CN104932546B - 船载式自适应太阳能电池板搭载装置及自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船载式自适应太阳能电池板搭载装置及自适应方法，根据船的位置和当前日期及时间，通过船载GPS、电罗经输出的时间、经纬度、船首向计算太阳高度角、太阳方位角和船舶转向角；调整太阳能电池板的角度，使太阳能电池板与太阳光线垂直。实现上述方法的装置包括主控单元，以及与其连接的3个驱动旋转单元，主控单元用于计算太阳高度角、太阳方位角和船舶转向角，发出控制指令给相应的驱动旋转单元。采用本发明方法和装置，能够使得太阳能电池板随太阳和船舶船首向的变化而变化，自动调节太阳能电池板使其与太阳光线垂直，使航行的船舶充分利用太阳能，从而提高船载式太阳能电池板对太阳能的利用。

Description

船载式自适应太阳能电池板搭载装置及自适应方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种船载式自适应太阳能电池板搭载装置及自适应方法。

背景技术

随着人类对石油和煤炭等矿物资源的使用，这些一次性不可再生资源面临枯竭的严重威胁，而且矿物资源的燃烧产生大量的温室气体，造成地球气温上升。在水路运输方面随着国际公约、规则的出台和“MARPOL 73/78”实施，传统能源的利用受到冲击，船舶减排与低碳趋势已在强制要求下日趋凸显。在此背景下，范围内对船舶清洁能源的应用进行了大量研究。太阳能作为一种清洁能源具有储量无限、无排放无污染的优点，但是地球与太阳在空间内是相对运动的，导致太阳能又存在着空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列固定太阳能设备对太阳能的利用率不高。特别是移动设备上的太阳能装置，其利用率更低。太阳每时每刻都是在运动着，不管哪种太阳能设备，如果太阳能电池板始终保持与太阳光线垂直，那么他就可以在相同的使用面积下收集更多的太阳能。太阳能设备的能量转换部分若想保持与太阳光垂直，就必须要推算出太阳光线与测者真地平平面不同地点不同时间的夹角。太阳能电池板的自适应装置为解决这一问题提供了条件。研究表明，太阳能设备对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，其能量的利用率相差37.7％[1]。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种船载式自适应太阳能电池板搭载装置及自适应方法，能够使航行的船舶充分利用太阳能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种船载式太阳能电池板自适应方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、根据船的位置和当前日期及时间，计算太阳高度角和太阳方位角；

所述船的位置为经度和纬度信息；船的位置和当前日期及时间均从船上已有设备中导入或手动输入；

所述的太阳高度角和太阳方位角根据天文学原理计算得到；

S2、根据太阳高度角hs、太阳方位角As和船舶转向角调整太阳能电池板的角度，使得太阳能电池板与太阳光线垂直；

通过电罗经获得船舶船首向，经算法分析得到船舶转向角；设太阳能电池板与经线之间所夹的锐角或直角为A，太阳能电池板与纬线之间所夹的锐角或直角为B，船舶转向前船舶首尾线与船舶转向后船舶首尾线的夹角为C(角C可为钝角、直角、锐角)；

转动太阳能电池板使得A+hs＝90°，B＝As，C＝船舶转向角，且C的方向与船舶转向角相反。

按上述方法，所述的S2具体为：

2.1、首先启动复位键的设置，系统自动将电池板恢复到固定位置，该位置特征为：太阳能板与船舶所在位置经纬线交叉所形成的平面平行，即保持太阳能板与经纬线的夹角为零度；

2.2、自适应太阳高度角hs变化

根据S1得出的太阳高度角，转动太阳能电池板使得A+hs＝90°；

2.3、自适应太阳方位角As变化

根据S1得出的太阳方位角，转动太阳能电池板使得当地方时为06：00-12:00时，B＝As；当地方时时间在12:00-18：00时，B＝(360°-AS)；

2.4、自适应船舶转向变化

根据S1得出的船舶转向角，转动太阳能电池板使得C＝船舶转向角，且C的方向与船舶转向角相反。

一种用于实现上述船载式太阳能电池板自适应方法的船载式自适应太阳能电池板搭载装置，其特征在于：它包括主控单元，以及与主控单元连接的3个驱动旋转单元，分别使得太阳能电池板绕x、y、z轴转动，其中x、y、z轴构成空间三维坐标系，x、y轴均与水平面平行，z轴为竖直方向；主控单元用于计算太阳高度角hs、太阳方位角As和船舶转向角，发出控制指令给相应的驱动旋转单元。

