一种光伏跟踪自动控制系统的制作方法
【专利摘要】一种光伏跟踪自动控制系统，其GPS模块（2）与CPU模块（6）通过通讯方式连接，GPS模块（2）将所在地的经纬度和时间信息传递给CPU模块（6）；安装在跟踪支架（5）顶面边缘位置的传感器模块（1）将采集到的太阳光强信号经信号滤波模块（3）滤波处理后传给CPU模块（6）；485通讯模块（4）通过通讯方式与CPU模块（6）连接；跟踪输出转换模块（8）将CPU模块（6）输出的逻辑信号转换为驱动跟踪支架（5）上俯仰角旋转电机和水平旋转电机的旋转信号。本发明从传感器模块获得当前太阳光强信号，计算得到当前太阳位置，与当前时刻下系统存储的太阳标准位置比较，将结果输出到跟踪支架（5）的驱动电机。
【专利说明】一种光伏跟踪自动控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种点光源跟踪控制系统。
【背景技术】
[0002]目前光伏发电成本高、效率低是长期制约其高速发展的主要问题，其解决途径之一便是实现光伏组件对太阳的全天候跟踪，使光伏组件始终保持在对太阳辐射能量的最大吸收位置，从而提高发电系统的发电量，达到降低光伏发电成本、提高光伏发电效率的目的。经测算，双轴太阳能跟踪系统比固定式系统的功率输出可增加40%以上。
[0003]现在的跟踪系统存在诸多弊端，不利于其系统的推广及应用。目前的跟踪系统主要分为两类，传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪。视日运动轨迹跟踪方式通过当地的经纬度计算得到每天太阳的位置，从而实现全天候跟踪，但其精度不高，而且跟踪过程中无法验证太阳能电池板是否正对太阳。一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数，原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。传感器检测方式通过四象限光敏传感器检测光强信号来追踪太阳位置，优点是结构简单，成本较低，缺点是检测部分的结构影响检测结果的准确度和检测角度的范围小，当太阳能电池板法线方向与太阳方向偏角过大时无法实现跟踪，且传感器跟踪过程中易受其他散射、反射、折射光线的干扰。
[0004]传感器跟踪方式一般采用四象限光电探测器，其工作原理为:一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面，如图1c所示，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，当目标成像不在光轴上时，4个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较4个光电信号的幅度大小可以知道目标成像在哪个象限上，也就知道了目标的方位。四象限光电探测器是通过测量来自光源的光斑中心的位置变化，并借助某种算法来同时确定光斑的两个方向的偏移量，将偏移量转换成电机驱动信号驱动电机转动，当光斑中心与四象限光电探测器中心一致时，4个象限阴极产生的阻抗电流都相等，经运算放大器输出为零，两个方向的直线度误差也为零，电机停止转动。
[0005]这种检测方式的优点是结构简单，成本较低，缺点是镜筒高度影响检测结果的准确度和检测角度的范围大小，当太阳能电池板法线方向与太阳方向偏角过大时，光斑就会出现在四象限之外的镜筒壁上，从而使传感器无法检测到太阳的位置，故而无法实现跟踪。而且受天气影响大，阴雨天则无法对准太阳，甚至引起执行机构的误动作，从而导致所提供的跟踪信号不稳定，选用精度高的传感器，又会增加跟踪成本。
[0006]专利201010204455.7为一种基于微型计算机的通用型太阳实时自动跟踪控制系统，此专利为纯传感器跟踪方式，所采用的传感器为光敏电池，具体结构如图2所示。主要原理为光敏电池14与17、12与15分别组成一对，当成对光敏电池之间存在差异时，说明太阳位置有变动，根据差值分别驱动跟踪支架的水平旋转电机和垂直跟踪电机进行跟踪。
[0007]这种跟踪方式存在两个方面的问题:
[0008]一、纯传感器跟踪方式且传感器外露，无任何遮挡，易受周围物体反射、折射太阳光及其他光源的影响，尤其是太阳能电池板反射的太阳光，当这些光强信息照射到电池板上时，容易引起跟踪的误动作。致使跟踪系统频繁旋转且无固定目标。
