CN111752311A - 一种光伏板位置优化调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光伏板位置优化调节系统，包括：电压检测器、控制器、电机驱动器、步进电机、滚动轴承、支撑架、第一光伏板、第二光伏板。本发明构建了光伏压差模型、步进电机转向、最大功率输出的关系模型；控制器根据光伏压差、电压阈值得到电机转向控制信号，进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号，将上述两种信号传输至所述电机驱动器。所述电机驱动器分别对电机转向控制信号、电机脉冲控制信号进行电流放大得到电机转向与转角驱动信号，将电机转向、转角驱动信号传输至所述步进电机；所述步进电机根据电机驱动信号转动所述滚动轴承，从而根据所述支撑架带动所述移动式太阳能板转动。本发明能量利用率高、稳定性且可靠性好。

Description

一种光伏板位置优化调节系统

技术领域

本发明属新能源供电技术领域，尤其涉及一种光伏板位置优化调节系统。

背景技术

21世纪太阳能将成为全球主要能源之一，是最原始的能源，地球上几乎所有其他能源都直接或间接来自太阳能。太阳能具有资源充足、长寿，分布广泛、安全、清洁，技术可靠等优点。

光伏发电是太阳能板直接将光能转化为电能的发电方式，是当今太阳光发电的主流，根据调查单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15％左右，最高可达23％，在太阳能电池中光电转换效率最高，但其制造成本高。多晶硅太阳能电池的光电转换效率为14％到16％，其制作成本低于单晶硅太阳能电池，但多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电池要短。太阳能板一般以平铺式的方式放置在偏远地区，能量的密度低，当大规模使用的时候，占用的面积会比较大，而且会受到太阳辐射强度的影响。

由于一天内太阳的位置不同，而使得装置在一天内无法充分利用光照。为了实现太阳能板的效率最大化，本研究仿照向日葵的向阳原理，将两块太阳能板成角度拼接，和密封式可控滑动轴承一同连接在内置步进电机的风力发电装置的塔柱内，PLC姿态控制系统太阳能板旋转。相比之下，光伏板位置优化调节系统更加智能化，能够智能测算出最佳光照射角，提高光能转化的效率。

光伏板位置优化调节技术是一种基于大数据学习理论，将提供机理信息的数学模型和提供环境状态的传感信息结合，达成机器对自身运行行为的状态感知和趋势感知，这两种感知再通过网络智能技术与机器、机组智能运行策略相结合，完成机器的自我升级的人工智能机器进化技术。

发明内容

本发明旨在能够改善风光互补发电装置太阳能板的相对位置，在太阳能板所处位置安装密封式可控滑动轴承，会实时根据电压差反馈光照强度，使得电机旋转至最佳角，形成一个负反馈闭环系统，通过可编程逻辑控制器旋转控制步进电机旋转将太阳能板转至最佳接受太阳光照的位置，提高太阳能板的效率。

本发明装置的技术方案为一种光伏板位置优化调节装置，其特征在于，包括：

电压检测器、控制器、电机驱动器、步进电机、滚动轴承、支撑架、第一光伏板、第二光伏板；

所述第一光伏板与所述电压检测器连接；所述第二光伏板与所述电压检测器连接；所述的电压检测器、控制器、电机驱动器、步进电机依次电连接；所述步进电机与所述滚动轴承通过联轴器连接；

所述支撑架垂直于地面；所述滚动轴承固定于地面；所述支撑架的一端固定于所述滚动轴承上；所述的第一光伏板、第二光伏板通过相同长度的一边焊接于所述支撑架上；所述的第一光伏板、第二光伏板与垂直于地面的支撑架成α角；所述电压检测器焊接于所述第一光伏板的背面中心区域；所述控制器焊接于所述第一光伏板的背面；所述电机驱动器固定于所述支撑架上；

所述电压检测器用于采集所述第一光伏板输出的第一电压模拟信号；

所述电压检测器用于采集所述第二光伏板输出的第二电压模拟信号；

所述电压检测器将第一电压模拟信号、第二电压模拟信号传输至所述控制器。

所述控制器分别将第一电压模拟信号、第二电压模拟信号转换为第一电压数字信号、第二电压数字信号，根据第一电压数字信号、第二电压数字信号得到光伏压差，根据光伏压差、电压阈值得到电机转向控制信号，进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号，将电机转向控制信号、电机脉冲控制信号传输至所述电机驱动器。

