CN108181936B - 双轴双闭环太阳跟踪控制方法 - Google Patents
双轴双闭环太阳跟踪控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及太阳能技术领域，公开了一种双轴双闭环太阳跟踪控制方法，包括：S1：建立像素坐标系；S2：通过现场调试，计算出该圆心点像素坐标，并标定该圆心点为工作状态点(x＇，y＇)，计算出准备状态点(x，y)；S3：调整被控对象，同时计算当前太阳圆心点的实际像素坐标(x0，y0)，使(x0，y0)与(x，y)的偏差小于误差允许值；S4：调整被控对象，同时计算当前太阳圆心点的实际像素坐标(x0＇，y0＇)，使(x0＇，y0＇)与(x＇，y＇)的偏差小于误差允许值。本发明包括S3准备状态和S4工作状态，两种状态所处位置差值固定，切换时间固定可控，可实现快速响应。本发明的方法操作简单方便，系统存在两种状态，可随时切换，不需要为了切换状态而时刻人工操作运行。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，特别涉及一种双轴双闭环太阳跟踪控制方法。
背景技术
在世界常规能源逐渐不能满足未来社会发展需要、地球环境因大量石化能源消耗而造成不可逆转地恶化的大背景下，太阳能因其储量无限性、分布普遍性、利用清洁性及经济性等特征被普遍看好，是最具发展前景、最能解决未来人类社会发展能源需求问题的新能源之一。
太阳能热发电技术是光伏发电技术以外的另一有很大发展潜力的太阳能发电技术。在太阳能热发电中，根据聚光方式的不同，主要有槽式、塔式、碟式三种主要技术路线太阳能热发电利用的基本原理为：太阳辐射能经过碟式聚光器汇聚后投向集热器，被集热器吸收，转化为热能，并传递给工质，使工质温度升高，形成高温热源，送入热机，热量转化为机械能，推动发电机运转，对外发出电能。
如图1为现有太阳能追日系统结构示意图，基于该结构的现有的双轴双闭环太阳跟踪控制方法存在以下不足之处：
1、精度低。仅依据天文模型进行太阳的追踪控制，由于天文模型与实际太阳的位置情况不能完全吻合，所以实际追踪结果不能达到十分精确，存在较大误差。
2、响应慢。即使实现了对天文模型的修调，由于非工作状态所处位置与工作状态位置差值不确定，从非工作状态切换到工作状态的过程所需时间可能会很长，不能实现快速响应。
3、易超调震荡。由于非工作状态所处位置与工作状态位置差值较大时，从非工作状态切换到工作状态的过程中，会使运行速度较大，容易存在超调震荡问题，可能损坏太阳能接收器周边设备。
发明内容
本发明提出一种双轴双闭环太阳跟踪控制方法，解决了现有技术中追踪结果误差较大，无法精确且快速地达到理想位置的问题。
本发明的一种双轴双闭环太阳跟踪控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1：建立像素坐标系x0y；
S2：通过现场调试，找到太阳与被控对象之间的理想位置，光学对焦传感器获取此时刻图像信息，将太阳圆心点对应到所述像素坐标系中，计算出该圆心点像素坐标，并标定该圆心点为工作状态点(x＇，y＇)，计算出准备状态点(x，y)，所述准备状态点是距工作状态点预定距离的点；
S3：调整所述被控对象，同时计算当前太阳圆心点的实际像素坐标(x0，y0)，使(x0，y0)与(x，y)的偏差小于误差允许值；
S4：调整所述被控对象，同时计算当前太阳圆心点的实际像素坐标(x0＇，y0＇)，使(x0＇，y0＇)与(x＇，y＇)的偏差小于误差允许值。
其中，所述步骤S3包括：
S31：根据太阳对时间的经验位置曲线，计算出当前时刻太阳的理论位置，计算得出当前时刻被控对象的理论倾角(α，β)，加上修正值u1，得出被控对象实际要执行的角度值(α0，β0)，并记录该角度值，其中α表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角，β表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角；
S32：通过角度采集器获得被控对象的实际倾角(α1，β1)，其中α1表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角，β1表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角；
S33：光学对焦传感器采集当前时刻太阳实际位置的图像信息，如果能够正常获取太阳的图像信息，则在记录表中标记该时刻太阳的图像信息获取正常，计算出当前时刻太阳的圆心在所述像素坐标系中对应的实际像素坐标(x0，y0)，否则在记录表中标记太阳的图像信息异常，以供日后查询；