按上述装置，所述的3个驱动旋转单元均通过齿轮传动。

本发明的有益效果为：采用本发明方法和装置，能够使得太阳能电池板随太阳高度角、太阳方位角、船舶船首向的变化而变化，自动调节太阳能电池板使其与太阳光线垂直，使航行的船舶充分利用太阳能，从而提高船载式太阳能电池板对太阳能的利用。

附图说明

图1为本发明一实施例的原理图。

图2为天球赤道示意图。

图3为太阳高度角与太阳方位角示意图。

图4为太阳的运动规律示意图。

图5为太阳能搭载机械单元结构示意图。

图6为自适应太阳高度角hs变化示意图。

图7为自适应太阳方位角As变化示意图。

图8为自适应船舶转向变化示意图

图9为控制系统的硬件整体框图。

图中：1-太阳能电池板，2-第一支架，3-第一齿轮，4-第一轴承，5-轴，6-第一舵机，7-第二轴承，8-固定顶座，9-第二齿轮，10-第三齿轮，11-第三轴承，12-第四齿轮，13-第一传动齿轮，14-第二舵机，15-固定底座，16-固定底座，17-第三舵机，18-第二传动齿轮，19-第二支架，20-第五齿轮，21-第六齿轮，22-固定顶座，23-构架。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

天文背景知识

虽然地球绕太阳运行，但相对来说，在地球上观察到的却是太阳在天空中移动。为了确切地描述太阳在天空中的移动与位置，假定地球不动，以地球为中心，以任意长为半径作一假想球面，天空中包括太阳在内的一切星体，均在这个球面上绕地轴转动，这个假想的球体称为天球。延长地轴线与天球相交的两点称为天极，PN为北天极，PS为南天极，PN-PS即为天轴。扩展地球赤道面与天球相交所成的圆称为天球赤道，如图2所示。由于黄道面(地球运行的轨道面，也就是太阳视运行的轨道面)与天轴的夹角为66°33′，则黄道面与天球赤道面夹角为23°27′，太阳沿着天球黄道周而复始地绕地球运行^[2]。

太阳在天球上的位置每日、每时都有变化。为了确定其位置，常用赤道坐标系和地平坐标系从不同角度来表示。本专利采用地平坐标系进行计算分析。

地平坐标系是以地平圈为基圈，用太阳高度角hs和方位角As来确定太阳在天球中的位置，如图3所示。所谓太阳高度角hs是指太阳直射光线与地平面间的夹角。太阳方位角As是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正南向所夹的角，通常以南点S为0°向西为正值，向东为负值。

任何一个地区，在日出、日没时，太阳高度角hs＝0°；一天中的正午，即真太阳时12时，太阳高度角最大，此时太阳位于正南(北半球)，即太阳方位角As＝00(或1800)。由于地理纬度是确定的，因此从地球任意一点的地平面上观察太阳的运行是确定的。

以武汉理工大学(29°58′20″N,113°53′29″E)为例，选定春分、夏至、秋分和冬至4个代表日来观察太阳运行的规律，如图4所示：

春分日和秋分日，太阳从正东方升起，12时到达子午线，方位正南，然后从正西日投，且昼夜时段平分。

夏至日，太阳从东北方升起，绕过东南向，12时到达子午线上，方位正南，然后经西南向到西北向日没。在一年之中的昼间时段最长，夜间时段最短，正午太阳高度角最大。

冬至日，太阳从东南方升起，12时到达子午线，方位正南，然后在西南向日没，且在一年之中昼间时段最短、夜间时段最长。就正午而言，一年中该日的太阳高度角最小。

由于地理纬度的不同，从地平面观察到的太阳视轨迹亦不一样，因此，太阳的准确位置应按太阳高度角与太阳方位角来确定。

太阳高度角和方位角的计算方法

由以上分析得知，在夏至日这一天的方位角是一年中的最大值，冬至日是一年中太阳高度角最小值。了解了这两个特殊日子的太阳高度角和方位角，就能够清楚地知道一年中太阳光线对某一特定纬度的覆盖情况。

hs和As的计算公式分别为^[3]：

sinδ＝0.39795cos[0.98563(N-173)]

