CN106292745A - 一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏发电技术。本发明包括：(1)对系统主要器件型号进行选择并设计光电跟踪电路；(2)计算太阳高度角和方位角；(3)判断光强方位；(4)陀螺仪加速度计姿态解算。本发明系统跟踪原理采用开环程控视日运动轨迹跟踪和闭环光电式跟踪相结合的两极跟踪方式，能够使系统适应不同的天气情况进行自适应调整从而尽量有效的利用太阳能。

Description

一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏发电技术。

背景技术

随着世界现有能源的短缺以及生态环境的恶化，风能、水能和太阳能等可再生能源的开发已经受到世界各国的广泛关注，越来越多的学者加入到了可再生能源技术的相关研究中。在几种可再生能源中太阳能最具有可再生、可持续的特征，因为太阳能是取之不尽，用之不竭的。与化石燃料相比，太阳能储存量十分巨大，可以被广泛利用。另外太阳能还具有其他独有特点，其一，太阳能分布范围极其广泛，只要有合适的太阳能利用设备，几乎在地球上每个角落都可以收集和使用太阳能；其二，太阳能是非常清洁而且无污染的可再生能源，不会产生类似因过度使用化石能源而引起的环境污染问题。

目前太阳能发电主要有两种形式：一种是聚焦型太阳能热发电，另一种是太阳能光伏发电。其中，太阳能光伏发电可直接将太阳能转换成电能，是一种不需要燃料且无污染的高新技术，已经成为一个更具活力的重要研究领域。但是由于光伏板的转换效率最高在25％左右，导致太阳能的利用率比较低下，所以提高太阳能的利用率对于太阳能利用有着重大意义。

世界上许多发达国家都在研究如何能够提高太阳能的利用率从而使太阳能光伏发电得到更加广泛的应用，研究思路大概有三种：第一，从增大太阳能密度入手，例如使用聚光技术提高单位面积内光伏板的光照强度。第二，从提高太阳能光伏板的转化效率入手，研究新型的太阳能光伏材料提高太阳能转化效率。第三，从提高太阳能发电的可利用效率入手，采取合适的逆变电路和控制方法使得太阳能光伏发电的可利用效率增大。

本发明是从上述三种思路中的第一种思路入手，通过跟踪太阳光提高单位面积内光伏板的光照强度从而提高太阳能利用效率。现今，太阳能光伏板在安装方法上绝大多数采用角度固定形式或者单轴跟踪形式，在跟踪原理上单一的反馈光伏板姿态角度构成单闭环控制，使得太阳能接收转化效率受到很大影响。本发明设计了一种能够从两个自由度上自动跟踪太阳光线的伺服跟踪系统，并且可以反馈当前光照强度的方位和光伏板的姿态角度信息进而构成双闭环控制，能够大幅度提升太阳能资源的接收效率，为太阳能的利用和开发进行探索。

发明内容

本发明的目的在于针对当前普遍对太阳能光伏板的安装方法和跟踪原理不利于对太阳能接收，导致转换效率低的缺点进行改进，提供一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法，包括如下步骤：

(1)对系统主要器件型号进行选择并设计光电跟踪电路，电路以当前时刻电路所处环境的太阳光作为输入；

(2)计算太阳高度角和方位角；依据系统所在位置的经纬度、日期和时间经过天文学公式计算得到太阳的高度角和方位角，经由单片机计算处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达到相应的角度；

(3)判断光强方位；依据(1)中的光电跟踪电路的输出信号判断光照强度强弱的方位，经由单片机处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达向着光照强度强的方位进行移动；

