CN110568868A - 智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置及双轴跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置，包括太阳能电池板、双轴跟踪支架、光敏器件、传感器组、实时时钟、控制器、传动电机、电池管理装置；控制器包括跟踪模式选择模块、闭环跟踪模块和开环跟踪模块，可根据不同的环境光照情况选择不同的跟踪方式。本申请还公开了一种根据环境光照选择开环或闭环跟踪的光伏充电方法。本申请在跟踪模式上采用了开环与闭环跟踪模式相结合的模式，结合两者的优势，防止误动，保证跟踪的精度；且为提高实际工作时的安全稳定，装置设有基于姿态传感器及PID控制的稳定系统，实时纠正跟踪系统因风速、工作振动等因素所造成的运行偏差。

Description

智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置及双轴跟踪方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电，具体涉及一种智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置及双轴跟踪方法。

背景技术

光伏发电以太阳能光伏电池为主要发电部件，太阳能光伏电池的工作原理基于光生伏特效应，光生伏特效应简单来说即物质在受到光照时其内部的电荷分布产生变化并因此产生电动势的效应。与其他能源形式相比，太阳能具有总能量大、分布广泛，清洁无污染，经济性高的优点。

移动电源、分布式电源以及应急电源的出现与发展大大方便了人们的生活，随着各种移动电子设备的更新和发展，对移动或应急充电设备的需求也不断增加。现有的移动充电器仍多以化学电池为主要电力来源，其续航能力受到自身充电电量的限制，而且使用时的危险系数较高。使用太阳能光伏电池板作为电源可在一定程度上摆脱电量的限制，多数时候做到随时随地充电、供电；而单独的太阳能光伏电池板则由于尺寸外观相对较大、太阳能能量密度较小等原因，使其应用受到了种种限制。另外，市面上现有的太阳能移动充电电源在易用程度上也具有一定的欠缺，如无法实时了解目前充电速度、充电所需时间等等。

在现有技术中，如CN204316107U、CN206517102U、CN203104059U等，考虑到了利用太阳能光伏电池取代传统的电池充电方式供电，部分考虑到了折叠等在移动电源便携性上增强的技术手段，但以上技术并没有继续加强太阳能光伏电池的供电效率，因此实际使用时仍会受到一定的限制。

太阳光跟踪技术目前已被应用较于大规模的太阳能光热及光伏电站之上，增加太阳跟踪设备的太阳能发电装置最高可以提升发电效率。主要采用的跟踪方式为闭环跟踪系统或开环跟踪系统。闭环跟踪系统即利用光电传感器或压差计等各种设备实时追踪太阳位置并控制电池板跟踪，这类跟踪设备灵敏度高，设计比较简单，但受天气及其他因素影响较大，可能发生误动；开环跟踪系统即根据预先计算好的太阳运动数据控制跟踪，可进一步区分为单轴追踪与双轴追踪形式，开环跟踪系统的设计制造比较简单，但跟踪效率及精度相比闭环跟踪系统有一定的差距。对于开环控制模式而言，由于不具备反馈调节功能，因此运行误差会逐步累积，造成精度下降。而在太阳能光伏跟踪系统中，风、振动等因素都会造成误差。

发明内容

发明目的：本发明目的在于提供一种智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置和双轴跟踪方法，解决现有技术中太阳能光伏发电姿态跟踪不精确导致的发电效率低，易用性差的问题。

