CN105094156A - 一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统及控制方法 - Google Patents

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王鹏
张艺凡
闫浩
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Abstract

本发明公开了一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统及控制方法,包括杯型结构和控制单元。杯型结构包括置于底座上的第一步进电机,第一步进电机带动上筒转动,上筒内设置有第二步进电机,第二步进电机通过锥齿转动机构由支撑杆带动太阳能板俯仰运动,太阳能板四个边上设置有光敏管;控制单元包括CPU,光敏管连接CPU,CPU对四个光敏开关值差动分析计算,CPU通过电机驱动器分别控制第一步进电机和第二步进电机,即驱动方位角和高度角步进电机带动机械机构转动,使太阳能板一直追踪光照强度高的方位。太阳能板产生的电能通过电池转换器输送到电池中,电池给控制单元、步进电机以及外部负载供电。本发明能够有效提高太阳能光伏板的发电效率。

Description

一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能跟踪系统,具体涉及一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能跟踪系统的设计是当前国内外研究的热点问题之一。目前,国内外关于太阳能自跟踪系统的研究类型主要分为以下几种。
[0003] 根据转动调级部件中所含转动轴的个数,通常将跟踪技术分为以下两种:
[0004] (I)单轴跟踪:将控制部件中输出的太阳方位角信号或者高度角信号经转动调级部件处理后去控制光线采集器的方位角或高度角。单轴跟踪与双轴跟踪相比,结构简单,制造成本低,但太阳高度角的变化需要人工调整。
[0005] (2)双轴跟踪:将控制部件中输出的太阳方位角信号和高度角信号分别经转动调级部件处理后同时控制光线采集器既跟踪太阳由东向西旋转,又跟踪太阳在一年四季中仰角的变化。双轴跟踪成本较高,但跟踪精度高,运行稳定。
[0006] 根据控制部件中控制信号产生的方式,广义上可将跟踪技术分为以下三种:
[0007] (I)主动跟踪系统:控制系统都需要根据安放点的经玮度等信息计算太阳位置以实现跟踪。主动跟踪的优点是在全天候情况下都能正常工作,其缺点是存在累积误差,一般不能自身消除。
[0008] (2)被动跟踪系统:主要采用光强控制法,利用光敏元件和传感器进行信号跟踪调节,被动地跟随太阳转动。被动跟踪的优点是自身能够通过反馈来消除误差,但在云层较多的天气情况下工作不稳定,需要通过良好的程序来防止跟踪混乱。
[0009] (3)混合式跟踪系统:混合式跟踪是结合了主动跟踪方式和被动跟踪方式的一种跟踪方式,跟踪精度高,稳定性好,但实际操作复杂,成本较高。
[0010]目前,市场上已有的光伏发电自跟踪系统体积庞大,安装复杂,对接性差。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于克服上述不足,提供一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统及控制方法,能够在相同的辐射条件下吸收比固定安装光伏组件更多的太阳辐射能量,从而达到提高太阳能利用效率,降低光伏发电成本的目的。
[0012] 为了达到上述目的,一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统,包括杯型结构和控制单元;
[0013] 所述杯型结构包括置于底座上的第一步进电机,第一步进电机上设置有上筒,第一步进电机带动上筒转动,上筒内设置有第二步进电机,第二步进电机能够通过锥齿轮传动机构由支撑杆带动太阳能板做俯仰运动,太阳能板四个边上设置有光敏管;
[0014] 所述控制单元包括CPU,光敏管通过光敏开关连接CPU,CPU进行差动分析计算后通过第一电机驱动器和第二电机驱动器分别控制第一步进电机和第二步进电机,太阳能板产生的电能通过电池转换器给电池充电,电池给控制单元、步进电机以及外部负载供电。