所述电机驱动器分别对电机转向控制信号、电机脉冲控制信号进行电流放大得到电机转向驱动信号、电机转角驱动信号，将电机转向驱动信号、电机转角驱动信号传输至所述步进电机。

所述步进电机根据电机驱动信号转动所述滚动轴承，从而根据所述支撑架带动所述移动式太阳能板转动。

本发明方法的步骤为一种光伏板位置优化调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据第一光伏板输出电压模型、第二光伏板输出电压模型构建光伏压差模型，设定电压阈值进行输出功率最大的判断，构建光伏压差模型、步进电机转动方向、输出功率最大的关系模型；

步骤2：控制器通过第一电压数字信号、第二电压数字信号得到光伏压差，根据光伏压差、电压阈值得到电机转向控制信号，进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号，将电机转向控制信号、电机脉冲控制信号传输至所述电机驱动器。

步骤3：所述电机驱动器分别对电机转向控制信号、电机脉冲控制信号进行电流放大得到电机转向驱动信号、电机转角驱动信号，将电机转向驱动信号、电机转角驱动信号传输至所述步进电机；所述步进电机根据电机驱动信号转动所述滚动轴承，从而根据所述支撑架带动所述移动式太阳能板转动。

作为优选，步骤1所述第一光伏板输出电压模型为：

V_a＝k₁ln[E₀cos(β)]

步骤1所述第二光伏板输出电压模型为：

V_b＝k₁ln[E₀cos(γ)]

其中，太阳光线与第一光伏板、第二光伏板的公共边垂直，且第一光伏板、第二光伏板均与地面垂直，取例系数取k₁，β为第一光伏板的法线平面与太阳光线夹角，γ为第二光伏板的法线平面与太阳光线夹角，且β、γ均为锐角，E₀为实时光照强度，取值范围在 1～100000lx与当地太阳辐射强度有关；

步骤1所述光伏压差模型为：

步骤1所述设定电压阈值进行输出功率最大的判断为：

步骤1所述输出功率最大为第一光伏板、第二光伏板的输出功率最大；

若β、γ相同时，第一光伏板、第二光伏板的输出功率最大，此时ΔV＝0；

考虑到实际第一光伏板、第二光伏板运行时干扰，将电压阈值设定为α，即|ΔV|≤α，等效为第一光伏板、第二光伏板的输出功率最大；

步骤1所述构建光伏压差模型、步进电机转动方向、输出功率最大的关系模型为：

当β＜γ时，且ΔV＞α，步进电机向第二光伏板的方向旋转，直至ΔV＝α。

当β＞γ时，且ΔV＜-α，步进电机向第一光伏板的方向旋转，直至ΔV＝-α。

作为优选，步骤2所述第一电压数字信号表示所述第一光伏板输出的第一电压模拟信号的数字信号，具体为V_a；

步骤2所述第二电压数字信号表示所述第二光伏板输出的第二电压模拟信号的数字信号，具体为V_b；

步骤2所述光伏压差为：

ΔV＝V_a-V_b

步骤2所述电压阈值为α，且α＞0；

步骤2所述电机转向控制信号为：

结合步骤1中所述光伏压差模型、步进电机转动方向、输出功率最大的关系模型分析可得：

若ΔV＞α则电机转向控制信号为电机正向转动控制信号，用于控制步进电机正转，直至ΔV＝α；

若ΔV＜-α则电机转向控制信号为电机反向转动控制信号，用于控制步进电机反转，直至ΔV＝-α；

若-α≤ΔV≤α则控制器停止输出电机转向控制信号，步进电机保持不变。

步骤1所述进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号为：

若ΔV＞α，则ΔV与α通过PI调节产生电机脉冲控制信号，即占空比为 (ΔV-α)/(V_a+V_b)的高频脉冲信号；

若ΔV＜-α，则|ΔV|与α通过PI调节产生电机脉冲控制信号，即占空比为 (|ΔV|-α)/(V_a+V_b)的高频脉冲信号；

若-α≤ΔV≤α则控制器停止输出电机脉冲控制信号，步进电机保持不变。

与现有的技术相比，本发明光伏板位置优化调节系统的有益效果在于：

能量利用率高。太阳能作为地球所有能量的源头，所蕴含的能量十分巨大，传统的小型化太阳能发电装置大多采用固定位置，然而实际情况中，不同角度的太阳能能量密度大不相同，如果能调整光伏板朝向，能量收集能力会大大提高，因此，通过模拟向日葵面向太阳朝向的原理，设计了新型光伏板位置优化调节系统。

