CN106452320A - 一种光伏发电双轴跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏发电双轴跟踪系统，属于光伏发电技术领域，所述的光伏发电双轴跟踪系统包括太阳轨迹跟踪系统和光电跟踪系统；太阳轨迹跟踪系统通过时钟模块向单片机Ⅰ提供时间参数，单片机Ⅰ发出偏转指令给驱动装置，实现太阳能电池板的角度调节，角度编码器给出太阳能电池板实际位置，并负反馈给单片机Ⅰ；光电跟踪系统通过光电二极管检测光强偏差信号，经过信号放大电路，再经A/D转换器后传输给单片机Ⅱ，单片机Ⅱ输出控制指令给驱动装置，实现太阳能电池板的角度调节。本发明采用太阳轨迹跟踪和光电跟踪相结合的方式，确保太阳能电池板和太阳垂直照射，与固定支架光伏发电系统相比，发电效率提高30%—40%。

Description

一种光伏发电双轴跟踪系统

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，具体地说，涉及一种光伏发电双轴跟踪系统。

背景技术

当前，在人们对能源需求急剧增加,而化石能源日益匮乏的背景下,开发和利用太阳能等可再生能源越来越受到重视。世界各国政府纷纷把充分开发利用太阳能作为可持续发展的能源战略决策,其中光伏发电最受瞩目。太阳能光伏发电是新能源的重要组成部分,被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术,各发达国家均投入巨额资金竞相研究开发,并积极推进产业化进程,大力拓市场应用。

太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。但是太阳能的利用受地形、地势、位置、云雨等自然条件的影响很大，存在着间歇性和光照方向、强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。

目前，大型光伏电站的设计，特别是在国内，很多太阳能电池板阵列基本上是采用固定式结构，存在余弦效应影响，无法保证太阳光垂直照射，光伏电池不能充分利用太阳能资源，发电效率低下无法保证获得全年的最大光电转换效率。

发明内容

为了克服上述背景技术中的不足，本发明提供一种光伏发电双轴跟踪系统，采用双轴智能跟踪控制，能够实现太阳能电池板与太阳的实时跟踪，保证太阳光线垂直照射在太阳能电池板表面，降低电量损耗，提高光伏发电效率。

为了实现上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种光伏发电双轴跟踪系统，所述的光伏发电双轴跟踪系统包括太阳轨迹跟踪系统和光电跟踪系统；太阳轨迹跟踪系统包括时钟模块、单片机Ⅰ、驱动装置、角度编码器，光电跟踪系统包括4个分布在太阳能电池板正东、正西、正北、正南位置上的光电二极管、信号放大电路、A/D转换器、单片机Ⅱ、驱动装置。

进一步地，所述的太阳轨迹跟踪系统通过时钟模块向单片机Ⅰ提供时间参数，单片机Ⅰ得到需要偏转的角度值，单片机Ⅰ发出指令给驱动装置，驱动装置与光伏发电设备的转动轴连接，实现太阳能电池板的角度调节，角度编码器给出太阳能电池板实际位置，并负反馈给单片机Ⅰ。

进一步地，所述的光电跟踪系统通过光电二极管检测光强偏差信号，经过信号放大电路，再经A/D转换器后传输给单片机Ⅱ，单片机Ⅱ输出控制指令给驱动装置，驱动装置与光伏发电设备的转动轴连接，实现太阳能电池板的角度调节。

进一步地，所述的驱动装置包括方向轴步进电机和高度轴步进电机。

进一步地，所述的单片机Ⅰ内编写有太阳位置算法公式。

太阳位置一般需要用太阳高度角H和方位角A来标定，由太阳赤纬角和时角能换算出太阳高度角H和太阳方位角A，其计算方法为：

1、提供已知量：

当地的经度(longitude)和纬度(latitude)

日期：年(year)月(month)日(day)

时间：时(hour)分(minute)秒(second)

2、太阳赤纬角α的计算公式：

其中，θ角称为日角，θ＝2π(N-N0)/365.2422，N称为积日，即某一日在一年当中的第几天，因此1≤N≤366，注意：只有闰年的12月31日积日才为366。N0可以通过如下的公式来计算其积日：

N_U＝79.6764+0.2422(year-1985)-INT[(year-1985)/4]

其中INT是取整的意思，均时差Et也可以通过相似的公式计算得到：

E_f＝0.0028-0.19857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ

3、太阳时角b的计算公式如下：

b＝{(Hou-12)+[Min-(2π/2-Lon)×4+E_t]/60+Sec/3600}×π/12

由已知量得到太阳的赤纬角a和时角b，接下来再换算得到地平坐标系中的太阳高度角H与方位角A：

sin H＝sina×sin(Lat)+cosa×cos(Lat)×cos b

cosA＝(sin H×sin(Lat)-sin a)/(cos H×cos(Lat))

本发明的有益效果：本发明采用太阳轨迹跟踪和光电跟踪相结合的方式，根据当地地理纬度，调整太阳高度角和太阳水平角，由于太阳轨迹跟踪存在偏差，再采用光电跟踪对跟踪位置校正，进一步精确调整，确保太阳能电池板和太阳垂直照射，与固定支架光伏发电系统相比，发电效率提高30％-40％。