Ω＝(TT-12)×15°

TT＝ZT+(当地经纬度-时区中线纬度)*(1/15)+时差

时差(弧度)＝0.000076+0.001869cosθ₀-0.032076sinθ₀-0.014616cos2θ₀-0.04085sin2θ₀

时差(小时)＝时差(弧度)×12÷π

其中：hs表示太阳高度角；As表示太阳方位角；δ表示太阳赤纬；表示船舶所在纬度；Ω表示太阳时角；TT表示真太阳时；ZT表示船时(世界时)；E_Q表示时差；表示纬度；N表示为天数，自1月1日计起；θ₀表示日角。

本发明提供一种船载式太阳能电池板自适应方法，如图1所示，它包括以下步骤：

S1、根据船的位置和当前日期及时间，计算太阳高度角和太阳方位角；

所述船的位置为经度和纬度信息；船的位置和当前日期及时间均从船上已有设备中导入或手动输入；

所述的太阳高度角和太阳方位角根据天文学原理计算得到；

S2、根据太阳高度角hs、太阳方位角As和船舶转向角调整太阳能电池板的角度，使得太阳能电池板与太阳光线垂直；

通过电罗经获得船舶船首向，经算法分析得到船舶转向角；设太阳能电池板与经线之间所夹的锐角或直角为A，太阳能电池板与纬线之间所夹的锐角或直角为B，船舶转向前船舶首尾线与船舶转向后船舶首尾线的夹角为C(角C可为钝角、直角、锐角)；

所述的S2具体为：

首先启动复位键的设置。在该系统和装置在开机时刻，系统会自动将电池板恢复到固定位置，该位置特征为：太阳能板与船舶所在位置经纬线交叉所形成的平面平行，即保持太阳能板与经纬线的夹角为零度。转动太阳能电池板使得A＝hs，地方时为(06：00-12:00)B＝As；时间在(12:00-18：00)时，B＝(360°-AS)，C＝船舶转向角，且C的方向与船舶转向角相反。

1.自适应太阳高度角hs变化

在某日日中天时，船舶沿着子午线航行，在不同纬度的船舶测得太阳高度角不同。通过GPS输出的纬度和日期经算法分析输出此时此地的太阳高度角大小。本发明专利为保持太阳能电池板与太阳光线保持垂直。根据算法分析得出的太阳高度角，如图5所示，当船舶位于太阳直射点以北时，通过第二驱动旋转单元，单片机STM32控制第三舵机17向左转动，并通过第六齿轮21带动23-构架自动绕轴向北转动，转动角的大小为A。当船舶位于太阳直射点以南时，单片机STM32控制17-第三舵机向右转动，并通过21-第六齿轮带动23-构架自动绕轴向南转动，转动角的大小为A。本发明专利实时自动调节自适应角A，使太阳能电池板在日中时刻在任何位置都保持与太阳光线保持垂直，即自适应太阳高度角的变化。从而提高太阳能的利用率。

2.自适应太阳方位角As变化

每天太阳相对地球做东升西降视运动。随着时间的变化，太阳方位角不断变化，导致太阳光线与太阳能电池板的夹角在纬度经线方向不断改变，通过GPS输出的时间和经纬度经算法分析输出此时此地太阳方位的大小。本发明专利为了使太阳光线与太阳能电池板在纬度经线方向上保持垂直，根据算法分析得出的太阳方位角，如图5所示，在太阳日出过程中，即时间在(06：00-12:00)时，通过第三驱动旋转单元，单片机STM32控制第二舵机14向左转动，进而带动第四齿轮12和第一传动齿轮13的转动，通过第二齿轮9和第三齿轮10改变转动方向，使轴5转动进而使太阳能电池板1向东方转动，转动角度为自适应角B，且保持自适应角B与太阳方位角相等；在太阳日落过程中，即时间在(12:00-18：00)时，单片机STM32控制第二舵机14向右转动，进而带动第四齿轮12和第一传动齿轮13的转动，通过第二齿轮9和第三齿轮10改变转动方向，使轴5转动进而使太阳能电池板1向西方转动，转动角度为自适应角B，且保持自适应角B与(360°-AS)相等，如图7所示。从而实时保持太阳光线在纬度经线方向保持与太阳能电池板垂直，进而提高太阳能的利用率。

