CN104991568A - 太阳能跟踪控制器及其跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能跟踪控制器及其跟踪方法，太阳能跟踪控制器包括PLC控制器和电源，PLC控制器的输入端分别与四象限光电传感器、风速传感器、触摸显示屏、方位角度编码器及高度角度编码器的输出端连接，PLC控制器的输出端分别与方位电机驱动器和高度电机驱动器的输入端连接,并且PLC控制器分别与触摸显示屏、方位角度编码器及高度角度编码器以RS485的方式进行通信。太阳能跟踪控制器的跟踪方法包括采集信号及参数；风速保护；检测太阳的具体位置，控制方位电机和高度电机转动；检测太阳光的强度,自动切换跟踪状态。本发明具有跟踪精度高、稳定性好、不受天气影响的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能跟踪控制器及其跟踪方法。
背景技术
太阳能跟踪控制器广泛的应用于太阳能发电系统和太阳能灶中，如多晶硅发电，单晶硅发电系统，太阳能的光热发电系统,现在主要有二种跟踪方式，一种是单轴跟踪方式，另一种是双轴跟踪方式，单轴跟踪方式主要应用在对跟踪太阳位置不需要很准确的地方，其跟踪精度只能达5—10度的范围，但其安装简单，控制也很简单；双轴跟踪方式主要应用在对跟踪太阳要求跟踪精度较高的地方，其跟踪精度可以达到0.1度，如HCPV高聚光太阳能发电系统，太阳能光热发电系统，反射式太阳能发电系统以及多晶硅发电系统等，其主要特点是能随太阳的运动而及时的跟踪太阳位置，并时刻保持太阳光射到某个点上，能提高系统对太阳光的利用率.目前主要有二种跟踪方法，一种是被动式跟踪，另一种是主动式跟踪，被动式跟踪主要是采用光电传感器来检测太阳的位置，然后驱动电机来跟踪太阳，目前的跟踪器都是采用光敏电阻或是分散的硅光电池片做为光电传感器，这样做的光电传感器存在检测精度不高，在跟踪太阳时跟踪精度达到0.1度的要求，被动式跟踪的优点：跟踪精度高,不存在累积误差；缺点是：容易受到天气的影响，在多云或阴天时，跟踪器容易出现误动作，不能准确的跟踪太阳，这样就会造成当多云或阴天过后太阳出来时，太阳能跟踪控制器不能及时的跟踪上太阳或者出现朝相反方向跟踪的情况，这样造成太阳光不能被利用。主动式跟踪主要是根据太阳的轨迹算法通过计算得到当前当地的太阳位置，然后控制器驱动电机转动，使跟踪支架转动，然后通过安装在支架上的方位角度编码器和高度角度编码器进行反馈跟踪支架当前的角度给跟踪控制器，使跟踪支架的角度和计算的当前当地的太阳的方位角和高度角一致，这样完全可以不受天气的影响，不管是阴天或是多云都不会出现误动作的情况，但是目前的很多太阳位置算法算出来的太阳位置都不是很准确，难以达到0.1度的跟踪精度的要求，当大气层中的清洁度不同时，到达地面的光拆射率也不同，造成实际太阳的位置和聚光形成的光斑存在一定的偏差。目前采用主动跟踪或被动跟踪都难以满足聚光太阳能发电系统的要求。
中国专利文献号CN200910099048.1于2009年11月18日公开了一种主动式太阳能跟踪方法及装置，其通过计算太阳光入射到当前设备的入射角度，并将其转换为控制信号，调整当前设备的姿态，使之与太阳入射光线成预定的夹角。据称，其具有良好的精度和稳定性。但是，该设计方案仍存在上述不足，精度不够高。因此，有必要作进一步改进。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种跟踪精度高、稳定性好、不受天气影响的太阳能跟踪控制器及其跟踪方法，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种太阳能跟踪控制器，包括PLC控制器和电源，其结构特征是PLC控制器的输入端分别与四象限光电传感器、风速传感器、触摸显示屏、方位角度编码器及高度角度编码器的输出端连接，PLC控制器的输出端分别与方位电机驱动器和高度电机驱动器的输入端连接,并且PLC控制器分别与触摸显示屏、方位角度编码器及高度角度编码器以RS485的方式进行通信。