技术方案：一方面，本发明提供了一种智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置，充电装置包括太阳能电池板、双轴跟踪支架、光敏器件、传感器组、实时时钟、控制器、传动电机、电池管理装置。太阳能电池板安装在双轴跟踪支架上，双轴跟踪支架可带动太阳能电池板移动；光敏器件包括多个光敏二极管和多个光敏电阻，太阳能电池板的上下左右四角分别安装至少一个光敏二极管，光敏电阻分别安装在太阳能电池板侧边两端；光敏二极管和光敏电阻分别与控制器电连接；传感器组包括姿态传感器、温湿度传感器、电压传感器和电流传感器；姿态传感器安装在太阳能电池板底部，用于读取太阳能电池板的姿态数据，并将其传输至控制器；温湿度传感器安装于双轴跟踪支架上，用于采集当前环境的温度和湿度，并将其传输至控制器；电压传感器和电流传感器与电池管理装置电连接，用于采集太阳能电池板产生的电能；实时时钟安装于双轴跟踪支架上，实时时钟与控制器电连接，用于将当前时钟实时反馈至控制器；控制器与传动电机电连接，用于分析接收到的数据，并根据数据分析结果向传动电机发送控制指令；传动电机与双轴跟踪支架连接，用于响应控制指令通过控制双轴跟踪支架的转动，进而控制太阳能电池板在太阳方位角和高度角上的移动；电池管理装置包括与太阳能电池板连接的蓄电池，用于存储太阳能电池板转换的电能。

进一步地，控制器包括跟踪模式选择模块、闭环跟踪模块和开环跟踪模块；

跟踪模式选择模块包括光照波动判断模块和计时模块；光照波动判定模块用于判定当前环境光照波动是否过大：若不同位置的光敏电阻在同一时间的阻值差超出预定值时，则判定为光照波动过大，否则判定为光照正常；计时模块用于根据当前光照波动状态的持续时间来选择跟踪模式；

闭环跟踪模块用于读取光敏二极管的数据监控太阳能电池板各个方向的光强状态，并根据光强状态向传动电机发送控制指令，控制太阳能电池板移动；

开环跟踪模块用于读取实时时钟数据，并根据实时时钟数据计算当前太阳方位，进而向传动电机发送指令，控制太阳能电池板的移动方向。

进一步地，开环跟踪模块包括PID控制单元，用于通过PID算法分析姿态传感器采集的太阳能电池板的姿态数据以纠正太阳能电池板的姿态误差。

进一步地，电池管理装置还包括稳压装置，稳压装置分别与太阳能电池板和蓄电池电连接，用于稳定太阳能电池板的输出电压。

进一步地，充电装置还包括定位装置，定位装置安装于太阳能电池板背面，用于采集太阳能电池板的位置信息，并将其传输至控制器。

进一步地，充电装置还包括无线传输模块和终端设备；

无线传输模块与控制器电连接，用于将太阳能电池板的工作状态传输至终端设备；

终端设备用于监控太阳能电池板的工作状态，设置双轴跟踪支架各方向的运动上下限，并根据定位装置的定位数据对位置信息进行校准。

另一方面，本发明还提供一种用于上述智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置的双轴跟踪方法，该方法包括：

(1)判断太阳能电池板的当前光照状态：将不同位置的光敏电阻在同一时间的阻值差与预定值进行比较：若阻值差超出预定值，则判定为当前光照波动过大，否则判定当前光照正常；

(2)根据当前光照状态的持续时间选择跟踪模式：控制器将当前光照状态的持续时间与设定持续时间进行比较，若光照正常且超过设定时间，则选择开环跟踪模式；否则选择闭环跟踪模式；

(3)处于开环跟踪模式时，读取实时时钟数据，并根据实时时钟数据计算当前方位，进而向传动电机发送指令，控制太阳能电池板的方向；

处于闭环跟踪模式时，读取光敏二极管的数据监控太阳能电池板各个方向的光强状态，并根据光强状态向传动电机发送控制指令，控制太阳能电池板移动。

进一步地，处于开环跟踪模式时，可通过PID算法分析姿态传感器采集的太阳能电池板的姿态数据以纠正太阳能电池板的姿态误差。

有益效果：与现有技术相比，本申请在跟踪模式上采用了开环与闭环跟踪模式相结合的模式。在天气正常、太阳光线充足时，采用闭环跟踪模式，从而保证跟踪的精度；当太阳光线不足时，则通过控制的判断转化为固定路径的开环跟踪模式，防止误动，从而结合两者的优势。且为提高作品实际工作时的安全稳定，装置设有基于姿态传感器及PID控制的稳定系统，实时纠正跟踪系统因风速、工作振动等因素所造成的运行偏差。另一方面，本申请通过终端设备，可方便地利用蓝牙连接对系统进行监控、遥控及校准，实现了与光伏装置间物联网的建立。

