CN204496279U - 用于太阳能电池板的太阳自动跟踪监控系统 - Google Patents

Abstract

用于太阳能电池板的太阳自动跟踪监控系统，包括光电传感器、人机交互界面的上位机，单片机的输入口与信号调理单元相连构成下位机，太阳能光伏板与锂电池连接，单片机的PWM端分别与舵机的一个高度角控制步进电机和一个方位角控制步进电机驱动器相连，两电机上分别安装有一编码器并与单片机的A/D采集口相连，上位机通过RS232串口与下位机相连，太阳能光伏板固定安装在由两个电机控制的舵机云台上。本实用新型由于使用了光敏阵列，自带A/D和PWM的单片机，二自由度舵机，LabVIEW技术，整个系统成本低、稳定可靠，且检修、升级方便；太阳能利用率大大提高。

Description

用于太阳能电池板的太阳自动跟踪监控系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池板控制技术，特别涉及一种基于LabVIEW和MSP430 G2253 MCU的太阳自动跟踪监控系统。

背景技术

当今社会，石油、煤炭等传统能源日益紧缺，由传统能源引起的环境污染又日益加剧，太阳能作为一种理想的可再生能源就有了用武之地。有鉴于此，高效、全方位开发利用太阳能己作为一项国家可持续发展的重要战略。在可持续发展能源中，光伏发电备受瞩目发展迅猛。但由于太阳能存在着光能密度低，间隙性、空间分布不断变化等缺点，导致其利用率一直偏低，目前约为10%～20%，大多数太阳能电池板都采用固定角度的安装方法，即《国家太阳光伏电源系统安装工程设计规范》中根据不同的地区提出了最佳倾角式安装规范。虽然这种方式安装的太阳能电池板整齐划一，方便管理，且不会增加额外的系统成本等诸多优点，但太阳光线的入射方向始终与太阳能电池板阵列存在一定程度上的角度偏差，垂直入射的时间过短，进而导致光伏发电系统的效率不高，即存在着严重的余弦效应，理论研究表明始终正对太阳的太阳能电池板发电效率相较于固定倾角的可提高近35%。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是实时控制太阳能电池板的转向，提供一种太阳自动跟踪监控系统，使太阳能电池板始终与太阳光线方向垂直，以提高太阳能利用效率。

实现上述目的的技术方案如下：用于太阳能电池板的太阳自动跟踪监控系统，包括光电传感器、人机交互界面的上位机，单片机的输入口与信号调理单元相连构成下位机，太阳能光伏板与锂电池连接；单片机的PWM端分别与高度角控制步进电机、方位角控制步进电机的驱动器相连，两电机上分别安装有一编码器并与单片机的A/D采集口相连，两个编码器分别记忆的位置信息通过MCU与PC机的串口通信传送给上位机监跟踪测位置，上位机通过串口通信向下位机发送自动跟踪指令，太阳能光伏板固定安装在由两个电机控制的舵机云台上。

单片机芯片选用自带A/D转换和PWM输出的MSP430 G2253型号的芯片；选用LTC1385进行串口通信电平转换；光电传感器选用GL5616型号的光敏电阻；舵机云台选用RB-421的二自由度舵机，包含两个步进电机，分别实现高度角控制和方位角控制。

上位机通过串口向下位机发送传送跟踪指令，下位机MCU经过A/D转换并作处理，并自动检测光线强弱，产生两路PWM信号驱动舵机中的方向角电机和高度角电机旋转，实现太阳自动跟踪；下位机MCU采集编码器中记忆的位置信息，通过串口通信传送给上位机，以便于监测跟踪装置的位置信息。