稳定性、可靠性好。新型光伏板位置优化调节系统使用了自然界常见的负反馈调节机制。对光伏板位置调节的方式和算法多种多样，但复杂的控制系统和过多的机械结构会导致装置不稳定，增加后期维护成本。我们采用两片光伏板电压对比与位移量相关联并形成反馈调节机制，使位置调节准确稳定可靠。

附图说明

图1：本发明系统框图；

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做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。

如图1所示，本发明装置结构图。一种光伏板位置优化调节装置，其特征在于，包括：

电压检测器、控制器、电机驱动器、步进电机、滚动轴承、支撑架、第一光伏板、第二光伏板；

所述第一光伏板与所述电压检测器连接；所述第二光伏板与所述电压检测器连接；所述的电压检测器、控制器、电机驱动器、步进电机依次电连接；所述步进电机与所述滚动轴承通过联轴器连接；

所述支撑架垂直于地面；所述滚动轴承固定于地面；所述支撑架的一端固定于所述滚动轴承上；所述的第一光伏板、第二光伏板通过相同长度的一边焊接于所述支撑架上；所述的第一光伏板、第二光伏板与垂直于地面的支撑架成α角；所述电压检测器焊接于所述第一光伏板的背面中心区域；所述控制器焊接于所述第一光伏板的背面；所述电机驱动器固定于所述支撑架上。

所述电压检测器用于采集所述第一光伏板输出的第一电压模拟信号；

所述电压检测器用于采集所述第二光伏板输出的第二电压模拟信号；

所述电压检测器将第一电压模拟信号、第二电压模拟信号传输至所述控制器。

所述控制器分别将第一电压模拟信号、第二电压模拟信号转换为第一电压数字信号、第二电压数字信号，根据第一电

压数字信号、第二电压数字信号得到光伏压差，根据光伏压差、电压阈值得到电机转向控制信号，进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号，将电机转向控制信号、电机脉冲控制信号传输至所述电机驱动器。

所述电机驱动器分别对电机转向控制信号、电机脉冲控制信号进行电流放大得到电机转向驱动信号、电机转角驱动信号，将电机转向驱动信号、电机转角驱动信号传输至所述步进电机。

所述步进电机根据电机驱动信号转动所述滚动轴承，从而根据所述支撑架带动所述移动式太阳能板转动。

电压检测器选型为KWS-MX18智能监测仪；所述控制器选型为THLPWH 全自动控制器；所述电机驱动器选型为L298N电机驱动模块；所述步进电机选型为86步进电机；所述滚动轴承选型为6380滚动轴承；所述支撑架选型为 JMA5898不锈钢三角支架；所述第一光伏板选型为365W单晶太阳能板；所述第二光伏板选型为365W单晶太阳能板；

下面结合图1描述本发明的具体实施方式为一种光伏板位置优化调节方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据第一光伏板输出电压模型、第二光伏板输出电压模型构建光伏压差模型，设定电压阈值进行输出功率最大的判断，构建光伏压差模型、步进电机转动方向、输出功率最大的关系模型；

步骤1所述第一光伏板输出电压模型为：

V_a＝k₁ln[E₀cos(β)]

步骤1所述第二光伏板输出电压模型为：

V_b＝k₁ln[E₀cos(γ)]

其中，太阳光线与第一光伏板、第二光伏板的公共边垂直，且第一光伏板、第二光伏板均与地面垂直，k₁＝0.05为比例系数，β＝30°为第一光伏板的法线平面与太阳光线夹角，γ＝60°为第二光伏板的法线平面与太阳光线夹角，且β、γ均为锐角，E₀＝1535W/m²为实时光照强度；