S34：比较判断(x，y)与(x0，y0)之间的偏差值，如果两像素点位置偏差小于误差允许值，则保持修正值不变，否则，则以(x，y)为基准，计算被控对象当前时刻偏差，更新修正值u1，更新被控对象实际要执行的角度值(α0，β0)，并根据(α1，β1)、(x0，y0)和(x，y)计算并记录太阳的位置c；
S35：比较被控对象的实际倾角(α1，β1)与被控对象实际要执行的角度值(α0，β0)，
若偏差大于等于误差允许值，则分别计算两倾角的偏差，并发送调整指令给电机驱动器，通过电机调整被控对象的倾角，执行步骤s36；
若偏差小于误差允许值，则发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整被控对象的倾角，执行步骤s36；
S36：判断是否接收到切换到S4的指令或停止调整指令：若接收到切换到S4的指令，则执行步骤S4；若接收到到停止调整指令，发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整；若未接收到任何指令，则执行步骤S31至S36。
其中，若光学对焦传感器无法捕获当前时刻太阳的位置时，根据可获得最近一天太阳的位置c，推算修正值u1。
其中，所述步骤S4包括：
S41：根据太阳对时间的经验位置曲线，计算出当前时刻太阳的理论位置，计算得出当前时刻被控对象的理论倾角(α＇，β＇)，加上修正值u2，得出被控对象实际要执行的角度值(α0＇，β0＇)，并记录该角度值，其中α＇表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角，β＇表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角；
S42：通过角度采集器获得被控对象的实际倾角(α1＇，β1＇)，其中α1＇表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角，β1＇表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角；
S43：光学对焦传感器采集当前时刻太阳实际位置的图像信息，如果能够正常获取太阳的图像信息，则在记录表中标记该时刻太阳的图像信息获取正常，计算出当前时刻太阳的圆心在像素坐标系中对应的实际像素坐标(x0＇，y0＇)，否则在记录表中标记太阳的图像信息异常，以供日后查询；
S44：比较判断(x＇，y＇)与(x0＇，y0＇)之间的偏差值，如果两像素点位置偏差小于误差允许值，则保持修正值不变，否则，则以(x＇，y＇)为基准，计算被控对象当前时刻偏差，更新修正值u2，更新被控对象实际要执行的角度值(α0＇，β0＇)，并根据(α1＇，β1＇)、(x0＇，y0＇)和(x＇，y＇)计算并记录太阳的位置d；
S45：比较被控对象的实际倾角(α1＇，β1＇)，与被控对象实际要执行的角度值(α0＇，β0＇)，
若偏差大于等于误差允许值，则分别计算两倾角的偏差，并发送调整指令给电机驱动器，通过电机调整被控对象的倾角，执行步骤s46；
若偏差小于误差允许值，则发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整被控对象的倾角，执行步骤s46；
S46：判断是否接收到切换到S3的指令或停止调整指令：若接收到切换到S3的指令，则执行步骤S3；若接收到到停止调整指令，发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整；若未接收到任何指令，则循环步骤S41至S46。
其中，若光学对焦传感器无法捕获当前时刻太阳的位置时，根据可获得最近一天太阳的位置d，推算修正值u2。
其中，所述准备状态点是以工作状态点为圆心，以一定偏差为半径的近似圆上的点。
其中，所述S1包括：通过光学对焦传感器获取同样大小的若干图片，将图片上任意一点定义为坐标原点，以相互垂直的两个方向作为正负坐标轴，以像素作为基本单位建立像素坐标系x0y。
本发明的双轴双闭环太阳跟踪控制方法中，有两种控制状态，即S31-S36为准备状态控制步骤和S41-S46为工作状态控制步骤，根据实际的需要可以执行准备状态S3到工作状态S4的切换，也可以单独执行准备状态S3或者工作状态控制S4。准备状态所处位置与工作状态所处位置差值固定，切换时间固定可控，可实现快速响应，并能达到较高的精度，不易引起超调震荡问题。而且操作简单方便，系统存在两种状态，可随时切换，不需要为了切换状态而时刻人工操作运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的一种双轴双闭环太阳跟踪系统结构图；
图2为本发明的基于图1的系统的双轴双闭环太阳跟踪控制方法流程图；
图3为被控对象实际要执行的角度值的夹角示意图；
图4为图2的一种简化工作方式流程图；