(4)陀螺仪加速度计姿态解算；陀螺仪加速度计将光伏板姿态角度信号送到单片机，经过计算处理得到当前光伏板的角度信息。

系统安装方法采用双轴跟踪的形式。

系统采用开环程控视日运动轨迹跟踪和闭环光电式跟踪相结合的两极跟踪方式。

系统将光伏板姿态角度信号反馈回单片机，系统构成双闭环控制；

本发明的有益效果在于：

(1)系统跟踪原理采用开环程控视日运动轨迹跟踪和闭环光电式跟踪相结合的两极跟踪方式，能够使系统适应不同的天气情况进行自适应调整从而尽量有效的利用太阳能。

(2)考虑当前时刻的光伏板的姿态角度信息，将信息反馈给单片机构成闭环控制，进一步提高识别的准确率。

附图说明

图1太阳能光伏板角度控制系统硬件总体结构；

图2上下(左右)方向光跟踪电路图；

图3太阳能光伏板角度控制系统原理框图；

图4软件总体流程图；

图5计算太阳高度角和太阳方位角软件流程图；

图6判断光强方位子程序流程图；

图7陀螺仪姿态解算子程序流程图；

图8陀螺仪加速度计与蓝牙模块互传串口助手截图；

图9根据光强方位输出的两路PWM波。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

系统选用STM32单片机作为控制器，舵机作为执行机构，光电跟踪电路和陀螺仪加速度计相结合构成检测反馈电路，形成闭环控制系统，可以提高对太阳光跟踪的精度。控制系统工作时，每隔半个小时，程序会先根据当地的经纬度，日期和时间，经过天文学公式计算得到太阳的高度角和方位角，单片机根据高度角和方位角转换成输出控制信号PWM波给舵机，控制舵机将光伏板运动到相应位置，陀螺仪加速度计会将此刻光伏板姿态角度信号反馈给单片机，形成闭环控制。当舵机角度被控制在允许误差带内时，光电跟踪电路会根据当前光照情况反馈给单片机，形成双闭环控制，并控制舵机进行微小的角度调整，这样能更加精确地跟踪太阳光。

本发明提出的一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法具体包括以下几个步骤。

步骤一：对系统主要器件型号进行选择并设计光电跟踪电路，电路以当前时刻电路所处环境的太阳光作为输入。

太阳能光伏板角度控制系统硬件总体结构如图1所示，系统工作时STM32单片机根据当前太阳高度角和方位角控制双轴跟踪模块调整光伏板角度，陀螺仪加速度计通过蓝牙传输模块反馈姿态角度信息给STM32构成单闭环控制。同时，光强方位判断电路反馈给STM32当前光照强度方位构成双闭环控制。并将信息实时显示到上位机模块，如果有必要可以通过手动控制模块控制双轴跟踪模块手动控制光伏板角度。下面对主要部件进行选型及简单的说明。

核心控制电路中单片机的选择。该系统采用了控制芯片STM32F103RCT6型单片机，该单片机是基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器。相比于51、52、AVR单片机其功能强大，价格适中，性价比非常高。

双轴驱动控制模块的选择。执行机构采用MG996R型模拟舵机搭建的双轴驱动装置，该跟踪装置具有两个自由度，一个绕水平面进行旋转，一个可以进行俯仰动作。这样可以实现对太阳的高度角和俯仰角的跟踪，相比于固定式和单轴跟踪形式，虽然结构稍微复杂，但可以提高对太阳能的转化效率。

陀螺仪加速度计的选择。该系统的光伏板姿态角度反馈采用高精度的MPU6050陀螺仪加速度计，STM32单片机通过串口读取MPU6050的输出数据，实现了对光伏板姿态角度的实时反馈，从而形成闭环回路控制，提高了对光伏板角度的控制精度。

光伏板是一种在太阳光照射下便会产生直流电的发电装置，几乎全部以半导体材料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。

系统使用的陀螺仪加速度计模块，控制芯片如何接收其传送的数据是一个关键问题。本系统为了避免连线造成光伏板运动的不便，采用无线数据传输电路蓝牙互传的方式。这样使得系统方便将光伏板的角度信息传递给上位机或者控制芯片。

光电跟踪电路的设计。为了能够更加准确的测量出当前时刻和当前位置相对于太阳能光伏板哪个方位的光照强度更强，设计了一个能够判断光照强度方位的电路。电路原理图如图2所示。