步骤1所述光伏压差模型为：

步骤1所述设定电压阈值进行输出功率最大的判断为：

步骤1所述输出功率最大为第一光伏板、第二光伏板的输出功率最大；

若β、γ相同时，第一光伏板、第二光伏板的输出功率最大，此时ΔV＝0；

考虑到实际第一光伏板、第二光伏板运行时干扰，将电压阈值设定为α＝0.1，即 |ΔV|≤α，等效为第一光伏板、第二光伏板的输出功率最大；

步骤1所述构建光伏压差模型、步进电机转动方向、输出功率最大的关系模型为：

当β＜γ时，且ΔV＞α，步进电机向第二光伏板的方向旋转，直至ΔV＝α。

当β＞γ时，且ΔV＜-α，步进电机向第一光伏板的方向旋转，直至ΔV＝-α。

步骤2：控制器通过第一电压数字信号、第二电压数字信号得到光伏压差，根据光伏压差、电压阈值得到电机转向控制信号，进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号，将电机转向控制信号、电机脉冲控制信号传输至所述电机驱动器。

步骤2所述第一电压数字信号表示所述第一光伏板输出的第一电压模拟信号的数字信号，具体为V_a；

步骤2所述第二电压数字信号表示所述第二光伏板输出的第二电压模拟信号的数字信号，具体为V_b；

步骤2所述光伏压差为：

ΔV＝V_a-V_b

步骤2所述电压阈值为α，且α＞0；

步骤2所述电机转向控制信号为：

结合步骤1中所述光伏压差模型、步进电机转动方向、输出功率最大的关系模型分析可得：

若ΔV＞α则电机转向控制信号为电机正向转动控制信号，用于控制步进电机正转，直至ΔV＝α；

若ΔV＜-α则电机转向控制信号为电机反向转动控制信号，用于控制步进电机反转，直至ΔV＝-α；

若-α≤ΔV≤α则控制器停止输出电机转向控制信号，步进电机保持不变。

步骤1所述进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号为：

若ΔV＞α，则ΔV与α通过PI调节产生电机脉冲控制信号，即占空比为 (ΔV-α)/(V_a+V_b)的高频脉冲信号；

若ΔV＜-α，则|ΔV|与α通过PI调节产生电机脉冲控制信号，即占空比为 (|ΔV|-α)/(V_a+V_b)的高频脉冲信号；

若-α≤ΔV≤α则控制器停止输出电机脉冲控制信号，步进电机保持不变。

步骤3：所述电机驱动器分别对电机转向控制信号、电机脉冲控制信号进行电流放大得到电机转向驱动信号、电机转角驱动信号，将电机转向驱动信号、电机转角驱动信号传输至所述步进电机；所述步进电机根据电机驱动信号转动所述滚动轴承，从而根据所述支撑架带动所述移动式太阳能板转动。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种光伏板位置优化调节装置，其特征在于，包括：

电压检测器、控制器、电机驱动器、步进电机、滚动轴承、支撑架、第一光伏板、第二光伏板；

所述第一光伏板与所述电压检测器连接；所述第二光伏板与所述电压检测器连接；所述的电压检测器、控制器、电机驱动器、步进电机依次电连接；所述步进电机与所述滚动轴承通过联轴器连接；

所述支撑架垂直于地面；所述滚动轴承固定于地面；所述支撑架的一端固定于所述滚动轴承上；所述的第一光伏板、第二光伏板通过相同长度的一边焊接于所述支撑架上；所述的第一光伏板、第二光伏板与垂直于地面的支撑架成α角；所述电压检测器焊接于所述第一光伏板的背面中心区域；所述控制器焊接于所述第一光伏板的背面；所述电机驱动器固定于所述支撑架上；

所述电压检测器用于采集所述第一光伏板输出的第一电压模拟信号；

所述电压检测器用于采集所述第二光伏板输出的第二电压模拟信号；

所述电压检测器将第一电压模拟信号、第二电压模拟信号传输至所述控制器；

所述控制器分别将第一电压模拟信号、第二电压模拟信号转换为第一电压数字信号、第二电压数字信号，根据第一电压数字信号、第二电压数字信号得到光伏压差，根据光伏压差、电压阈值得到电机转向控制信号，进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号，将电机转向控制信号、电机脉冲控制信号传输至所述电机驱动器；

所述电机驱动器分别对电机转向控制信号、电机脉冲控制信号进行电流放大得到电机转向驱动信号、电机转角驱动信号，将电机转向驱动信号、电机转角驱动信号传输至所述步进电机；