图5为图2的另一种简化工作方式流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例的双轴双闭环太阳跟踪控制方法如图2所示，包括：
步骤S1，建立像素坐标系x0y。本实施例中，通过光学对焦传感器获取同样大小的若干图片，将图片上任意一点定义为坐标原点，以相互垂直的两个方向作为正负坐标轴，以像素作为基本单位建立像素坐标系x0y。
步骤S2，通过现场调试，找到太阳与被控对象之间的理想位置，光学对焦传感器获取此时刻图像信息，将太阳圆心点对应到所述像素坐标系中，计算出该圆心点像素坐标，并标定该圆心点为工作状态点(x＇，y＇)，计算出准备状态点(x，y)。其中，准备状态点是距工作状态点预定距离的点，两者保持较短的距离(该距离根据实际情况设定)，在后续状态切换时更加快速，所述理想位置为太阳光线、反射或透射光线与被控对象的理论设计位置偏差小于允许误差的位置，例如：被控对象为晶硅太阳能电池组件时，太阳光线垂直照射被控对象上的太阳能电池板的位置。
步骤S3，调整所述被控对象，同时计算当前太阳圆心点的实际像素坐标(x0，y0)，使(x0，y0)与(x，y)的偏差小于误差允许值。
步骤S4，调整所述被控对象，同时计算当前太阳圆心点的实际像素坐标(x0＇，y0＇)，使(x0＇，y0＇)与(x＇，y＇)的偏差小于误差允许值。
本发明的双轴双闭环太阳跟踪控制方法中，步骤S3为准备状态控制步骤，S4为工作状态控制步骤，准备状态所处位置与工作状态所处位置差值固定，且小于允许的误差范围，切换时间固定可控，可实现快速响应，并能达到较高的精度，而且不易引起超调震荡问题。
本实施例中，步骤S3具体包括：
步骤S31，根据太阳对时间的经验位置曲线，计算出当前时刻太阳的理论位置，计算得出当前时刻被控对象的理论倾角(α，β)，加上修正值u1，即α和β分别加上u1，得出被控对象实际要执行的角度值(α0，β0)，并记录该角度值。其中α表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角，β表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角。
步骤S32，通过角度采集器获得被控对象的实际倾角(α1，β1)。其中α1表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角，β1表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角。设角度采集器检测到的太阳能支架在竖直平面内仅一轴有转动分量的倾角为A，在竖直平面内两轴有转动分量的倾角为B，通过运算变换赋值：α1＝A，β1＝arcsin(sinB/cosA)，得到被控对象的实际位置(α1，β1)。
步骤S33，光学对焦传感器采集当前时刻太阳实际位置的图像信息，如果能够正常获取太阳的图像信息，则在记录表中标记该时刻太阳的图像信息获取正常，计算出当前时刻太阳的圆心在所述像素坐标系中对应的实际像素坐标(x0，y0)，否则在记录表中标记太阳的图像信息异常，以供日后查询。
步骤S34，比较判断(x，y)与(x0，y0)之间的偏差值：如果两像素点位置偏差小于误差允许值，则保持修正值不变，否则，则以(x，y)为基准，计算被控对象当前时刻偏差，更新修正值u1，更新被控对象实际要执行的角度值(α0，β0)，即α和β分别加上更新后的u1。并根据(α1，β1)、(x0，y0)和(x，y)计算并记录太阳的位置c。如图3所示，图中L1表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴，L2表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴，L3表示重力线。
步骤S35，比较被控对象的实际倾角(α1，β1)与被控对象实际要执行的角度值(α0，β0)，
若偏差大于等于误差允许值，则分别计算两倾角的偏差，并发送调整指令给电机驱动器，通过电机调整被控对象的倾角，执行步骤S36；
若偏差小于误差允许值，则发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整被控对象的倾角，执行步骤S36；
步骤S36，判断是否接收到切换到S4的指令或停止调整指令：若接收到切换到S4的指令，则执行步骤S4；若接收到到停止调整指令，发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整；若未接收到任何指令，则执行步骤S31至S36。
本实施例中，步骤S4具体包括：