附图说明

图1为本发明的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置系统结构示意图；

图2为本发明的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置的主视图；

图3为本发明的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置的侧视图；

图4为本发明的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置的太阳能电池板示意图；

图5为控制器的模块结构示意图；

图6为本发明实施例智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置的硬件实现接线图；

图7为本发明的双轴跟踪方法流程图；

图8为本发明的本发明的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置的移动终端应用程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

本发明提供了一种智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置，如图1、2、3、4所示，包括太阳能电池板1、双轴跟踪支架2、光敏器件、传感器组、实时时钟5、控制器6、传动电机7、电池管理装置、定位装置11。

太阳能电池板1安装在双轴跟踪支架2上，双轴跟踪支架2可带动太阳能电池板1移动。光敏器件包括多个光敏二极管3和多个光敏电阻4，在本实施例中，如图4所示，太阳能电池板的上下左右四角分别安装至少一个光敏二极管3，两个光敏电阻4分别安装在太阳能电池板侧边两端；光敏二极管3和光敏电阻4分别与控制器6电连接；传感器组包括姿态传感器12、温湿度传感器13、电流传感器14和电压传感器15；姿态传感器12安装在太阳能电池板1底部，用于读取太阳能电池板的姿态数据，并将其传输至控制器6；温湿度传感器13安装于温湿度传感器安装于双轴跟踪支架上，用于采集当前环境的温度和湿度，并将其传输至控制器6；电压传感器15和电流传感器14与电池管理装置电连接，用于采集太阳能电池板产生的电能；实时时钟5安装于双轴跟踪支架上，实时时钟5与控制器电6连接，用于将当前时钟实时反馈至控制器；控制器6与传动电机7电连接，用于分析接收到的数据，并根据数据分析结果向传动电机7发送控制指令；传动电机7与双轴跟踪支架2连接，传动电机有两台，用于响应控制指令通过控制双轴跟踪支架2的转动，进而分别控制太阳能电池板1在太阳方位角和高度角上的移动；电池管理装置包括与太阳能电池板连接的蓄电池8和稳压装置9，蓄电池8用于存储太阳能电池板转化的电能；稳压装置9分别与太阳能电池板1和蓄电池8电连接，用于稳定太阳能电池板1的输出电压；定位装置11安装于太阳能电池板背面，用于采集太阳能电池板的位置信息，并将其传输至控制器。

如图4所示，在本申请的实施例中，控制器6包括跟踪模式选择模块、闭环跟踪模块和开环跟踪模块；

跟踪模式选择模块包括光照波动判断模块和计时模块；光照波动判定模块用于判定当前环境光照波动是否过大：若不同位置的光敏电阻在同一时间的阻值差超出预定值时，则判定为光照波动过大，否则判定为光照正常；计时模块用于根据当前光照波动状态的持续时间来选择跟踪模式；即，若光照正常且超过设定时间，则选择开环跟踪模式；否则选择闭环跟踪模式。

闭环跟踪模块用于读取光敏二极管的数据监控太阳能电池板各个方向的光强状态，并根据光强状态向传动电机发送控制指令，控制太阳能电池板移动；开环跟踪模块用于读取实时时钟数据，并根据实时时钟数据计算当前太阳方位，进而向传动电机发送指令，控制太阳能电池板的移动方向。

