CN108255204A - 一种浮标及其定日光伏控制方法 - Google Patents

Abstract

一种浮标，由浮标体和透明保护罩组成，浮标体浮于水中，透明保护罩出于水面，透明保护罩与浮标体紧密结合。浮标体的外围设有对称的肋板，使得浮标体的垂直剖面呈现为T形，肋板提高了浮标的抗变形能力，减弱了浮标重心变化引起的反转趋势，使得浮标体能够像钉子一样扎在水里，减少浮标的左右摇摆度。浮标体内部为中空结构，该中空结构底部安装有电池，该电池通过调整机构支撑位于电池上方的一套定日光伏发电装置，且该定日光伏发电装置能够为所述电池充电。

Description

一种浮标及其定日光伏控制方法

技术领域

本发明属于航行管理装备技术领域，特别涉及一种浮标及其定日光伏控制方法。

背景技术

公开号为CN106218816A的专利文件，公开了“一种多功能海洋声学浮标，包括缆绳、浮体和支撑杆，其特征在于，所述支撑杆垂直贯穿安装在所述浮体中心位置，所述支撑杆的顶端安装有控制器，所述控制器上设有光伏板，所述光伏板的顶端设有DGPS天线，所述DGPS天线的上方设有灯具，所述灯具上连有夜间导航指示灯，所述夜间导航指示灯通过无线通信设备与所述控制器相连，所述支撑杆的底部设有水下电子舱，所述水下电子舱通过所述缆绳连有水听器，所述水听器的下方设有锚，所述锚通过绳索与所述缆绳固定连接”，但是该方案对于光伏板的角度没有调整功能，无法充分发挥光伏的发电效率，然而，太阳能电池板的对太阳的跟踪效果对太阳能的利用效率有着重要影响。

发明内容

本发明的浮标及其定日光伏控制方法，目的在于解决浮标对于定日光伏发电中的太阳方位跟踪问题。

一种浮标，所述浮标由浮标体和透明保护罩组成，浮标体浮于水中，透明保护罩出于水面，透明保护罩与浮标体紧密结合，其中，

浮标体的外围设有对称的肋板，使得浮标体的垂直剖面呈现为T形，肋板提高了浮标的抗变形能力，减弱了浮标重心变化引起的反转趋势，使得浮标体能够像钉子一样扎在水里，减少浮标的左右摇摆度。

浮标体内部为中空结构，该中空结构底部安装有电池，该电池通过调整机构支撑位于电池上方的一套定日光伏发电装置，且该定日光伏发电装置能够为所述电池充电，

所述定日光伏发电装置位于由浮标体内部的中空结构构造出的凹腔与透明保护罩一起形成的接近球形空间内，这里，定日是跟踪太阳方位的含义。

所述的定日光伏发电装置包括平衡环，以及安装在平衡环上的具有双轴结构的太阳能电池板，

还包括用于改变太阳能电池板的第一步进电机和第二步进电机，第一步进电机和第二步进电机通过各自的驱动机构与太阳能电池板的双轴结构啮合，

第一步进电机是用于改变太阳能电池板高度角的步进电机，用于调整太阳能电池板高度角，使其高度角时刻等于太阳高度角，

第二步进电机是用于改变太阳能电池板方位角的步进电机，用于调整太阳能电池板方位角，使其方位角时刻等于太阳方位角，

包括第一步进电机和第二步进电机以及对太阳能电池板的驱动机构的调整机构与太阳能电池板一起随动平衡环。

所述电池采用锂电池。

透明保护罩采用半球形，材料采用树脂材料。

所述平衡环的结构是四级平衡环。

定日光伏发电装置具有控制电路，该控制电路包括，GPS信号处理器、地磁方位传感器、光照传感器、角度反馈器和主控制器，GPS信号处理器和地磁方位传感器的信号接入主控制器，主控制器连接驱动模块，驱动模块用于驱动第一步进电机和第二步进电机。