步骤S41，根据太阳对时间的经验位置曲线，计算出当前时刻太阳的理论位置，计算得出当前时刻被控对象的理论倾角(α＇，β＇)，加上修正值u2，即α＇和β＇分别加上u2，得出被控对象实际要执行的角度值(α0＇，β0＇)，并记录该角度值。其中α＇表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角，β＇表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角。
步骤S42，通过角度采集器获得被控对象的实际倾角(α1＇，β1＇)，其中α1＇表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角，β1＇表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角。
步骤S43，光学对焦传感器采集当前时刻太阳实际位置的图像信息，如果能够正常获取太阳的图像信息，则在记录表中标记该时刻太阳的图像信息获取正常，计算出当前时刻太阳的圆心在像素坐标系中对应的实际像素坐标(x0＇，y0＇)，否则在记录表中标记太阳的图像信息异常，以供日后查询。
步骤S44，比较判断(x＇，y＇)与(x0＇，y0＇)之间的偏差值：如果两像素点位置偏差小于误差允许值，则保持修正值不变，否则，则以(x＇，y＇)为基准，计算被控对象当前时刻偏差，更新修正值u2，更新被控对象实际要执行的角度值(α0＇，β0＇)，即α＇和β＇分别加上新的u2。并根据(α1＇，β1＇)、(x0＇，y0＇)和(x＇，y＇)计算并记录太阳的位置d。
步骤S45，比较被控对象的实际倾角(α1＇，β1＇)，与被控对象实际要执行的角度值(α0＇，β0＇)，
若偏差大于等于误差允许值，则分别计算两倾角的偏差，并发送调整指令给电机驱动器，通过电机调整被控对象的倾角，执行步骤s46；
若偏差小于误差允许值，则发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整被控对象的倾角，执行步骤s46；
步骤S46，判断是否接收到切换到S3的指令或停止调整指令：若接收到切换到S3的指令，则执行步骤S3；若接收到到停止调整指令，发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整；若未接收到任何指令，则循环步骤S41至S46。
本实施例中，为了便于计算，步骤S2中，准备状态点是以工作状态点为圆心，以一定偏差为半径的近似圆上的点。
本实施例的双轴双闭环太阳跟踪控制方法中，有两种控制状态，即S31-S36为准备状态控制步骤和S41-S46为工作状态控制步骤，根据实际的需要可以执行准备状态S3到工作状态S4的切换，如4和5所示，也可以单独执行准备状态S3或者工作状态控制S4。准备状态所处位置与工作状态所处位置差值固定，切换时间固定可控。
当光学对焦传感器无法捕获当前时刻太阳的位置时(天气状况不佳)，可根据获得的最近一天太阳的位置c或d的信息，推算修正值u1或u2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双轴双闭环太阳跟踪控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1：建立像素坐标系x0y；
S2：通过现场调试，找到太阳与被控对象之间的理想位置，光学对焦传感器获取此时刻图像信息，将太阳圆心点对应到所述像素坐标系中，计算出该圆心点像素坐标，并标定该圆心点为工作状态点(x＇，y＇)，计算出准备状态点(x，y)，所述准备状态点是距工作状态点预定距离的点；
S3：调整所述被控对象，同时计算当前太阳圆心点的实际像素坐标(x0，y0)，使(x0，y0)与(x，y)的偏差小于误差允许值；
S4：调整所述被控对象，同时计算当前太阳圆心点的实际像素坐标(x0＇，y0＇)，使(x0＇，y0＇)与(x＇，y＇)的偏差小于误差允许值。
2.如权利要求1所述的双轴双闭环太阳跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31：根据太阳对时间的经验位置曲线，计算出当前时刻太阳的理论位置，计算得出当前时刻被控对象的理论倾角(α，β)，加上修正值u1，得出被控对象实际要执行的角度值(α0，β0)，并记录该角度值，其中α表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角，β表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角；
S32：通过角度采集器获得被控对象的实际倾角(α1，β1)，其中α1表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角，β1表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角；