进一步，所述四象限光电传感器为由同一片硅光电池用激光切割而成的硅光电池片e、硅光电池片f、硅光电池片g和硅光电池片h组成；所述四象限光电传感器的外围还设有由硅光电池片a、硅光电池片b、硅光电池片c和硅光电池片d组成的光电传感器；定义各硅光电池片的电压分别为Vn，Vn为Va～Vh，同时定义外方位偏差电压为Vlr，外高度偏差电压为Vbr，外光强电压为Vm，内方位偏差电压为Vlrn，内高度偏差电压为Vbrn，内光强电压为Vmn，则有Vlr＝Vc-Vd,Vbr＝Va-Vb,Vm＝Va+Vb+Vc+Vd,Vlrn＝(Ve+Vg)-(Vf+Vh),Vbrn＝(Ve+Vf)-(Vg+Vh),Vmn＝Ve+Vf+Vg+Vh。
一种太阳能跟踪控制器的跟踪方法，其特征是包括以下几个步骤：
1)参数初始化后分别采集风速传感器的信号、四象限光电传感的信号、触摸显示屏设定的参数和方位角度编码器的角度值以及高度角度编码器的角度值；
2)判断风速是否大于设定值且持续时间超过20秒，当风速大于设定值且持续时间超过20秒，则控制高度电机快速的把风速保护支架打到水平位置，直到持续10分钟内没有检测到有风速超过预先设定值时,重新起动跟踪；当风速没有超过预先设定值时跟踪太阳；
3)通过四象限光电传感器检测太阳的具体位置,当太阳光不能垂直的射入到四象限光电传感器上时,四象限光电传感器会输出方位偏差的电压值和高度偏差的电压值,然后PLC控制器采集这二个偏差值并控制方位电机和高度电机转动,直到方位偏差和高度偏差输出为0为止；
4)通过四象限光电传感器检测太阳光的强度,当太阳光的强度不大于设定值时,太阳能跟踪控制器自动切换到轨迹跟踪的状态,当太阳光的强度大于设定值时,太阳能跟踪控制器自动切换到光电跟踪的状态。
进一步，所述四象限光电传感器是采用同一片硅光电池片分割成4片做成信号检测,然后通过放大电路进行放大并且做差分运算,最后输出方位偏差和高度偏差；所述四象限光电传感器的外围设置的光电传感器用于跟踪控制器粗调跟踪太阳时作信号采集用,当外围的光电传感器的外方位偏差电压Vlr和外高度偏差电压Vbr输出均等于0时,太阳能跟踪控制器自动切换到用内部的四象限光电传感器的信号来作精细跟踪控制,当四象限光电传感器的内方位偏差电压Vlrn和内高度偏差电压Vbrn都为0时,跟踪停止,使得跟踪精度达到0.1度的范围。
进一步，所述跟踪控制器状态的切换是根据四象限光电传感器检测到太阳光的强度与通过触摸显示屏预先设定的光强值进行比较。
进一步，所述轨迹跟踪是采用高精度的太阳位置算法,通过触摸显示屏输入当地的经纬度和当地的时间来计算太阳的具体位置,并根据计算出来的太阳方位角和太阳高度角，通过方位角度编码器和高度角度编码器把支架转动的具体位置反馈给PLC控制器，PLC控制器控制方位电机驱动器和高度电机驱动器，分别驱动方位电机和高度电机转动,直至安装在支架上的方位角度编码器和高度角度编码器反馈的角度和计算的太阳的方位角和太阳的高度角一致时停止电机转动。