[0015] 所述锥齿轮传动机构包括第二步进电机上的第一锥齿轮,以及传动轴上的第二锥齿轮,第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合,传动轴上设置有支持太阳能板的支撑杆,太阳能板与支撑杆夹角为55°〜90°。
[0016] 所述底座上设置有下筒,第一步进电机置于下筒内,下筒上端设置有推力球轴承,第一步进电机通过推力球轴承卸载后带动上筒转动,上筒和下筒封闭连接且能够相对转动。
[0017] 所述上筒上设置有上盖,上盖上开设有引导槽,能够使支撑杆在引导槽内运动。
[0018] 所述太阳能板背面设置有角度传感器和陀螺仪,角度传感器和陀螺仪均连接CPU,太阳能板正面设置有雨滴传感器和辐照仪,雨滴传感器和辐照仪均连接CPU。
[0019] 所述电池转换器还连接有外网电源,外网电源也能够连接CPU供电。
[0020] 一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统的控制方法,包括以下步骤:
[0021] 步骤一,当四个光敏管采集到的太阳光线达到强度要求后,光敏开关打开,四个光敏管的信号发送给CPU;
[0022] 步骤二,CPU在采集四个光敏管的信号后进行电压信号差动比较,判断出某一方位的光照强度高低;
[0023] 步骤三,CPU通过电机驱动器控制两个步进电机分别带动太阳能板做旋转和俯仰动作,最终使太阳能板边上的两对光敏管参数分别相等;
[0024] 步骤四,CPU每隔单位扫描时间重复至步骤一。
[0025] 所述步骤一中,当太阳能板正面设置的辐照仪采集到的太阳光线的光照强度大于200LUX时,光敏管工作即光敏开关打开。
[0026] 当光照强度小于10LUX时,或雨滴传感器感应到下雨时,CPU采集角度传感器的当前数据,并计算出俯仰至水平位置的方向,再通过第二电机驱动器驱动第二步进电机带动太阳能板运动,在运动中采集陀螺仪的数据,通过对比角度传感器与陀螺仪的数据,使电机转动直至陀螺仪检测到水平角度为零时停止转动,确保太阳能板回到水平位置进行保护。
[0027] 当电池电量不足时,CPU控制外网电源通过电池转换器给电池充电,以保证设备初始启动工作。
[0028] 与现有技术相比,一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统采用了高灵敏度的光敏管及高精度的控制步进电机组件,通过CPU进行计算处理,使太阳能板始终追踪光照强度高的方位,本装置的杯型结构简单、紧凑,对接性强,成本低,弥补了太阳能跟踪设备不便于安装于小型设备中这一空白。
[0029] 进一步的,本发明的太阳能板与支撑杆夹角为55°〜90°,能够节省运动空间,缩小装置体积。
[0030] 进一步的,本发明的下筒和上筒采用能够转动的封闭连接,有效的防止雨水侵入而损坏电机。
[0031] 一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统的控制方法能够通过辐照仪调整光敏管灵敏度而采集光照强度,再通过CPU对光照强度进行差动分析处理,驱动方位角和高度角步进电机带动机械机构转动,使太阳能板始终处于光照强度高的方位,可广泛安装于现有多种光伏设备的供电装置上,也可单独与光伏板组装新型高效发电系统,从而提高太阳能利用效率,降低光伏发电成本。
[0032] 进一步的,本发明能够在雨天和光线弱的情况下实现自我保护,防止跟踪混乱。【附图说明】
[0033] 图1为杯型分布式光伏发电自跟踪系统的结构示意图;
[0034] 图2为杯型分布式光伏发电自跟踪系统的结构轴侧图;
[0035] 图3为杯型分布式光伏发电自跟踪系统的控制单元的系统功能图;
[0036] 图4为光伏板上光敏管布局图;