主控制器采用STM32F101ZD。

一种用于浮标的定日光伏控制方法，所述浮标是如权利要求7所述的浮标，该控制方法包括下面步骤：

主控制器根据光照强度，判断太阳能电池板是否具有采光条件；

当太阳能电池板具有采光条件时，主控制器获取浮标内太阳能电池板当前姿态，包括高度角和方位角，

主控制器控制驱动模块给第二步进电机发射脉冲，电机转动调节太阳能电池板方位角，

其中0＜α-β＜180°时，太阳能电池板逆时针调整，否则顺时针调整，直到方位角偏离值小于允许值δ；

主控制控制驱动模块给第一步进电机发射脉冲，电机转动调节太阳能电池板高度角，

其中γ-ε＞0°时，太阳能电池板逆时针调整，否则顺时针调整，直到高度角偏离值小于允许值Δ，确保太阳能电池板能够被太阳光直射，

浮标自身方位角α根据地磁方位传感器测出，

太阳方位角β通过GPS提供的当地实时时间计算得出，

δ为方位角允许偏离值，

太阳高度角γ根据太阳运行规律公式及海洋浮标所在位置的经纬度、时区时间等信息计算得出，

太阳能电池板高度角ε通过GPS信号处理器实时感知，

允许值Δ是高度角偏离允许值。

该控制方法还包括在控制方法开始时，浮标内的主控制器接收GPS信号，根据GPS信号包括的经纬度以及所处时区时间的数据，判断当前是否为6:00-18:00。

本发明的技术方案中，定日太阳能电池板自动跟踪控制装置与浮标体通过四级平衡环活动连接，锂电池组及各种浮标搭载设备装箱后固定于自动跟踪控制装置底下，使整个装置无论在何种海况下都能保持平稳不晃动，从而为定日装置提供一个平衡稳定的工作平台，避免太阳能电池板的高度角因海水的波动而大范围变化。

本发明的定日光伏海洋浮标是一种能够自动跟踪太阳位置的太阳能电池板发电的海洋浮标。太阳能板配有太阳跟踪机构，实现对太阳的双轴跟踪，精确地跟踪太阳位置可使太阳能电池板的光伏接收效率大大提高，进而提高浮标的光伏电池对于太阳能的利用率。本发明的浮标较普通太阳能电池板固定式的太阳能供电浮标对太阳能的收集量至少提高两倍，除去此装置正常工作所必须的耗电量，对太阳能的利用率至少提高30％。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是本发明浮标内定日光伏自动跟踪控制装置的结构示意图。

图2是本发明浮标剖面结构示意图。

图3是本发明中定日光伏自动跟踪控制装置电路原理框图。

图4是本发明中光伏板的方位角和高度角调节示意图。

图5本发明中光伏板方位角和高度角控制流程示意图。

图6是本发明浮标外观示意图。

图7是本发明浮标的外观示意图。

1——四级平衡环，2——太阳能电池板，3——锂电池组，4——第一(高度角)步进电机，5——第二(方位角)步进电机，6——调整机构，7——透明保护罩，8——浮标体。

具体实施方式

结合图1和图2，本发明的机械结构具有以下结构：

四级平衡环1，用以保证自动跟踪控制装置在时刻摇摆不定的海面上保持水平状态，提高定日效果。平衡环为纯机械结构，不消耗浮标电能，可不间断稳定工作。

太阳能电池板2，通过太阳光的照射将太阳能转化为电能存于浮标内部的锂电池里，并为海洋浮标上搭载的各种设备供电。

锂电池组3，储存电能，为浮标上搭载的功能设备提供稳定能源。锂电池组还充当了配重的作用，使整个定日太阳能电池板自动跟踪控制装置重心处于平衡环及浮标水线以下，使平衡环能够稳定实现其功能。