[0009]二、这种跟踪方式跟踪角度较小，最大跟踪角为90度，致使当太阳与电池板法线方向角度大于此范围时无法实现跟踪，存在大范围的死角。例如:早晨太阳升起时，电池板由于昨天的跟踪结果此时正面对西方，电池板背对太阳无法实现跟踪；当出现阴天时间较长(比如早晨8点开始阴天，中午2点以后晴天)时，由于无太阳的原因，跟踪方向保持不变，当太阳出现时，由于跟踪角度已经超出传感器的跟踪范围，电池板无法实现跟踪。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是为了克服现有跟踪系统的上述缺点，提出了一种用于太阳能跟踪系统的新的控制系统。本发明不但可以提高检测精度，而且可以将光源位置的检测范围扩大至最大极限，无论太阳及电池板在任何位置，电池板都能够准确对正太阳的位置并实现跟踪。
[0011]本发明光伏跟踪自动控制系统主要包括:GPS模块、传感器模块、信号滤波模块、485通讯模块、CPU模块、液晶屏、跟踪输出转换模块和跟踪支架。GPS模块与CPU模块通过通讯方式连接，GPS模块将所在地的经纬度和时间信息传递给CPU模块；安装在跟踪支架顶面边缘位置的传感器模块与信号滤波模块直接连接，将采集到的太阳光强信号传递给信号滤波模块，信号滤波模块对光强信号滤波处理后，传递给与其直接连接的CPU模块；485通讯模块通过通讯方式与CPU模块连接，实现远端电脑和CPU模块的双向通讯；跟踪输出转换模块直接与CPU模块连接，将CPU模块输出的逻辑信号转换为跟踪支架上电机的旋转驱动信号，驱动电机旋转，改变电池板的方向；跟踪支架是支撑太阳能电池板的主要部件，其上安装有俯仰角旋转电机和水平旋转电机，可在水平方向和俯仰方向实现旋转。
[0012]GPS模块将通过天线接收到的经纬度、日期和时间信息以串行通信的方式传给CPU模块，CPU模块经过计算后，将日期和时间显示在液晶屏上。传感器模块由五个相同的光敏电阻和固定光敏电阻的正四面体组成，所述的正四面体除底面外的五个表面中央开有凹槽，五个光敏电阻分别固定在正四面体五个表面的凹槽内。光敏电阻用于获取太阳光强信号，正四面体用于遮挡其他方向散射、反射的干扰光照和减弱非取向方向的太阳光照值，以提高精度。传感器模块将检测到的太阳光强信号经过信号滤波模块处理后输入到CPU模块，CPU模块将接收到的信号经过AD转换后通过向量法计算得到当前太阳位置，并将当前太阳位置信号与储存的当天太阳标准位置比较，经过对比运算后，CPU模块输出控制信号，经过跟踪输出转换模块转换后直接驱动跟踪支架的电机旋转，使跟踪支架上的太阳能电池板正面正对太阳。液晶屏通过CPU模块控制保持实时显示当前太阳位置和太阳能电池板的朝向。CPU模块可存储历史事件，当天太阳的标准位置，三个月内太阳能电池板的运行轨迹记录。485通讯模块是保持CPU模块和远端上位机通讯的关键器件，可完成将远程控制信息传输给CPU模块和将该系统的信息上传的功能，使电站工作人员随时了解太阳能电池板的方向，尤其是大风等恶劣天气情况下，电站工作人员可以通过远程控制将跟踪支架放平，避免带来不必要的损失。
[0013]传感器模块通过固定座安装在跟踪支架顶面边缘位置，无论太阳方向和电池板法线方向的夹角如何，都能保证光敏传感器至少有一面能够检测到太阳位置。传感器正四面体的底面为固定面，固定在表面粗糙的木板上，防止传感器模块的固定座反射的太阳光干扰传感器。所述的木板与固定在跟踪支架上的太阳能电池板平行。太阳能电池板的俯仰角极限夹角为180度，此种情况一般是早晨或晚上太阳处于地平线位置，太阳能电池板竖直放置背对太阳。此时传感器模块至少有靠近电池板边缘的一面能够直接检测到光照，从而通过CPU模块计算得到太阳的位置；垂直方向极限夹角为270度，此种情况一般是早晨或晚上太阳处于地平线位置，太阳能电池板竖直放置侧对太阳。此时传感器至少有一面正对太阳，通过CPU模块计算得到太阳的位置。
[0014]当天太阳的标准位置定义过程如下所述，本发明跟踪控制系统首次启动时，CPU模块根据GPS模块获得的经纬度数据，通过太阳绕地球运行的规律来计算全天每时每刻太阳所在的高度角和方向角，得到当前全天的太阳标准位置并存储。然后依据传感器模块五个方位光敏电阻采集的光强信号经信号滤波模块传输给CPU模块，CPU模块通过向量法计算得到当前时刻下的太阳位置，将当前时刻下的太阳位置与CPU模块存储的太阳标准位置比较，经过对比运算后，CPU模块输出控制信号，经跟踪输出转换模块转换为跟踪支架上电机的旋转驱动信号，驱动跟踪支架旋转，当跟踪支架旋转到达指定位置后，传感器模块再次检测太阳的光强信号，通过信号滤波模块传输给CPU模块，利用向量法计算得到当前太阳位置的三维坐标，太阳位置坐标与Z轴的夹角即为当前太阳能电池板的法线方向与太阳方向的夹角偏差，若夹角偏差在精度允许范围内，即可判断此时跟踪支架上的太阳能电池板正对太阳。若太阳能电池板正对太阳，CPU模块发出信号更新液晶屏及远端上位机上太阳能电池板的法线方向与太阳方向的夹角偏差，并修订CPU模块存储的太阳标准位置，以修订后的太阳位置作为第二天跟踪用的太阳标准位置。