在本实施例中，开环跟踪模块包括PID控制单元，用于通过PID算法分析姿态传感器采集的太阳能电池板的姿态数据以纠正太阳能电池板的姿态误差。

在本申请的实施例中，充电装置还可包括无线传输模块9和终端设备；无线传输模块10与控制器6电连接，用于将太阳能电池板的工作状态传输至终端设备；终端设备用于监控太阳能电池板的工作状态，设置双轴跟踪支架各方向的运动上下限，并根据定位装置的定位数据对位置信息进行校准。

另一方面，本发明还提供一种用于上述智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置的双轴跟踪方法，该方法包括：

(1)判断太阳能电池板的当前光照状态：将不同位置的光敏电阻在同一时间的阻值差与预定值进行比较：若阻值差超出预定值，则判定为当前光照波动过大，否则判定当前光照正常；

(2)根据当前光照状态的持续时间选择跟踪模式：控制器将当前光照状态的持续时间与设定持续时间进行比较，若光照正常且超过设定时间，则选择开环跟踪模式；否则选择闭环跟踪模式；

(3)处于开环跟踪模式时，读取实时时钟数据，并根据实时时钟数据计算当前方位，进而向传动电机发送指令，控制太阳能电池板的方向；

处于闭环跟踪模式时，读取光敏二极管的数据监控太阳能电池板各个方向的光强状态，并根据光强状态向传动电机发送控制指令，控制太阳能电池板移动。

处于开环跟踪模式时，可通过PID算法分析姿态传感器采集的太阳能电池板的姿态数据以纠正太阳能电池板的姿态误差。

以一种尺寸为280毫米×150毫米的多晶硅太阳能光伏电池板为例，其转换效率约为18％，工作电压为6伏，最大功率为6.7瓦特，并且附带5V稳压装置，质量为230克；双轴跟踪支架长度为25厘米，底座直径为40厘米；充电锂电池组采用由3节18650锂电池组成，传动电机选用MG996R型舵机，扭矩为9.4千克厘米，质量55克，反应速度0.14 60度每秒。实时时钟采用DS1302芯片，温湿传感器为DHT11，姿态传感器型号为MPU6050。

便携式移动智能太阳能光伏充电装置的控制器可采用的控制板型号有很多，这里为简便起见，使用Arduino Nano v3型控制器作为控制器，其具有使用方便且体积小，功能较全等优点。无线传输模块选用采用BT-04型蓝牙BLE模块，具有传输速率高，且工作功耗小等特点。

整体接线示意图如图6所示，2台舵机分别接在Arduino Nano v3型控制器的9、10号数字口上，4块光敏二极管模块接在A0～A3模拟口上，2块光敏电阻模块接于4、8号数字口上，DS1302模块的RST、CE、DAT分别接在数字口5～7上，MPU6050传感器SCL、SDA口分别接于A4、A5口上，HC-05无线通讯模块接在控制板串行接口上，DHT11温湿度传感器与2号数字口连接。此外与13号数字口连接的LED指示灯可用于反映当前跟踪模式。

工作过程如图7所示，读取图4中两个光敏电阻数据并进行比较，若两个光敏电阻之间的读数差异过大，且差异过大的持续时间超过预定时间(例如预定时间为三分钟)，则认为环境光照持续波动较大，将跟踪模式选择为开环跟踪模式；否则将闭环跟踪作为当前的跟踪模式。

在闭环跟踪模式时，控制器读取光敏二极管数据，若布置在太阳能电池板板四个角上的光明二极管读数一致则认为各方向光强一致，此时保持继续保持太阳能电池板的姿态，输出工作数据即可。若光敏二极管读数不一致，即各方向光强不一致，则判断当前姿态是否超过了电机的的转动极限，如果超过电机的转动极限则保持状态，输出工作数据；若未超过电机的转动极限，则判定布置在四个角上的传感器读数差是否超过预定差值，若超过预定差值则判断得出太阳的实施位置信息，并控制垂直、水平两个方向上的传动电机做出相应反应，保证太阳能电池板快速向读数较大即光强方向运动；若四个角上的光敏二极管读数差别不大，就向光强方向慢速精确运动，输出工作数据。