两个光敏电阻分为位于两个方位(上下或者左右)进行分压，另外两路分压我们可以人为设定为2.4V和2.6V。当两个方位的光照强度相当时，两个光敏电阻分压值在2.5V左右，那么LM393芯片的输出端口1和7会输出一个高电平和一个低电平；若上方光敏电阻受光照强度变强则两个光敏电阻分压值变大，超过2.6V时，LM393芯片的输出端口1和7会输出两个高电平；若上方光敏电阻受光照强度变弱则两个光敏电阻分压值变小，小于2.4V时，LM393芯片的输出端口1和7会输出两个低电平。根据上述分析可以得到光照强度方位和芯片输出端口的关系。依据此关系，我们可以很方便的将光强的方位信号输入至单片机中。

光电跟踪电路有两个图2所示电路组成，可以判断上下和左右四个方位的光照强度并将检测结果传送给STM32单片机。

步骤二：计算太阳高度角和方位角。

系统工作原理如图3所示的框图，整个系统分为两极跟踪形式，包括开环程控视日运动轨迹跟踪和闭环光电式跟踪。根据整个系统的工作原理，设计了如图4所示的软件流程图。首先系统要进行复位操作，然后通过控制芯片STM32读入当地的经度和纬度，日期及具体的时间，通过天文学公式计算太阳高度角和方位角，然后驱动高度角舵机和方位角舵机进行跟踪。当陀螺仪模块反馈回来的角度与理论角度的差值的绝对值小于5°时，进入光电跟踪的程序，首先读入四路光强判断的输入值信号，通过光电跟踪电路原理表对输入值进行分析并判断高度角和方位角是否需要进行调整，如果需要则改变该方向的控制信号PWM脉宽的占空比，驱动控制本方向的舵机进行微小的调整，使得光伏板总是朝向光照强度较强的方向进行转动达到自动跟踪太阳光线的目的。下面是开环程控视日运动轨迹跟踪中的太阳高度角和方位角计算公式。

太阳在天球坐标系中相对于地球上某点的相对位置是由观察点的地理位置及经纬度，当地日期和具体的时间决定的。将太阳位置X表示在地平坐标系和赤道坐标系中，用太阳方位角A、太阳高度角h、太阳赤纬角δ和太阳时角t来表示。

赤纬角δ计算公式：

$\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=0.3723+23.2567\sin \mathrm{\θ}+0.1149\sin 2\mathrm{\θ}-0.1712\sin 3\mathrm{\θ}\\ -0.758\cos \mathrm{\θ}+0.3656\cos 2\mathrm{\θ}+0.0201\cos 3\mathrm{\θ}\end{array}---\left(1\right)$

式中，

为日角，其中N为积日，指的是一年内的天序数，例如1月1号积日为1,1月2号积日为2，依此类推，这里还需要考虑闰年和平年2月份天数不同的问题。

太阳时角t计算公式：

t＝(S_z-12)×15 (2)

式中，

为真太阳时，其中S是标准时间的小时，F是标准时间的分，标准时间指的是某时区的时间，例如北京时间属于东8时区。JD为地区经度，JF为经分，T_z是时区。E_t＝0.0028-1.9857sinθ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ为时差。

太阳高度角和太阳方位角的计算公式：

h＝arcsin(sinφ×sinδ+cosδ×cosφ×cost) (3)

$A=\arcsin \left(\frac{cos\mathrm{\δ}\×\sin t}{\cosh }\right)---\left(4\right)$

通过以上对太阳高度角h和太阳方位角A的求解推导公式过程的分析，对系统设计如下的计算太阳高度角和方位角的软件流程图，如图5所示。

步骤三：判断光强方位。

闭环光电式跟踪主要由光电跟踪电路组成，根据光电跟踪电路的原理，光强方位可以通过判断LM393的两个输出端口1和输出端口7的输出量来进行判断，控制芯片STM32接收到两路LM393的4个输出比较值，若上下方位一路若都输出1，则判断上光强(下光弱)然后改变控制信号PWM脉宽调整舵机带动光伏板向光照强度较强的方位转动。反之，则向着相反的方向转动，另一路的工作原理相同。依据上述原理设计判断光强方位子程序的流程图，如图6所示。