[0015]向量法的计算方法如下所述，传感器模块五个方位光敏电阻检测的光强信号经过(PU模块处理后，转化为五个具有大小和方向的三维向量坐标，经过向量合并后最终得到向量方向即为当前时刻下的太阳的位置。
[0016]本发明自动控制系统精确度较高，极大地提高了太阳能的利用率；跟踪支架旋转方便，利于维护及紧急状况处理；CPU模块存储的历史数据为以后分析当地光照情况、太阳运行轨迹、设备运行等情况提供了强有力的数据支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1现有技术四象限光电探测器原理图；
[0018]图2专利201010204455.7的传感器结构示意图；
[0019]图3是本发明的工作原理框图；
[0020]图4是本发明的传感器三维对应关系图。
【具体实施方式】
[0021 ] 以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0022]本发明光伏跟踪自动控制系统包括:GPS模块2、传感器模块1、信号滤波模块3、485通讯模块4、CPU模块6、液晶屏7、跟踪输出转换模块8和跟踪支架5。GPS模块2与CPU模块6通过通讯方式连接，GPS模块2将所在地的经纬度和时间信息传递给CPU模块6 ;传感器模块I与信号滤波模块3直接连接，将采集到的光强信号传递给信号滤波模块3，信号滤波模块3对光强信号滤波处理后传递给与其直接连接的CPU模块6 ；485通讯模块4通过通讯方式与CPU模块6连接，实现远端电脑和CPU模块6的双向通讯；跟踪输出转换模块8直接与(PU模块6连接，将CPU模块6输出的逻辑信号转换为可驱动电机旋转的信号并输出，驱动跟踪支架5旋转；跟踪支架5是支撑太阳能电池板的主要部件，其上安装有俯仰角旋转电机和水平旋转电机，可在水平方向和俯仰方向实现旋转。
[0023]传感器模块安装在跟踪支架5顶面边缘位置，无论太阳方向和电池板法线方向的夹角如何，都能保证光敏传感器至少有一面能够检测到太阳位置。传感器正四面体的底面为固定面，固定在表面粗糙的木板上，防止传感器模块的固定座反射的太阳光干扰传感器的检测，木板与太阳能电池板平行。
[0024]图3是本发明的工作原理框图。GPS模块2将通过天线接收到的经纬度、日期和时间信息以串行通信的方式传给CPU模块6，CPU模块6经过数据格式转换后将日期和时间信息显示在液晶屏7上。如图4所示，传感器模块I由五个光敏电阻10、11、12、13、14和固定光敏电阻的正四面体9组成，所述的正四面体除底面外的五个表面中央开有凹槽，五个光敏电阻10、11、12、13、14分别固定在正四面体9的五个表面的凹槽内。光敏电阻用于获取太阳光强信号，正四面体用于遮挡其他方向散射、反射的干扰光照和减弱非取向方向的太阳光照值，以提高精度。传感器模块I将检测到的太阳光强信号经过信号滤波模块3处理后输入到CPU模块6，CPU模块6将接收到的信号经过AD转换后，通过向量法计算得到当前太阳位置，并将当前太阳位置信号与储存的当天太阳标准位置比较，经过对比运算后，CPU模块6输出控制信号，经跟踪输出转换模块8转换为跟踪支架5上电机的旋转驱动信号，驱动跟踪支架5旋转，使跟踪支架5上的太阳能电池板正面正对太阳。液晶屏7通过CPU模块6控制保持实时显示当前太阳位置和太阳能电池板的朝向。CPU模块6用于存储历史事件、当天太阳的标准位置，以及三个月内太阳能电池板的运行轨迹记录。485通讯模块4是保持CPU模块6和远端上位机通讯的关键器件，可完成将远程控制信息传输给CPU模块6和将CPU模块6存储信息上传的功能，尤其是大风等恶劣天气情况下，电站工作人员可以通过远程控制将跟踪支架5放平，避免带来不必要的损失。