[0037] 图5为光敏信号差动比较电路图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0039] 参见图1和图2,一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统,包括杯型结构和控制单元;杯型结构包括置于底座I上的第一步进电机2,第一步进电机2上设置有上筒3,第一步进电机2带动上筒3转动,上筒3内设置有第二步进电机4,第二步进电机4能够通过锥齿轮传动机构由支撑杆7带动太阳能板5做俯仰运动,太阳能板5四个边上设置有光敏管,锥齿轮传动机构包括第二步进电机4上的第一锥齿轮,以及传动轴6上的第二锥齿轮,第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合,传动轴6上设置有支撑太阳能板5的支撑杆7,太阳能板5与支撑杆7夹角为55°〜90°,底座I上设置有下筒9,第一步进电机2置于下筒9内,下筒9上部安装有推力球轴承,第一步进电机2通过推力球轴承带动上筒3及其上部元件转动,上筒3和下筒9有微小间隙近似封闭连接且能够相对转动,上筒3上设置有上盖8,上盖8上开设有引导槽,能够使支撑杆7在引导槽内运动;
[0040] 所述控制单元如图3,CPU为核心,光敏管通过光敏开关连接CPU,CPU进行差动分析计算后通过第一电机驱动器和第二电机驱动器分别控制第一步进电机2和第二步进电机4,太阳能板5产生的电流通过电池转换器输送到电池中,电池给控制单元、步进电机以及外部负载供电,太阳能板5背面设置有角度传感器和陀螺仪,角度传感器和陀螺仪均连接CPU,太阳能板5正面设置有雨滴传感器和辐照仪,雨滴传感器和辐照仪均连接CPU,电池转换器还连接有外网电源,外网电源也连接CPU。
[0041] CPU采用STC89C51单片机,步进电机采用42BYGH两相混合式步进电机。
[0042] 一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统的控制方法,包括以下步骤:
[0043] 步骤一,当四个光敏管采集到的太阳光线达到200LUX的强度要求后,光敏开关打开,四个光敏管的信号发送给CPU ;
[0044] 步骤二,CPU在采集四个光敏管的信号后进行电压信号比较,判断出某一方位的光照强度高低;
[0045] 步骤三,CPU通过电机驱动器控制两个步进电机分别带动太阳能板做旋转和俯仰动作,最终使太阳能板边上的两对光敏管参数分别相等;
[0046] 步骤四,CPU每隔单位扫描时间重复至步骤一。
[0047] 另外此套装置还有很多附属功能:
[0048] 1、归位处理功能。CPU采集角度传感器的当前数据,并计算出俯仰至水平位置的方向,再通过第二电机驱动器驱动第二步进电机带动太阳能板运动,在运动中采集陀螺仪的数据,通过对比角度传感器与陀螺仪的数据,使电机转动直至陀螺仪检测到水平角度为零时停止转动,确保太阳能板回到水平位置进行设备保护。
[0049] 2、夜间识别模式。当辐照度仪检测的光照强度小于10LUX时,认为属于黑夜,设备进行归位处理,如上述步骤I动作。
[0050] 3、雨天保护功能。当雨滴传感器感应到下雨时,设备进行归位处理,如上述步骤I动作。
[0051] 4、电池保护功能。当电池电量不足时,CPU控制外网电源通过电池转换器给电池充电,以保证设备初始启动工作。
[0052] 光敏管在太阳能板上的分布如图4所示,分别垂直固定于太阳能板侧边上,该系统采用光敏电阻光强比较法,它能够通过比较光敏电阻大小值来实现对太阳光线的全方位跟踪。对应的差动控制电路如图5,图5是其中的一组控制电路,另一组电路与此相同。当太阳能板垂直于太阳光线时,光敏电阻差值为零,控制电动机不运动。当太阳能板与不正对太阳,导致Dl与D2或D3与D4阻值不相等,则CPU发送脉冲信号驱动电机带动太阳能板转动,使太阳能板重新垂直于太阳光线。
[0053] 本发明采用独特的杯型结构,具有体积小、结构简单、对接性强、跟踪灵敏、供电稳定等优良特性,适合对固定式太阳能路灯、太阳能信号灯、太阳能光伏发电、太阳能热水器、风光互补路灯等小型分布式太阳能设备进行升级改造,或直接安装于高速公路路灯等小型供电设备中。特别是能有效缓解偏远地区供电难问题,可提高光伏发电效率、降低供电成本,有效促进太阳能供电技术的推广应用。
[0054] 本发明性能优良,适应范围广,制造成本低,填补了小型光伏发电自跟踪装置这一领域空白,可以以较小的投入获得可靠的电能供给,有较大的市场经济效益。

Claims (10)