进一步，所述轨迹跟踪的方式为当计算的太阳方位角度-支架方位角度编码器的角度大于等于0.1度时,PLC控制器控制方位电机驱动器驱动方位电机向西转动,直至太阳方位角度-支架方位角度编码器的角度小于0.1度,当计算的太阳方位角度-支架方位角度编码器的角度小于-0.1度时,PLC控制器控制方位电机驱动器驱动方位电机向东转动,直至太阳方位角度-支架方位角度编码器的角度大于-0.1度；当计算的太阳高度角度-支架高度角度编码器的角度大于等于0.1度时,PLC控制器控制高度电机驱动器驱动高度电机向下转动,直至太阳高度角度-支架高度角度编码器的角度小于0.1度,当计算的太阳高度角度-支架高度角度编码器的角度小于-0.1度时,PLC控制器控制高度电机驱动器驱动高度电机向上转动,直至太阳高度角度-支架高度角度编码器的角度大于-0.1度。
进一步，所述光电跟踪的方式为当采集到四象光电传感器的方位偏差电压值大于dEl值时,PLC控制器控制方位电机驱动器驱动方位电机向西转动,直至方位偏差电压小于dEl值，当方位偏差电压值小于-dEl值时,PLC控制器控制方位电机驱动器驱动方位电机向东转动,直至方位偏差电压值大于-dEl值；当采集到四象限光电传感器的高度偏差电压值大于dEh值时,PLC控制器控制高度电机驱动器电机驱动高度电机向下转动,直至高度偏差电压值小于dEh值,当高度偏差电压值小于-dEh值时,PLC控制器控制高度电机驱动器驱动高度电机向上转动,直至高度偏差电压值大于-dEh值；所述dEl为方位偏差的允许误差，dEh为高度偏差的允许误差。
本发明能在地球上的任何一个地方都能全自动的高精度跟踪太阳，并且当风速大于设定的安全值时能快速的把支架打到水平位置。
本发明具有跟踪精度高、稳定性好、不受天气影响的特点。
附图说明
图1为本发明一实施例的控制框图。
图2为本发明中的四象限传感器的示意图。
图3为本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1-图2，本太阳能跟踪控制器，包括PLC控制器1和电源(2)，PLC控制器1的输入端分别与四象限光电传感器3、风速传感器4、触摸显示屏5、方位角度编码器8及高度角度编码器9的输出端连接，PLC控制器1的输出端分别与方位电机驱动器6和高度电机驱动器7的输入端连接,并且PLC控制器1分别与触摸显示屏5、方位角度编码器8及高度角度编码器9以RS485的方式进行通信。
在本实施例中，所述四象限光电传感器3为由同一片硅光电池用激光切割而成的硅光电池片e、硅光电池片f、硅光电池片g和硅光电池片h组成；所述四象限光电传感器3的外围还设有由硅光电池片a、硅光电池片b、硅光电池片c和硅光电池片d组成的光电传感器；定义各硅光电池片的电压分别为Vn，Vn为Va～Vh，同时定义外方位偏差电压为Vlr，外高度偏差电压为Vbr，外光强电压为Vm，内方位偏差电压为Vlrn，内高度偏差电压为Vbrn，内光强电压为Vmn，则有Vlr＝Vc-Vd,Vbr＝Va-Vb,Vm＝Va+Vb+Vc+Vd,Vlrn＝(Ve+Vg)-(Vf+Vh),Vbrn＝(Ve+Vf)-(Vg+Vh),Vmn＝Ve+Vf+Vg+Vh。
参见图3，一种太阳能跟踪控制器的跟踪方法，包括以下几个步骤：
1)参数初始化后分别采集风速传感器4的信号、四象限光电传感3的信号、触摸显示屏5设定的参数和方位角度编码器8的角度值以及高度角度编码器9的角度值。
2)判断风速是否大于设定值且持续时间超过20秒，当风速大于设定值且持续时间超过20秒，则控制高度电机快速的把风速保护支架打到水平位置，以免大风把支架损坏，直到持续10分钟内没有检测到有风速超过预先设定值时,重新起动跟踪；当风速没有超过预先设定值时跟踪太阳。