附图说明

图1为本发明太阳轨迹跟踪系统控制框图；

图2为本发明光电跟踪系统控制框图。

具体实施方式

如图1-2所示，光伏发电双轴跟踪系统包括太阳轨迹跟踪系统和光电跟踪系统；太阳轨迹跟踪系统包括时钟模块、单片机Ⅰ、驱动装置、角度编码器，光电跟踪系统包括4个分布在太阳能电池板正东、正西、正北、正南位置上的光电二极管、信号放大电路、A/D转换器、单片机Ⅱ、驱动装置。

时钟模块的时间参数值作为系统的设定值，设定值间歇性变化，每隔一段时间采集并设定一次，时钟模块向单片机Ⅰ提供时间参数，在单片机Ⅰ内写入太阳位置算法公式，单片机Ⅰ获得太阳能电池板需偏转角度值，单片机Ⅰ发送指令给驱动装置，驱动装置与光伏发电设备的转动轴连接，实现太阳能电池板的角度调节，角度编码器给出太阳能电池板的实际位置，并作为负反馈值传递给单片机Ⅰ，单片机Ⅰ与设定值比较后进行位置调整。时钟模块采用时钟芯片DSC12C887。

光电跟踪系统通过光电二极管检测光强偏差信号，经过信号放大电路，再经A/D转换器后传输给单片机Ⅱ，单片机Ⅱ输出控制指令给驱动装置，驱动装置与光伏发电设备的转动轴连接，实现太阳能电池板的角度调节。单片机Ⅱ内设定一个延时，实现先进行太阳轨迹跟踪，再进行光电跟踪的功能。

实验分析

进行固定支架安装方式和本发明提供的双轴跟踪方式下发电量对比实验，所选太阳电池阵列两种安装方式均是100Wp。在同年中的7月份、8月份、9月份、10月份、11月份分别选择三天进行了光伏发电实验，采用太阳能电池板对铅酸电池充电，三日充电完毕后，将蓄电池连接一个直流24V，15W的LED节能灯，将灯点亮的时间代表蓄电池存储电量。该实验可以简单直观的反应电能存储量，方便固定支架安装和双轴跟踪方式发电效率比较。表2列出了7月份、8月份、9月份、10月份、11月份中一些天的对比数据。

表1典型天气状况下发电量对比

表2LED灯点亮时间对比

根据上述数据测定，在不同节气和不同天气情况下，与固定支架光伏发电系统相比，本发明提供的双轴跟踪发电系统的发电效率均提高30％—40％，考虑充电效率和充电过程中的损耗，固定支架发电效率约为0.6，而双轴跟踪光伏系统发电效率约为0.85，发电效率由于固定支架光伏系统。本发明提供的双轴跟踪系统与固定支架方式相比，太阳电池的发电量有大幅提高，一般情况下，增幅达35％以上。根据天气状况的不同，提高的幅度有所差别，晴好天气提高的幅度与阴雨天气相比差异显著，在阴雨天气，二者差异不明显。

本发明采用太阳轨迹跟踪和光电跟踪相结合的方式，根据当地地理纬度，调整太阳高度角和太阳水平角，由于太阳轨迹跟踪存在偏差，再采用光电跟踪对跟踪位置校正，进一步精确调整，确保太阳能电池板和太阳垂直照射，与固定支架光伏发电系统相比，发电效率提高30％—40％。

最终，以上实施例和附图仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种光伏发电双轴跟踪系统，其特征在于：所述的光伏发电双轴跟踪系统包括太阳轨迹跟踪系统和光电跟踪系统；太阳轨迹跟踪系统包括时钟模块、单片机Ⅰ、驱动装置、角度编码器，光电跟踪系统包括4个分布在太阳能电池板正东、正西、正北、正南位置上的光电二极管、信号放大电路、A/D转换器、单片机Ⅱ、驱动装置。

2.根据权利要求1所述的一种光伏发电双轴跟踪系统，其特征在于：所述的太阳轨迹跟踪系统通过时钟模块向单片机Ⅰ提供时间参数，单片机Ⅰ得到需要偏转的角度值，单片机Ⅰ发出指令给驱动装置，驱动装置与光伏发电设备的转动轴连接，实现太阳能电池板的角度调节，角度编码器给出太阳能电池板实际位置，并负反馈给单片机Ⅰ。

3.根据权利要求1所述的一种光伏发电双轴跟踪系统，其特征在于：所述的光电跟踪系统通过光电二极管检测光强偏差信号，经过信号放大电路，再经A/D转换器后传输给单片机Ⅱ，单片机Ⅱ输出控制指令给驱动装置，驱动装置与光伏发电设备的转动轴连接，实现太阳能电池板的角度调节。

4.根据权利要求1所述的一种光伏发电双轴跟踪系统，其特征在于：所述的驱动装置包括方向轴步进电机和高度轴步进电机。

5.根据权利要求1所述的一种光伏发电双轴跟踪系统，其特征在于：所述的单片机Ⅰ内编写有太阳位置算法公式。