本实用新型由于采用了上述技术方案，由于使用了光敏阵列，自带A/D和PWM的单片机，二自由度舵机，LabVIEW技术，整个系统实现成本低、稳定可靠且检修、升级方便；若应用本自动跟踪监控系统在光伏系统中，使得整个系统的太阳能利用率较大提高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1所示是太阳自动跟踪监控系统结构示意图，包括MSP430 G2253 MCU、光敏阵列、信号调理单元、二自由度舵机（一高度角控制步进电机与编码器和一个方位角控制步进电机与编码器）、云台、太阳能电池板及锂电池等。分为上位机、下位机、执行机构三个部分，其中上位机包括LabVIEW前面板的人机交互界面，主要功能即对通讯口的选择和波特率等通讯参数的设置，实时显示跟踪装置的各个时刻的高度角和方位角信息，并通过串口向下位机发送自动跟踪指令；下位机系统包括单片机与之输入口相连的信号调理单元，单片机的PWM端与高度角控制步进电机、方位角控制步进电机的驱动器相连，同时MCU将对跟踪装置的两个电机编码器分别记忆的位置信息进行采集，并通过串口传送给上位机，通过和入射角的比较驱动电机进行下一次的跟踪；执行机构包括驱动跟踪装置做俯仰运动和水平运动的舵机（由高度角步进电机和方位角步进电机组成），太阳能电池板固定在由舵机云台上。单片机芯片采用自带A/D转换和PWM输出的MSP430 G2253型号的芯片，这样可以减少大量的外围器件，系统更加简单可靠，在安装系统前先根据舵机工作参数，计算旋转角度和占空比的关系，并通过软件把单片机的PWM输出的占空比设定在两个值之间，一个占空比为0的值、一个占空比最大的值。所述光敏电阻采用型号GL5616光敏电阻。所述的二自由度舵机采用RB-421，其可以在水平和垂直方向做二自由度运动，实质就是下面的步进电机对跟踪装置的方位角进行控制，上面的步进电机对跟踪装置的俯仰角进行控制。所述的光电传感器选用GL5616光敏电阻，当光照的时候，其电阻减少，导致流过的电流就会增大，检测照射光敏阵列上的光线强弱。所述的信号调理单元就是对信号比较与放大，选用LM339实现，可以精确地对比检测出光电传感器的工作电流强弱，并把它输入单片机。单片机先对输入的信息进行A/D转换，然后通过运行单片机内的程序对信息进行处理，单片机的决策通过其PWM端与舵机的驱动器相连接得以执行，所述的串口通信是通过LTC1385实现上下位机电平转换的，以便上位机向下位机传送跟踪指令，下位机把编码器中记忆的位置信息采集，并送入上位机进行实时检测。

本实用新型太阳自动跟踪监控系统的处理过程如下：首先是通过光敏电阻组成的光敏阵列检测四个方位的太阳光强弱，太阳光强的一方，其阻值小，输出的电流就越大，反之亦然。经过信号调理后的四个方位的比较信号送入单片机，单片机根据检测到的前后、东西两个方向结果分别判断光线最强方位，同时把采集到的信息通过串口通信传送给上位机，上位机进行处理后向下位机发出控制信号，即对俯仰角控制、方向角控制步进电机的驱动信号PWM波的占空比D进行增加或减少调整，若东西向的一方光线强，则改变舵机下面的步进电机的PWM波的占空比D进行水平面调整，水平跟踪角度范围为0°～180°，若垂直向的一方光线强，则改变舵机上面的电机的PWM的占空比D进行垂直方向调整，垂直跟踪角度范围为0°～90°。单片机对编码器记忆的位置信息进行采集，并通过串口通讯传送到上位机的LabVIEW程序进行实时显示，并把采集得到的信号进行计算得出太阳入射光线的偏差角ε,当ε大于设定的变差[ε]时，给下位机发出跟踪定位信号，如果ε小于设定的偏差[ε]，则重新采集光电信号，再次计算入射光线偏差ε，直至大于设定的偏差[ε]，向下位机发出跟踪重新定位信号，直至ε小于设定的偏差[ε]。

通过本设计方案可以看出，由于使用了光敏阵列，自带A/D和PWM的单片机，二自由度舵机，LabVIEW技术，整个系统成本低、稳定可靠且检修、升级方便；若应用本自动跟踪监控系统在光伏系统中，可较大提高整个系统的太阳能利用率。

本系统能够达到对太阳的自动跟踪监控的目的。但本实用新型的实施方式并不受上述实施方案的限制，其他任何在本设计原理之内所做的修改、替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.用于太阳能电池板的太阳自动跟踪监控系统，包括光电传感器、基于LabVIEW前面板的人机交互界面的上位机，单片机的输入口与信号调理单元相连构成下位机，太阳能光伏板与锂电池连接，其特征在于：单片机的PWM端分别与舵机的一个高度角控制步进电机和一个方位角控制步进电机驱动器相连，两电机上分别安装有一编码器并与单片机的A/D采集口相连，单片机将两个编码器获得的水平、垂直方向位置信息通过MCU与PC机的串口传送给上位机，上位机进行算法处理及实时显示位置信息，上位机通过RS232串口与下位机相连向下位机发出命令信号，太阳能光伏板固定安装在由两个电机控制的舵机云台上。

2.根据权利要求1所述的太阳自动跟踪监控系统，其特征是，单片机芯片选用自带A/D转换和PWM输出的MSP430 G2253型号的芯片；选用LTC1385进行串口通信电平转换；光电传感器选用型号GL5616光敏电阻；舵机选用RB-421的二自由度舵机。