步骤四：陀螺仪加速度计姿态解算。

陀螺仪加速度计的使用常伴随着通讯协议的解析，需要对陀螺仪发送的数据进行解算然后才能够得到光伏板的角度数据，下面对陀螺仪的姿态数据解算过程进行详细介绍。本系统使用串口通信，陀螺仪通过串口发送和接收数据，陀螺仪不断地发送加速度，角加速度和角度信息数据，当程序检查到协议的数据帧头0x55，0x53时判断此时接收的是角度信息，接收到第11位时，接收了完整的1帧角度信息数据，然后通过解算公式便可以求得x轴，y轴和z轴的角度数据。图7是陀螺仪加速度计姿态解算子程序的流程图。

步骤五：实例仿真。

为验证本发明的跟踪太阳光效果，系统调试主要包括硬件电路测试、软件程序测试及软件和硬件的联合调试。

硬件电路测试：

光强方位判断电路采用Proteus电路仿真。根据图2在Proteus软件中搭建上下(左右)光强方位判断电路的仿真电路图。通过改变上下(左右)光敏电阻的受光强度，观察LM393比较器的输出端口1和7的输出电平。对比上光强(下光弱)和上光弱(下光强)两种情况下的输出结果，该光强方位判断电路可以进行光照强度方位的判断。实际调试：按照光强方位判断电路的设计进行焊接，并将两路比较基准分压电路的电压通过调节电位计设定为2.4V和2.6V，分别测试上下和左右的两路光敏电阻的判断值情况。例如测试上下一路，先降低上部光敏电阻的受光照强度，使用万用表测试此路LM393的输出引脚1和7是否符合预先设定输出值。测试结果显示该电路可以判断光强方位。

为了确保陀螺仪加速度计模块能够正常的工作并且能够通过蓝牙传送数据。调试的具体方法是通过串口调试软件查看通过蓝牙是否接收到了MPU6050发送的协议数据。图8是调试陀螺仪加速度计和蓝牙模块互传数据时的串口调试助手截图画面。结果显示通过串口调试助手可以观察到有数据信号的正常传输，可以判断陀螺仪加速度计和蓝牙互传模块可以进行正常的工作。

软件程序测试：

为了实现光伏板自动跟踪光照强度较强的方位，设计了判断光强方位电路。根据判断光强电路的原理介绍，单片机需要接受4个引脚的输入，并且输入信号为高低电平类型所以设置GPIO口类型为上拉输入。单片机需要控制高度角和方位角两个舵机进行转动，所以应该有两路的PWM信号输出。本系统设定了4个输入信号引脚为PB5、PB6、PB7和PB8，2个输出PWM信号引脚为PA0和PA6。在进行软件调试时，先调试两路PWM波是否能够正常的工作，然后接好硬件电路部分，使用万用表分别检查单片机PB5、PB6、PB7和PB8端口电压值是否符合光强判断电路工作原理。图9为根据光强方位输出的两路PWM波实验图像。

这样能够提高太阳能光伏板有效接收太阳光线的面积从而提高太阳能转化成电能的效率，通过系统硬件和软件的联合调试，最后系统能够较为精准的实现自动跟踪太阳光。

Claims (4)

1.一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对系统主要器件型号进行选择并设计光电跟踪电路，电路以当前时刻电路所处环境的太阳光作为输入；

(2)计算太阳高度角和方位角；依据系统所在位置的经纬度、日期和时间经过天文学公式计算得到太阳的高度角和方位角，经由单片机计算处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达到相应的角度；

(3)判断光强方位；依据(1)中的光电跟踪电路的输出信号判断光照强度强弱的方位，经由单片机处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达向着光照强度强的方位进行移动；

(4)陀螺仪加速度计姿态解算；陀螺仪加速度计将光伏板姿态角度信号送到单片机，经过计算处理得到当前光伏板的角度信息。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法，其特征在于：系统安装方法采用双轴跟踪的形式。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法，其特征在于：系统采用开环程控视日运动轨迹跟踪和闭环光电式跟踪相结合的两极跟踪方式。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法，其特征在于：系统将光伏板姿态角度信号反馈回单片机，系统构成双闭环控制。