这样就有效的解决了大风时及时保护跟踪支架,风速没有超过预先设定值时跟踪太阳，这个控制过程是靠安装在跟踪支架上的风速传感器4来实现检测,太阳能跟踪控制器通过采样风速传感器4的信号来实现。
3)通过四象限光电传感器3检测太阳的具体位置,当太阳光不能垂直的射入到四象限光电传感器上时,四象限光电传感器会输出方位偏差的电压值和高度偏差的电压值,然后PLC控制器1采集这二个偏差值并控制方位电机和高度电机转动,直到方位偏差和高度偏差输出为0为止。
4)通过四象限光电传感器3检测太阳光的强度,当太阳光的强度不大于设定值时,太阳能跟踪控制器自动切换到轨迹跟踪的状态,避免了因为多云天气,阴天或下雨天所造成的跟踪器误动作或跟踪不了的问题。
当太阳光的强度大于设定值时,太阳能跟踪控制器自动切换到光电跟踪的状态。换句话说就是，当太阳光的强度大于预先设定的值时自动切换到光电跟踪,依靠四象限光电传感器3检测太阳位置来提高跟踪太阳的精度,这样能充分的利用太阳光,这样能很好的解决了目前跟踪器在阳光不强时出现误动作,阳光强的时候跟踪精度不高的问题。
四象限光电传感器3是采用同一片硅光电池片分割成4片做成信号检测,然后通过放大电路进行放大并且做差分运算,最后输出方位偏差和高度偏差；所述四象限光电传感器的外围设置的光电传感器用于跟踪控制器粗调跟踪太阳时作信号采集用,当外围的光电传感器的外方位偏差电压Vlr和外高度偏差电压Vbr输出均等于0时,太阳能跟踪控制器自动切换到用内部的四象限光电传感器的信号来作精细跟踪控制,当四象限光电传感器的内方位偏差电压Vlrn和内高度偏差电压Vbrn都为0时,跟踪停止,使得跟踪精度达到0.1度的范围。
外部光电传感器检测到太阳的位置驱动电机转动使太阳光始终能射到内部的四象限光电传感器上,射到四象限光电传感器3上的光斑直径设计为3mm,这样保证了其灵敏度,当光斑没有射在中心点上时,会有偏差电压输出,当射在中心点上时偏差电压输出为0,这样PLC控制器1驱动电机,使四象限光电传感器3安装到跟踪支架上并一起转动并保持光斑射在中心点上,这样跟踪支架的安装面就一直随着太阳转动且可以达到0.1度的跟踪精度。
跟踪控制器状态的切换是根据四象限光电传感器3检测到太阳光的强度与通过触摸显示屏5预先设定的光强值进行比较。从而，能够防止阴天、下雨或有云朵过来时,跟踪控制器出现跟踪不到太阳的情况发生,所以本发明的太阳能跟踪控制器不受天气的影响,能时刻的跟踪太阳。
轨迹跟踪是采用高精度的SPA太阳位置算法,通过触摸显示屏5输入当地的经纬度和当地的时间来计算太阳的具体位置,并根据计算出来的太阳方位角和太阳高度角，通过方位角度编码器8和高度角度编码器9把支架转动的具体位置反馈给PLC控制器1，PLC控制器1控制方位电机驱动器6和高度电机驱动器7，分别驱动方位电机和高度电机转动,直至安装在支架上的方位角度编码器和高度角度编码器9反馈的角度和计算的太阳的方位角和太阳的高度角一致时停止电机转动。这样，就可以有效的克服了天气变化时对太阳能跟踪器跟踪太阳所造成的影响，跟踪精度可以达到0.1度的范围，并且能及时跟踪太阳。