S33：光学对焦传感器采集当前时刻太阳实际位置的图像信息，如果能够正常获取太阳的图像信息，则在记录表中标记该时刻太阳的图像信息获取正常，计算出当前时刻太阳的圆心在所述像素坐标系中对应的实际像素坐标(x0，y0)，否则在记录表中标记太阳的图像信息异常，以供日后查询；
S34：比较判断(x，y)与(x0，y0)之间的偏差值，如果两像素点位置偏差小于误差允许值，则保持修正值不变，否则，则以(x，y)为基准，计算被控对象当前时刻偏差，更新修正值u1，更新被控对象实际要执行的角度值(α0，β0)，并根据(α1，β1)、(x0，y0)和(x，y)计算并记录太阳的位置c；
S35：比较被控对象的实际倾角(α1，β1)与被控对象实际要执行的角度值(α0，β0)，
若偏差大于等于误差允许值，则分别计算两倾角的偏差，并发送调整指令给电机驱动器，通过电机调整被控对象的倾角，执行步骤s36；
若偏差小于误差允许值，则发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整被控对象的倾角，执行步骤s36；
S36：判断是否接收到切换到S4的指令或停止调整指令：若接收到切换到S4的指令，则执行步骤S4；若接收到到停止调整指令，发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整；若未接收到任何指令，则执行步骤S31至S36。
3.如权利要求2所述的双轴双闭环太阳跟踪控制方法，其特征在于，若光学对焦传感器无法捕获当前时刻太阳的位置时，根据可获得最近一天太阳的位置c，推算修正值u1。
4.如权利要求1所述的双轴双闭环太阳跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41：根据太阳对时间的经验位置曲线，计算出当前时刻太阳的理论位置，计算得出当前时刻被控对象的理论倾角(α＇，β＇)，加上修正值u2，得出被控对象实际要执行的角度值(α0＇，β0＇)，并记录该角度值，其中α＇表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角，β＇表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的理论夹角；
S42：通过角度采集器获得被控对象的实际倾角(α1＇，β1＇)，其中α1＇表示竖直平面内跟踪支架仅一轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角，β1＇表示竖直平面内跟踪支架两轴有传动分量的轴与重力线的实际夹角；
S43：光学对焦传感器采集当前时刻太阳实际位置的图像信息，如果能够正常获取太阳的图像信息，则在记录表中标记该时刻太阳的图像信息获取正常，计算出当前时刻太阳的圆心在像素坐标系中对应的实际像素坐标(x0＇，y0＇)，否则在记录表中标记太阳的图像信息异常，以供日后查询；
S44：比较判断(x＇，y＇)与(x0＇，y0＇)之间的偏差值，如果两像素点位置偏差小于误差允许值，则保持修正值不变，否则，则以(x＇，y＇)为基准，计算被控对象当前时刻偏差，更新修正值u2，更新被控对象实际要执行的角度值(α0＇，β0＇)，并根据(α1＇，β1＇)、(x0＇，y0＇)和(x＇，y＇)计算并记录太阳的位置d；
S45：比较被控对象的实际倾角(α1＇，β1＇)，与被控对象实际要执行的角度值(α0＇，β0＇)，
若偏差大于等于误差允许值，则分别计算两倾角的偏差，并发送调整指令给电机驱动器，通过电机调整被控对象的倾角，执行步骤s46；
若偏差小于误差允许值，则发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整被控对象的倾角，执行步骤s46；
S46：判断是否接收到切换到S3的指令或停止调整指令：若接收到切换到S3的指令，则执行步骤S3；若接收到到停止调整指令，发送停止调整指令给电机驱动器，停止调整；若未接收到任何指令，则循环步骤S41至S46。
5.如权利要求4所述的双轴双闭环太阳跟踪控制方法，其特征在于，若光学对焦传感器无法捕获当前时刻太阳的位置时，根据可获得最近一天太阳的位置d，推算修正值u2。
6.如权利要求1所述的双轴双闭环太阳跟踪控制方法，其特征在于，所述准备状态点是以工作状态点为圆心，以一定偏差为半径的近似圆上的点。
7.如权利要求1～6中任一项所述的双轴双闭环太阳跟踪控制方法，其特征在于，所述S1包括：通过光学对焦传感器获取同样大小的若干图片，将图片上任意一点定义为坐标原点，以相互垂直的两个方向作为正负坐标轴，以像素作为基本单位建立像素坐标系x0y。
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