在开环跟踪模式时，由控制器读取时钟数据，传输给控制器，由控制器计算太阳方位，计算之后由控制器去控制舵机方向，姿态传感器根据太阳能板的姿态，通过控制器PID算法结合姿态传感器数据控制舵机以保证太阳能板的姿态稳定。

当由于天空中云量过大，或清晨、傍晚光度过小而导致光敏器件发出的信号失效时，为了防止装置误动，控制板会将控制模式由受光敏信号指引的闭环跟踪模式转为直接受控制板控制的开环控制模式，即控制板依据存储的固定太阳位置发出指令，使得太阳能光伏电池板对准太阳。从而保证跟踪的相对精度又防止装置因误动而无法正常工作。开环跟踪模式控制板计算太阳位置可依照下列公式，式中所需的时间日期数据可由DS1302实时时钟提供：

α_s＝arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω) (2)

ω＝(t-12)·15° (4)

式中：α_s、γ_s——太阳高度角、方位角，分别以地平线及正南方为0度；

δ——太阳赤纬角，即地球赤道平面与太阳与地球中心之间连线的夹角；

n——当日日期在该年内从一月一日起的序号；

φ——当地纬度；

ω——太阳时角，定义当时间为上午(即太阳位置在东南方向时)符号为正，太阳时角可按式(4)计算；

t——当地时间。

当本发明专利中所述的智能太阳能光伏充电装置正常工作时,太阳能光伏电池板将收集的太阳光能转化为电能，在经过稳压装置将电压稳定后为锂电池组充电，当有用电器通过充电接口接入时，经过太阳能光伏电池板充电过的锂电池可为用电器充电，跟踪系统也可由锂电池供电。

此外，当装置正常工作时，控制板可通过程序设置利用蓝牙模块接收控制信号或将充电状态等数据传送给连接的电子设备，使用户可以利用手机应用直观的了解装置的工作状态并方便简化对设备的控制方式。

终端设备(如手机)应用的功能可包括以下几个部分：1)连接，用于建立或断开与光伏充电装置间的无线传输；2)状态监控，可对充电装置的工作角度、环境温湿度及跟踪模式进行无线监控，具有图形化界面，更为直观；3)数据记录，可将每秒接收的工作数据记录并输出文件，方便进行设备性能或故障分析；4)遥控控制，对于某些特殊的工作场景，或进行设备测试时使用，可控制设备的垂直、水平角度以及各个方向上的运动距离或角度的上下限。也可使用终端应用对设备上的实时时钟DS1302进行校准，防止因时钟不准造成闭环跟踪模式的工作误差。

本实施例中移动终端应用程序流程图如图8所示，首先终端设备需与充电装置建立连接；连接成功后，读取充电装置的位置信息，根据位置确定天气情况，据此制定运行策略。终端设备是否联网的区别仅在于能否获取天气信息，若终端设备未联网，可由蓝牙传输模块所发送的发电装置姿态发电量等信息，记录数据后，由终端设备决定是否允许控制，终端设备发出要求手动控制的信号后，即允许控制之后向控制器发送控制模式标识。进行控制或校准后发送数据由蓝牙模块接收，控制器执行。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置，其特征在于，所述充电装置包括太阳能电池板、双轴跟踪支架、光敏器件、传感器组、实时时钟、控制器、传动电机、电池管理装置；

所述太阳能电池板安装在所述双轴跟踪支架上，所述双轴跟踪支架可带动太阳能电池板移动；

所述光敏器件包括多个光敏二极管和多个光敏电阻，太阳能电池板的上下左右四角分别安装至少一个光敏二极管，所述光敏电阻分别安装在太阳能电池板侧边两端；所述光敏二极管和所述光敏电阻分别与控制器电连接；