高度角步进电机4，用于调整太阳能电池板高度角，使其高度角时刻等于太阳高度角。

方位角步进电机5，用于调整太阳能电池板方位角，使其方位角时刻等于太阳方位角。

调整机构6，其作用在于支撑太阳能板，辅助步进电机实现其功能。

透明保护罩7，球面外形风阻小，采用树脂材料，重量轻透光率高，耐冲击，使太阳光能高效照射到太阳能电池板上，又能保护浮标内部设备不受海盐侵蚀，提高浮标整体使用寿命。

浮标体8，其特别之处在于其整体呈“T”字形，像一根钉子一样扎在水里，减少左右摇摆度。外围特有的四片肋板，既提高了浮标的抗变形能力，又减弱了浮标因内部机构调整方位角引起的反转趋势。

图3是定日太阳能电池板自动跟踪控制装置的原理框图。该控制采用双轴跟踪控制，实现在方位角和高度角两个方向上的同时跟踪。由STM32控制器、GPS信号处理器及控制电路、地磁方位传感器、光照传感器，高度角及方位角调整机构、反馈机构组成。当太阳位置发生变化时，跟踪控制系统通过控制步进电机转动，使太阳能电池板法线始终指向太阳，也就是使太阳光始终直射太阳能电池板。

结合图3及图4，定日太阳能电池板自动跟踪控制装置除了具备合适的机械系统设计以外，若要使整个系统进行自动化控制提高对太阳能的利用率。那么，必不可少就是电子电路系统的设计，系统主要分为控制太阳能电池板的高度角和方位角两个部分。

第一部分，若方位角按顺时针一圈360°，默认正南方位为0°，根据地磁方位传感器测出浮标自身方位角α并及时反馈给CPU，CPU通过GPS提供的当地实时时间计算出太阳方位角β，当∣α-β∣＞δ时，自动控制驱动器发出脉冲信号给方位角步进电机转动，调整太阳能板方位角直到∣α-β∣＜δ，其中δ为方位角允许偏离值。为了节约浮标电能，当α-β＞180°或α-β＜0时，太阳能电池板顺时针调整；0＜α-β＜180°时，太阳能电池板逆时针调整。

第二部分，由于太阳与地球的相对运动，STM32控制器根据太阳运行规律公式及海洋浮标所在位置的经纬度、时区时间等信息计算出太阳的高度角γ，以此通过GPS信号处理器实时感知浮标内太阳能电池板高度角ε的变化，将得到的经纬度及时间数据及时的反馈给CPU(Central Processing Unit)，CPU通过编辑好的程序执行相应的操作，计算出此时太阳的高度角偏离值，当偏离值超过允许值Δ时，自动控制驱动器发出脉冲信号给高度角步进电机转动调整太阳能板高度角直到偏离值小于允许偏离值Δ，即∣γ-ε∣＜Δ。通过系统对以上两部分的控制实现对太阳能板跟踪太阳的精确控制。

结合图5，本发明的定日光伏控制方法包括:

步骤1，程序开始运行，初始化，完成后进入步骤2；

步骤2，接收GPS信号，STM32对GPS信号处理器接收到的数据进行分析，数据包括经纬度以及所处时区时间，判断当时是否为6:00-18:00，若是程序进入步骤3，否则程序回到上一步；

步骤3，根据光敏传感器的反馈判断当时太阳是否在天上，即太阳能电池板是否具有采光条件，是则程序进入步骤4，否则程序回到上一步；

步骤4，获取浮标内太阳能电池板当前姿态，包括高度角和方位角，CPU控制驱动器给方位角步进电机发射脉冲，电机转动调节太阳能电池板方位角，其中0＜α-β＜180°时，太阳能电池板逆时针调整，否则顺时针调整，直到方位角偏离值小于允许值δ时跳出循环，完成后进入步骤5；

步骤5，同理，CPU控制驱动器给高度角步进电机发射脉冲，电机转动调节太阳能电池板高度角，其中γ-ε＞0°时，太阳能电池板逆时针调整，否则顺时针调整，直到高度角偏离值小于允许值Δ时跳出循环，确保太阳能电池板能够被太阳光直射，程序结束。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种浮标，其特征在于，所述浮标由浮标体和透明保护罩组成，浮标体浮于水中，透明保护罩出于水面，透明保护罩与浮标体紧密结合，其中，