所述步进电机根据电机驱动信号转动所述滚动轴承，从而根据所述支撑架带动所述移动式太阳能板转动。

2.一种根据权利要求1所述的光伏板位置优化调节装置进行光伏板位置优化调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据第一光伏板输出电压模型、第二光伏板输出电压模型构建光伏压差模型，设定电压阈值进行输出功率最大的判断，构建光伏压差模型、步进电机转动方向、输出功率最大的关系模型；

步骤2：控制器通过第一电压数字信号、第二电压数字信号得到光伏压差，根据光伏压差、电压阈值得到电机转向控制信号，进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号，将电机转向控制信号、电机脉冲控制信号传输至所述电机驱动器；

步骤3：所述电机驱动器分别对电机转向控制信号、电机脉冲控制信号进行电流放大得到电机转向驱动信号、电机转角驱动信号，将电机转向驱动信号、电机转角驱动信号传输至所述步进电机；所述步进电机根据电机驱动信号转动所述滚动轴承，从而根据所述支撑架带动所述移动式太阳能板转动。

3.根据权利要求2所述的光伏板位置优化调节方法，其特征在于：

步骤1所述第一光伏板输出电压模型为：

V_a＝k₁ln[E₀cos(β)]

步骤1所述第二光伏板输出电压模型为：

V_b＝k₁ln[E₀cos(γ)]

其中，太阳光线与第一光伏板、第二光伏板的公共边垂直，且第一光伏板、第二光伏板均与地面垂直，取例系数取k₁，β为第一光伏板的法线平面与太阳光线夹角，γ为第二光伏板的法线平面与太阳光线夹角，且β、γ均为锐角，E₀为实时光照强度，取值范围在1～100000lx与当地太阳辐射强度有关；

步骤1所述光伏压差模型为：

步骤1所述设定电压阈值进行输出功率最大的判断为：

步骤1所述输出功率最大为第一光伏板、第二光伏板的输出功率最大；

若β、γ相同时，第一光伏板、第二光伏板的输出功率最大，此时ΔV＝0；

考虑到实际第一光伏板、第二光伏板运行时干扰，将电压阈值设定为α，即|ΔV|≤α，等效为第一光伏板、第二光伏板的输出功率最大；

步骤1所述构建光伏压差模型、步进电机转动方向、输出功率最大的关系模型为：

当β＜γ时，且ΔV＞α，步进电机向第二光伏板的方向旋转，直至ΔV＝α；

当β＞γ时，且ΔV＜-α，步进电机向第一光伏板的方向旋转，直至ΔV＝-α；

作为优选，步骤2所述第一电压数字信号表示所述第一光伏板输出的第一电压模拟信号的数字信号，具体为V_a。

4.根据权利要求2所述的光伏板位置优化调节方法，其特征在于：

步骤2所述第一电压数字信号表示所述第一光伏板输出的第一电压模拟信号的数字信号，具体为V_a；

步骤2所述第二电压数字信号表示所述第二光伏板输出的第二电压模拟信号的数字信号，具体为V_b；

步骤2所述光伏压差为：

ΔV＝V_a-V_b

步骤2所述电压阈值为α，且α＞0；

步骤2所述电机转向控制信号为：

结合步骤1中所述光伏压差模型、步进电机转动方向、输出功率最大的关系模型分析可得：

若ΔV＞α则电机转向控制信号为电机正向转动控制信号，用于控制步进电机正转，直至ΔV＝α；

若ΔV＜-α则电机转向控制信号为电机反向转动控制信号，用于控制步进电机反转，直至ΔV＝-α；

若-α≤ΔV≤α则控制器停止输出电机转向控制信号，步进电机保持不变；

步骤1所述进一步结合PI调节产生电机脉冲控制信号为：

若ΔV＞α，则ΔV与α通过PI调节产生电机脉冲控制信号，即占空比为(ΔV-α)/(V_a+V_b)的高频脉冲信号；

若ΔV＜-α，则|ΔV|与α通过PI调节产生电机脉冲控制信号，即占空比为(|ΔV|-α)/(V_a+V_b)的高频脉冲信号；

若-α≤ΔV≤α则控制器停止输出电机脉冲控制信号，步进电机保持不变。

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