轨迹跟踪的方式为当计算的太阳方位角度-支架方位角度编码器8的角度大于等于0.1度时,PLC控制器1控制方位电机驱动器6驱动方位电机向西转动,直至太阳方位角度-支架方位角度编码器8的角度小于0.1度,当计算的太阳方位角度-支架方位角度编码器8的角度小于-0.1度时,PLC控制器1控制方位电机驱动器6驱动方位电机向东转动,直至太阳方位角度-支架方位角度编码器8的角度大于-0.1度；当计算的太阳高度角度-支架高度角度编码器9的角度大于等于0.1度时,PLC控制器1控制高度电机驱动器7驱动高度电机向下转动,直至太阳高度角度-支架高度角度编码器9的角度小于0.1度,当计算的太阳高度角度-支架高度角度编码器9的角度小于-0.1度时,PLC控制器1控制高度电机驱动器7驱动高度电机向上转动,直至太阳高度角度-支架高度角度编码器的角度大于-0.1度。
光电跟踪的方式为当采集到四象光电传感器3的方位偏差电压值大于dEl值时,PLC控制器1控制方位电机驱动器6驱动方位电机向西转动,直至方位偏差电压小于dEl值，当方位偏差电压值小于-dEl值时,PLC控制器1控制方位电机驱动器6驱动方位电机向东转动,直至方位偏差电压值大于-dEl值；当采集到四象限光电传感器4的高度偏差电压值大于dEh值时,PLC控制器1控制高度电机驱动器7电机驱动高度电机向下转动,直至高度偏差电压值小于dEh值,当高度偏差电压值小于-dEh值时,PLC控制器1控制高度电机驱动器7驱动高度电机向上转动,直至高度偏差电压值大于-dEh值；其中，所述dEl为方位偏差的允许误差，dEh为高度偏差的允许误差。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种太阳能跟踪控制器，包括PLC控制器(1)和电源(2)，其特征是PLC控制器(1)的输入端分别与四象限光电传感器(3)、风速传感器(4)、触摸显示屏(5)、方位角度编码器(8)及高度角度编码器(9)的输出端连接，PLC控制器(1)的输出端分别与方位电机驱动器(6)和高度电机驱动器(7)的输入端连接,并且PLC控制器(1)分别与触摸显示屏(5)、方位角度编码器(8)及高度角度编码器(9)以RS485的方式进行通信。
2.根据权利要求1所述的太阳能跟踪控制器，其特征是所述四象限光电传感器(3)为由同一片硅光电池用激光切割而成的硅光电池片e、硅光电池片f、硅光电池片g和硅光电池片h组成；所述四象限光电传感器(3)的外围还设有由硅光电池片a、硅光电池片b、硅光电池片c和硅光电池片d组成的光电传感器；定义各硅光电池片的电压分别为Vn，Vn为Va～Vh，同时定义外方位偏差电压为Vlr，外高度偏差电压为Vbr，外光强电压为Vm，内方位偏差电压为Vlrn，内高度偏差电压为Vbrn，内光强电压为Vmn，则有Vlr＝Vc-Vd,Vbr＝Va-Vb,Vm＝Va+Vb+Vc+Vd,Vlrn＝(Ve+Vg)-(Vf+Vh),Vbrn＝(Ve+Vf)-(Vg+Vh),Vmn＝Ve+Vf+Vg+Vh。
3.一种如权利要求1或2所述的太阳能跟踪控制器的跟踪方法，其特征是包括以下几个步骤：
1)参数初始化后分别采集风速传感器(4)的信号、四象限光电传感(3)的信号、触摸显示屏(5)设定的参数和方位角度编码器(8)的角度值以及高度角度编码器(9)的角度值；
2)判断风速是否大于设定值且持续时间超过20秒，当风速大于设定值且持续时间超过20秒，则控制高度电机快速的把风速保护支架打到水平位置，直到持续10分钟内没有检测到有风速超过预先设定值时,重新起动跟踪；当风速没有超过预先设定值时跟踪太阳；
3)通过四象限光电传感器(3)检测太阳的具体位置,当太阳光不能垂直的射入到四象限光电传感器上时,四象限光电传感器会输出方位偏差的电压值和高度偏差的电压值,然后PLC控制器(1)采集这二个偏差值并控制方位电机和高度电机转动,直到方位偏差和高度偏差输出为0为止；