浮标体的外围设有对称的肋板，使得浮标体的垂直剖面呈现为T形，肋板提高了浮标的抗变形能力，减弱了浮标重心变化引起的反转趋势，使得浮标体能够像钉子一样扎在水里，减少浮标的左右摇摆度。

2.如权利要求1所述的浮标，其特征在于，浮标体内部为中空结构，该中空结构底部安装有电池，该电池通过调整机构支撑位于电池上方的一套定日光伏发电装置，且该定日光伏发电装置能够为所述电池充电，

所述定日光伏发电装置位于由浮标体内部的中空结构构造出的凹腔与透明保护罩一起形成的接近球形空间内，这里，定日是跟踪太阳方位的含义。

3.如权利要求2所述的浮标，其特征在于，所述的定日光伏发电装置包括平衡环，以及安装在平衡环上的具有双轴结构的太阳能电池板，

还包括用于改变太阳能电池板的第一步进电机和第二步进电机，第一步进电机和第二步进电机通过各自的驱动机构与太阳能电池板的双轴结构啮合，

第一步进电机是用于改变太阳能电池板高度角的步进电机，用于调整太阳能电池板高度角，使其高度角时刻等于太阳高度角，

第二步进电机是用于改变太阳能电池板方位角的步进电机，用于调整太阳能电池板方位角，使其方位角时刻等于太阳方位角，

包括第一步进电机和第二步进电机以及对太阳能电池板的驱动机构的调整机构与太阳能电池板一起随动平衡环。

4.如权利要求2所述的浮标，其特征在于，电池采用锂电池。

5.如权利要求1所述的浮标，其特征在于，透明保护罩采用半球形，材料采用树脂材料。

6.如权利要求3所述的浮标，其特征在于，所述平衡环的结构是四级平衡环。

7.如权利要求3所述的浮标，其特征在于，定日光伏发电装置具有控制电路，该控制电路包括，GPS信号处理器、地磁方位传感器、光照传感器、角度反馈器和主控制器，GPS信号处理器和地磁方位传感器的信号接入主控制器，主控制器连接驱动模块，驱动模块用于驱动第一步进电机和第二步进电机。

8.如权利要求7所述的浮标，其特征在于，主控制器采用型号为STM32F101ZD的CPU。

9.一种用于浮标的定日光伏控制方法，所述浮标是如权利要求7所述的浮标，其特征在于，该控制方法包括下面步骤：

主控制器根据光照强度，判断太阳能电池板是否具有采光条件；

当太阳能电池板具有采光条件时，主控制器获取浮标内太阳能电池板当前姿态，包括高度角和方位角，

主控制器控制驱动模块给第二步进电机发射脉冲，电机转动调节太阳能电池板方位角，

其中0＜α-β＜180°时，太阳能电池板逆时针调整，否则顺时针调整，直到方位角偏离值小于允许值δ；

主控制控制驱动模块给第一步进电机发射脉冲，电机转动调节太阳能电池板高度角，

其中γ-ε＞0°时，太阳能电池板逆时针调整，否则顺时针调整，直到高度角偏离值小于允许值Δ，确保太阳能电池板能够被太阳光直射，

浮标自身方位角α根据地磁方位传感器测出，

太阳方位角β通过GPS提供的当地实时时间计算得出，

δ为方位角允许偏离值，

太阳高度角γ根据太阳运行规律公式及海洋浮标所在位置的经纬度、时区时间等信息计算得出，

太阳能电池板高度角ε通过GPS信号处理器实时感知，

允许值Δ是高度角偏离允许值。

10.如权利要求9所述的用于浮标的定日光伏控制方法，其特征在于，还包括在控制方法开始时，

浮标内的主控制器接收GPS信号，根据GPS信号包括的经纬度以及所处时区时间的数据，判断当前是否为6:00-18:00。