[0025]本发明跟踪过程的具体工作顺序如下:当本发明系统启动时，CPU模块6根据五个方位光敏电阻的输出电压信号通过向量法计算得到当前时刻下太阳的具体位置，并与系统存储的太阳标准位置比较，经过对比运算后，CPU模块6输出控制信号，经跟踪输出转换模块8转换为驱动跟踪支架5上电机旋转的信号并驱动跟踪支架5旋转，当跟踪支架5到达指定位置后，传感器模块I再次检测太阳的光强信号，通过信号滤波模块3传输给CPU模块6，利用向量法计算得到当前太阳位置的三维坐标，太阳位置坐标与Z轴的夹角即为当前太阳能电池板的法线方向与太阳方向的夹角偏差，若夹角偏差在允许范围内，即可判断此时跟踪支架5上的太阳能电池板正对太阳。若太阳能电池板正对太阳，CPU模块6发出信号更新液晶屏7的显示数据，以及远端上位机上当前太阳能电池板的法线方向与太阳方向的夹角偏差，并修订CPU模块6存储的太阳标准位置，以修订后的太阳位置作为第二天跟踪用的太阳标准位置。
[0026]向量法的计算方法如下所述，五个方位的光敏电阻输出电压信号经过CPU模块6处理后转化为五个具有大小和方向的三维向量坐标，经过向量合并后最终得到向量方向即为当前太阳位置方向，当前太阳位置方向确定后，即可得到当前太阳位置。
【权利要求】
1.一种光伏跟!?示自动控制系统，其特征在于:所述的控制系统包括:GPS I吴块(2)、传感器模块(I)、信号滤波模块(3 )、485通讯模块(4)、CPU模块(6 )、液晶屏(7 )、跟踪输出转换模块(8)和跟踪支架(5) ;GPS模块(2)与CPU模块(6)通过通讯方式连接，GPS模块(2)将所在地的经纬度和时间信息传递给CPU模块(6);安装在跟踪支架(5)顶面边缘位置的传感器模块(I)与信号滤波模块(3)连接，将采集到的太阳的光强信号传递给信号滤波模块(3)，信号滤波模块(3)对光强信号滤波处理后传递给与其连接的CPU模块(6) ;485通讯模块(4)通过通讯方式与CPU模块(6)连接，实现远端电脑和CPU模块(6)的双向通讯；跟踪输出转换模块(8)与CPU模块(6)连接，将CPU模块(6)输出的逻辑信号转换为跟踪支架(5)上电机的旋转驱动信号，驱动跟踪支架(5)旋转；跟踪支架(5)支撑太阳能电池板，其上安装有俯仰角旋转电机和水平旋转电机。
2.如权利要求1所述的光伏跟踪自动控制系统，其特征在于:所述的传感器模块(I)由五个相同的光敏 电阻(10、11、12、13、14)和固定光敏电阻用的正四面体(9)组成,五个光敏电阻(10、11、12、13、14)分别固定在正四面体(9)其中五个表面中央的凹槽内。
3.如权利要求2所述的光伏跟踪自动控制系统，其特征在于:所述的传感器正四面体(9)的底面固定在表面粗糙的木板上，所述的木板与固定在跟踪支架(5)上的太阳能电池板平行。
4.如权利要求1所述的光伏跟踪自动控制系统，其特征在于:所述光伏跟踪自动控制系统启动时，GPS模块(2)将接收到的经纬度、日期和时间信息以串行通信的方式传给CPU模块(6 )，CPU模块(6 )经过计算后，将日期和时间显示在液晶屏(7 )上；CPU模块(6 )根据五个光敏电阻(10、11、12、13、14)检测的太阳光强信号通过向量法计算得到当前时刻下太阳的位置，并与所述的光伏跟踪自动控制系统存储的太阳标准位置比较，经过对比运算后，CPU模块(6)输出控制信号，经跟踪输出转换模块(8)转换为跟踪支架(5)上电机的旋转驱动信号，驱动跟踪支架(5)旋转，当跟踪支架(5)到达指定位置后，传感器模块(I)再次检测太阳的光强信号，通过信号滤波模块(3)传输给CPU模块(6)，利用向量法计算得到当前太阳位置的三维坐标，太阳位置坐标与Z轴的夹角即为当前太阳能电池板的法线方向与太阳方向的夹角偏差，若夹角偏差在精度允许范围内，即可判断此时跟踪支架(5)上的太阳能电池板正对太阳，若太阳能电池板正对太阳，CPU模块(6)发出信号更新液晶屏(7)的显示数据，通过485通讯模块(4)更新远端上位机上当前太阳能电池板的法线方向与太阳方向的夹角偏差，并修订、存储所述的光伏跟踪自动控制系统存储的太阳标准位置，以修订后的太阳位置作为第二天跟踪用的太阳标准位置。
5.如权利要求4所述的光伏跟踪自动控制系统，其特征在于:所述的向量法的计算得到当前时刻下太阳的位置方法如下:五个光敏电阻(10、11、12、13、14)输出电压信号经过CPU模块(6 )处理后,转化为五个具有大小和方向的三维向量坐标，该五个三维向量坐标经过向量合并后得到的向量方向即为当前时刻下太阳的位置。
【文档编号】G05D3/12GK103455049SQ201310383123
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】闫晓磊, 李永利 申请人:保定科诺伟业控制设备有限公司