1.一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统,其特征在于:包括杯型结构和控制单元; 所述杯型结构包括置于底座(I)上的第一步进电机(2),第一步进电机(2)上设置有上筒(3),第一步进电机(2)带动上筒(3)转动,上筒(3)内设置有第二步进电机(4),第二步进电机(4)能够通过锥齿轮传动机构由支撑杆(7)带动太阳能板(5)做俯仰运动,太阳能板(5)四个边上设置有光敏管; 所述控制单元包括CPU,光敏管通过光敏开关连接CPU,CPU进行差动分析计算后通过第一电机驱动器和第二电机驱动器分别控制第一步进电机(2)和第二步进电机(4),太阳能板(5)产生的电能通过电池转换器给电池充电,电池给控制单元、步进电机以及外部负载供电。
2.根据权利要求1所述的一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统,其特征在于:所述锥齿轮传动机构包括第二步进电机(4)上的第一锥齿轮,以及传动轴(6)上的第二锥齿轮,第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合,传动轴(6)上设置有支持太阳能板(5)的支撑杆(7),太阳能板(5)与支撑杆(7)夹角为55°〜90°。
3.根据权利要求1所述的一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统,其特征在于:所述底座(I)上设置有下筒(9),第一步进电机(2)置于下筒(9)内,下筒(9)上端设置有推力球轴承,第一步进电机(2)通过推力球轴承卸载后带动上筒(3)转动,上筒(3)和下筒(9)封闭连接且能够相对转动。
4.根据权利要求1所述的一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统,其特征在于:所述上筒(3)上设置有上盖(8),上盖(8)上开设有引导槽,能够使支撑杆(7)在引导槽内运动。
5.根据权利要求1所述的一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统,其特征在于:所述太阳能板(5)背面设置有角度传感器和陀螺仪,角度传感器和陀螺仪均连接CPU,太阳能板(5)正面设置有雨滴传感器和辐照仪,雨滴传感器和辐照仪均连接CPU。
6.根据权利要求1所述的一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统,其特征在于:所述电池转换器还连接有外网电源,外网电源也能够连接CPU供电。
7.根据权利要求1所述的一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统的控制方法,其特征在于:包括以下步骤: 步骤一,当四个光敏管采集到的太阳光线达到强度要求后,光敏开关打开,四个光敏管的信号发送给CPU; 步骤二,CPU在采集四个光敏管的信号后进行电压信号差动比较,判断出某一方位的光照强度高低; 步骤三,CPU通过电机驱动器控制两个步进电机分别带动太阳能板做旋转和俯仰动作,最终使太阳能板边上的两对光敏管参数分别相等; 步骤四,CPU每隔单位扫描时间重复至步骤一。
8.根据权利要求7所述的一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统的控制方法,其特征在于:所述步骤一中,当太阳能板(5)正面设置的辐照仪采集到的太阳光线的光照强度大于200LUX时,光敏管工作即光敏开关打开。
9.根据权利要求7所述的一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统的控制方法,其特征在于:当光照强度小于10LUX时,或雨滴传感器感应到下雨时,CPU采集角度传感器的当前数据,并计算出俯仰至水平位置的方向,再通过第二电机驱动器驱动第二步进电机带动太阳能板运动,在运动中采集陀螺仪的数据,通过对比角度传感器与陀螺仪的数据,使电机转动直至陀螺仪检测到水平角度为零时停止转动,确保太阳能板回到水平位置进行保护。
10.根据权利要求7所述的一种杯型分布式光伏发电自跟踪系统的控制方法,其特征在于:当电池电量不足时,CPU控制外网电源通过电池转换器给电池充电,以保证设备初始启动工作。
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