3.自适应船舶转向变化

船舶航行过程中会不断地转向，太阳相对于固定在船舶上的太阳能电池板的方位不断发生变化，导致太阳光线与太阳能电池板的夹角在水平方向不断改变。本发明为了使太阳光线与太阳能电池板在水平方向上保持垂直，通过电罗经输出的船舶船首向，经算法分析输出船舶转向角的大小，根据算法分析得出的转向。如图5所示，通过第一驱动旋转单元，单片机STM32控制6-第一舵机带动3-第一齿轮转动，转动角度为自适应角C，且转动自适应角C的大小与船舶转向角相同，方向相反，如图8所示。从而保持太阳光线在纬度经线方向保持与太阳能电池板垂直，进而提高太阳能的利用率。

上述向左和向右转动定义为：从上空往下看，逆时针方向为向左，顺时针方向为向右。

一种用于实现上述船载式太阳能电池板自适应方法的船载式自适应太阳能电池板搭载装置，包括主控单元，以及与主控单元连接的3个驱动旋转单元，分别使得太阳能电池板绕x、y、z轴转动，其中x、y、z轴构成空间三维坐标系，x、y轴均与水平面平行，z轴为竖直方向；主控单元用于计算太阳高度角hs、太阳方位角As和船舶转向角，发出控制指令给相应的驱动旋转单元。

所述的3个驱动旋转单元均通过齿轮传动。

如图5所示，第一驱动旋转单元包括第一舵机6、第一轴承4、第一齿轮3和第一支架2，其中第一支架2设置在太阳能电池板1的后部用于支撑太阳能电池板1，第一支架的末端与第一轴承4连接，第一舵机6通过第一齿轮3带动第一轴承4和第一支架2一起绕轴承旋转，轴承为y轴方向，对应自适应交角C。此时，太阳能电池板1旋转角度为C，如图8所示，可以修正因为船舶转向而导致的太阳能板相对太阳光线的转移，通过第一驱动旋转单元机械转动，保证了太阳能板的空间稳定性。

第二驱动旋转单元包括第二舵机14、第一传动齿轮13、第四齿轮12、第三齿轮10、第二齿轮9和轴5，其中第一传动齿轮13和第四齿轮12设置在固定顶座8和固定底座15之间的轴承上，第二齿轮9固定在轴5的下端，轴5的上端连接第一支架的底部，第二舵机14通过驱动第一传动齿轮13带动轴承上的第四齿轮12转动，从而传递给第三齿轮10、第二齿轮9，轴5随第二齿轮9而自转，从而带动太阳能天池板绕轴5转动，轴5为z轴方向，对应自适应交角A。此时，太阳能电池板1旋转角度为角A，如图6所示，可以修正因为太阳日出日落而导致太阳相对于移动船舶高度发生变化而引起的太阳光线相对于太阳能板的转移，通过第二驱动单元的机械转动，使太阳能板跟踪太阳的高度变化而变化，保证了太阳能板的空间稳定性。

第三驱动旋转单元包括第三舵机17、第二传动齿轮18、第五齿轮20、第六齿轮21和构架23，其中第二传动齿轮18和第五齿轮20设置在固定顶座22和固定底座16之间的轴承上，第六齿轮21与构架23固定连接，构架23上设有与轴5连接的第二轴承7和与第三齿轮10连接的第三轴承11，使得构架23不影响轴5自转。第三舵机17通过驱动第二传动齿轮18带动轴承上的第五齿轮20转动，从而传递给第六齿轮，第六齿轮带动构架23绕x轴转动，对应自适应交角B，x轴与y轴和z轴相互垂直。此时，太阳能电池板1旋转角度为B，如图7所示，可以修正因为太阳东升西降而导致太阳相对于移动船舶高度发生变化而引起的太阳光线相对于太阳能板的转移，通过第三驱动单元的机械转动，使太阳能板跟踪太阳的方位变化而变化，保证了太阳能板的空间稳定性。

软件采用模块化设计思想，根据太阳高度角、太阳方位角与时间、经纬度之间的关系及船舶航向变化对太阳能板电池与光线之间的变化规律。通过C语言编制程序，以单片机STM32为控制中心，对自适应太阳能电池板搭载装置的三个舵机进行控制，实现船载式太阳能电池板的自适应调节。如图9所示，各个功能模块使用STM32处理器提供的资源实现相应的控制。USART(串口)实现处理器通过无线模块与GPS和电罗经之间的通信，STM32的通用I/O口实现对按键的控制。定时器提供的多路PWM信号控制多个舵机实现相应的机械控制。

