和d上的压降之差VD–Vd的算术平均[(VB–Vb)+(VD–Vd)]/2作为太阳能电池板俯仰角方向的辅助调整量，用于控制太阳能电池板俯仰角方向调整量为主调整量与辅助调整量的加权和，即k(VA–Va)+w[(VB–Vb)+(VD–Vd)]/2，其中权值k和权w的关系为，k+w＝1，k≥w>0；步骤5所述方位角调整量的计算方法：

以主光敏电阻C和c上的压降之差VC–Vc作为太阳能电池板方位角方向主调整量，以次光敏电阻B和D上的压降之差VB–VD与次光敏电阻b和d上的电压降之差Vb–Vd的算术平均[(VB–VD)+(Vb–Vd)]/2作为太阳能电池板方位角方向的辅助调整量，用于控制太阳能电池板方位角方向调整量为方位角主调整量和方位角辅助调整量的加权和，即k(VC–Vc)+w[(VB–VD)+(Vb–Vd)]/2，其中权值k和权w的关系为，k+w＝1，k≥w>0。