所述传感器组包括姿态传感器、温湿度传感器、电压传感器和电流传感器；所述姿态传感器安装在太阳能电池板底部，用于读取太阳能电池板的姿态数据，并将其传输至控制器；所述温湿度传感器安装于所述双轴跟踪支架上，用于采集当前环境的温度和湿度，并将其传输至控制器；所述电压传感器和所述电流传感器与电池管理装置电连接，用于采集所述太阳能电池板产生的电能；

所述实时时钟安装于所述双轴跟踪支架上，实时时钟与控制器电连接，用于将当前时钟实时反馈至控制器；

所述控制器与所述传动电机电连接，用于分析接收到的数据，并根据数据分析结果向所述传动电机发送控制指令；

所述传动电机与所述双轴跟踪支架连接，用于响应控制指令通过控制双轴跟踪支架的转动，进而控制太阳能电池板在太阳方位角和高度角上的移动；

所述电池管理装置包括与太阳能电池板连接的蓄电池，用于存储太阳能电池板转换的电能。

2.根据权利要求1所述的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置，其特征在于，所述控制器包括跟踪模式选择模块、闭环跟踪模块和开环跟踪模块；

所述跟踪模式选择模块包括光照波动判断模块和计时模块；所述光照波动判定模块用于判定当前环境光照波动是否过大：若不同位置的光敏电阻在同一时间的阻值差超出预定值时，则判定为光照波动过大，否则判定为光照正常；所述计时模块用于根据当前光照波动状态的持续时间来选择跟踪模式；

所述闭环跟踪模块用于读取所述光敏二极管的数据监控太阳能电池板各个方向的光强状态，并根据光强状态向传动电机发送控制指令，控制太阳能电池板移动；

所述开环跟踪模块用于读取所述实时时钟数据，并根据所述实时时钟数据计算当前太阳方位，进而向传动电机发送指令，控制太阳能电池板的移动方向。

3.根据权利要求2所述的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置，其特征在于，所述开环跟踪模块包括PID控制单元，用于通过PID算法分析姿态传感器采集的太阳能电池板的姿态数据以纠正太阳能电池板的姿态误差。

4.根据权利要求1所述的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置，其特征在于，所述电池管理装置还包括稳压装置，所述稳压装置分别与太阳能电池板和蓄电池电连接，用于稳定太阳能电池板的输出电压。

5.根据权利要求1所述的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置，其特征在于，所述充电装置还包括定位装置，所述定位装置安装于太阳能电池板背面，用于采集太阳能电池板的位置信息，并将其传输至控制器。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置，其特征在于，所述充电装置还包括无线传输模块和终端设备；

所述无线传输模块与控制器电连接，用于将太阳能电池板的工作状态传输至终端设备；

所述终端设备用于监控太阳能电池板的工作状态，设置双轴跟踪支架各方向的运动上下限，并根据定位装置的定位数据对位置信息进行校准。

7.一种用于权利要求1所述的智能双轴跟踪太阳能光伏充电装置的双轴跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)判断太阳能电池板的当前光照状态：将不同位置的光敏电阻在同一时间的阻值差与预定值进行比较：若阻值差超出预定值，则判定为当前光照波动过大，否则判定当前光照正常；

(2)根据当前光照状态的持续时间选择跟踪模式：控制器将当前光照状态的持续时间与设定持续时间进行比较，若光照正常且超过设定时间，则选择开环跟踪模式；否则选择闭环跟踪模式；

(3)处于开环跟踪模式时，读取所述实时时钟数据，并根据实时时钟数据计算当前方位，进而向传动电机发送指令，控制太阳能电池板的方向；

处于闭环跟踪模式时，读取所述光敏二极管的数据监控太阳能电池板各个方向的光强状态，并根据光强状态向传动电机发送控制指令，控制太阳能电池板移动。

8.根据权利要求7所述的双轴跟踪方法，其特征在于，处于开环跟踪模式时，可通过PID算法分析姿态传感器采集的太阳能电池板的姿态数据以纠正太阳能电池板的姿态误差。