4)通过四象限光电传感器(3)检测太阳光的强度,当太阳光的强度不大于设定值时,太阳能跟踪控制器自动切换到轨迹跟踪的状态,当太阳光的强度大于设定值时,太阳能跟踪控制器自动切换到光电跟踪的状态。
4.根据权利要求3所述太阳能跟踪控制器的跟踪方法，其特征是所述四象限光电传感器(3)是采用同一片硅光电池片分割成4片做成信号检测,然后通过放大电路进行放大并且做差分运算,最后输出方位偏差和高度偏差；所述四象限光电传感器的外围设置的光电传感器用于跟踪控制器粗调跟踪太阳时作信号采集用,当外围的光电传感器的外方位偏差电压Vlr和外高度偏差电压Vbr输出均等于0时,太阳能跟踪控制器自动切换到用内部的四象限光电传感器的信号来作精细跟踪控制,当四象限光电传感器的内方位偏差电压Vlrn和内高度偏差电压Vbrn都为0时,跟踪停止,使得跟踪精度达到0.1度的范围。
5.根据权利要求3所述太阳能跟踪控制器的跟踪方法,其特征是所述跟踪控制器状态的切换是根据四象限光电传感器(3)检测到太阳光的强度与通过触摸显示屏(5)预先设定的光强值进行比较。
6.根据权利要求3-5任一项所述太阳能跟踪控制器的跟踪方法,其特征是所述轨迹跟踪是采用高精度的太阳位置算法,通过触摸显示屏(5)输入当地的经纬度和当地的时间来计算太阳的具体位置,并根据计算出来的太阳方位角和太阳高度角，通过方位角度编码器(8)和高度角度编码器(9)把支架转动的具体位置反馈给PLC控制器(1)，PLC控制器控制方位电机驱动器(6)和高度电机驱动器(7)，分别驱动方位电机和高度电机转动,直至安装在支架上的方位角度编码器和高度角度编码器反馈的角度和计算的太阳的方位角和太阳的高度角一致时停止电机转动。
7.根据权利要求6所述太阳能跟踪控制器的跟踪方法,其特征是所述轨迹跟踪的方式为当计算的太阳方位角度-支架方位角度编码器(8)的角度大于等于0.1度时,PLC控制器(1)控制方位电机驱动器(6)驱动方位电机向西转动,直至太阳方位角度-支架方位角度编码器的角度小于0.1度,当计算的太阳方位角度-支架方位角度编码器的角度小于-0.1度时,PLC控制器控制方位电机驱动器驱动方位电机向东转动,直至太阳方位角度-支架方位角度编码器的角度大于-0.1度；当计算的太阳高度角度-支架高度角度编码器(9)的角度大于等于0.1度时,PLC控制器控制高度电机驱动器(7)驱动高度电机向下转动,直至太阳高度角度-支架高度角度编码器的角度小于0.1度,当计算的太阳高度角度-支架高度角度编码器的角度小于-0.1度时,PLC控制器控制高度电机驱动器驱动高度电机向上转动,直至太阳高度角度-支架高度角度编码器的角度大于-0.1度。
8.根据权利要求7所述太阳能跟踪控制器的跟踪方法,其特征是所述光电跟踪的方式为当采集到四象光电传感器(3)的方位偏差电压值大于dEl值时,PLC控制器(1)控制方位电机驱动器(6)驱动方位电机向西转动,直至方位偏差电压小于dEl值，当方位偏差电压值小于-dEl值时,PLC控制器控制方位电机驱动器驱动方位电机向东转动,直至方位偏差电压值大于-dEl值；当采集到四象限光电传感器的高度偏差电压值大于dEh值时,PLC控制器控制高度电机驱动器(7)电机驱动高度电机向下转动,直至高度偏差电压值小于dEh值,当高度偏差电压值小于-dEh值时,PLC控制器控制高度电机驱动器驱动高度电机向上转动,直至高度偏差电压值大于-dEh值；所述dEl为方位偏差的允许误差，dEh为高度偏差的允许误差。
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