设计中的按键通过通用的I/O口与STM32芯片连接，这些传感器将采集到的数据发送给STM32处理。STM32的I/O口可以配置成8种模式：通用推挽式输出、通用开漏式输出、复用推挽式输出、复用开漏式输出、模拟输入、浮空输入、下拉输入和上拉输入。编写软件时需要根据按键的时序要求和数据的传递格式来做好相应的I/O口配置。在配置好I/O口以后，参考按键数据编写要求编写读取存储在传感器ROM中的数据的函数。

GPS和电罗经通过串口(USART)与STM32进行数据的交换。串口通过数据发送引脚(TXD)和数据接收引脚(RXD)以半双工的工作方式传递数据。需要把TXD引脚配置成复用推挽式输出模式，RXD引脚配置成上拉输入。然后再按照STM32的串口的配置过程编写相应的驱动函数，主要是实现相关寄存器的配置过程。在编写串口的驱动程序的过程中需要注意的是设置好不同的串口的缓冲区，而且要协调好各个串口的工作过程，不能相互干扰。

PWM是英文Pulse Width Modulation的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。STM32的定时器除了TIM6，TIM7，其他的定时器都可以产生PWM输出，STM32最多可以同时产生30路PWM输出。STM32的定时器的配置同样是对多个相关寄存器进行操作。

STM32编程分为库函数版本和寄存器版本。其中寄存器版本代码的底层驱动绝大部分采用ST(意法半导体公司)提供的库函数实现，具有简单、方便的特点；寄存器版本代码底层驱动绝大部分直接操作寄存器实现，具有高效、快速的特点。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

[1]李安定.太阳能光伏发电系统工程[M].北京:北京工业大学出社，2001:8

[2]西安建筑科技人学.建筑物理[M].3版.北京:中国建筑工业出版社，2004

[3]中国气象局.地而气象观测规范[s].北京:气象出版社.2003.133

Claims (3)

1.一种船载式太阳能电池板自适应方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、根据船的位置和当前日期及时间，计算太阳高度角和太阳方位角；

所述船的位置为经度和纬度信息；船的位置和当前日期及时间均从船上已有设备中导入或手动输入；

所述的太阳高度角和太阳方位角根据天文学原理计算得到；

S2、根据太阳高度角hs、太阳方位角As和船舶转向角调整太阳能电池板的角度，使得太阳能电池板与太阳光线垂直；

所述的S2具体为：

2.1、首先启动复位键的设置，系统自动将电池板恢复到固定位置，该位置特征为：太阳能板与船舶所在位置经纬线交叉所形成的平面平行，即保持太阳能板与经纬线的夹角为零度；

2.2、自适应太阳高度角hs变化

根据S1得出的太阳高度角，转动太阳能电池板使得A+hs=90°；

2.3、自适应太阳方位角As变化

根据S1得出的太阳方位角，转动太阳能电池板使得当地方时为06：00-12:00时，B=As；当地方时时间在12:00-18：00时，B=（360°- As）；

2.4、自适应船舶转向变化

根据S1得出的船舶转向角，转动太阳能电池板使得C=船舶转向角，且C的方向与船舶转向角相反；

通过电罗经获得船舶船首向，经算法分析得到船舶转向角；设太阳能电池板与经线之间所夹的锐角或直角为A，太阳能电池板与纬线之间所夹的锐角或直角为B，船舶转向前船舶首尾线与船舶转向后船舶首尾线的夹角为C；

转动太阳能电池板使得A+hs=90°，B=As，C=船舶转向角，且C的方向与船舶转向角相反。

2.一种用于实现权利要求1所述的船载式太阳能电池板自适应方法的船载式自适应太阳能电池板搭载装置，其特征在于：它包括主控单元，以及与主控单元连接的3个驱动旋转单元，分别使得太阳能电池板绕x、y、z轴转动，其中x、y、z轴构成空间三维坐标系，x、y轴均与水平面平行，z轴为竖直方向；主控单元用于计算太阳高度角hs、太阳方位角As和船舶转向角，发出控制指令给相应的驱动旋转单元。

3.根据权利要求2所述的船载式自适应太阳能电池板搭载装置，其特征在于：所述的3个驱动旋转单元均通过齿轮传动。