专利名称：实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种太阳能发电系统，尤其涉及一种实时差分全球定位单轴跟踪 光伏发电装置。
背景技术：
随着近来光伏发电技术的飞速发展，新能源在能源领域中的地位越来越引起人们 的广泛重视了，但发电成本仍然是制约其快速发展的主要原因，怎样使额定功率的太阳电 池组件，通过有效地利用太阳光，发出更多的电力，变得越来越重要。我们知道，太阳光分为直射光和散射光，散射光是各向同性的，即无论组件面朝向 哪个方向，组件接受到的散射光通量都相同。而直射光则是各向异性的，即组件面朝向不 同，接收到的直射光通量也不同。在直射光占主要成分的区域，保持组件面时刻处于光线直 照或接近直照角度，就可以使得组件面获得最大光通量，从而在相同光照时间和光照条件 下发出更多的电力。我国西部广大地区，是日照资源丰富地区，也是直射光占主要光照成分的区域。发 展跟踪发电技术，具有巨大的经济效益和长远的战略意义。跟踪太阳的方法可概括为两种方式光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。光电跟 踪是由光电传感器件根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到计算机，计算机运行程序调 整采光板的角度实现对太阳的跟踪。光电跟踪的优点是灵敏度高，结构设计较为方便；缺点 是受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，会导致跟踪装置无 法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。现有的根据视日运动轨迹跟踪技术，都是采取传感器定位跟踪系统结构件位置。 不仅跟踪精度低，而且由于太阳电池发电系统应用环境在室外，传感器使用环境极其苛刻， 损坏和失效的几率极大。对于一些无人值守的光伏发电系统，不仅不能提高单位瓦数太阳 电池组件发电能力，反而会因为传感器损坏无法跟踪而使得方阵偏离最佳倾角，降低额定 发电能力。
实用新型内容针对上述现有技术，本实用新型提供一种实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装 置，其具有小型化，安装简便，适用范围广，制造和安装成本低的特点，利用本实用新型可以 全天候实现光伏发电组件对太阳光的角度跟踪，相对现有技术省却了复杂的光学传感器、 位置传感器；解决了室外苛刻环境严重影响跟踪系统可靠性的技术难题；可以大幅度提高 太阳电池光伏系统的效率。为了解决上述技术问题，本实用新型实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置予 以实现的技术方案是，包括主支撑架和太阳能电池板组件，还包括一实时差分全球定位装 置、方位角转动机构和主控制器；所述实时差分全球定位装置包括移动站、基准站和时钟系 统；所述方位角转动机构设置在所述主支撑架上，所述方位角转动机构包括两台方位角执
3行电机及固定在主支撑架顶部的固定轴芯，所述固定轴芯的两端均设有转动轴承，所述方 位角执行步进电机的输出端连接有齿轮传动机构，所述齿轮传动机构的输出端带动所述转 动轴承；两个所述转动轴承上连接有一主支撑结构，所述太阳能电池板组件安装在所述主 支撑结构上；所述主控制器通过控制连线分别与方位角执行步进电机和实时差分全球定位 装置连接；所述移动站设在所述主支撑结构上且距离所述转动轴承最远点的位置上，所述 基准站设在所述固定轴芯上。由于太阳光的入射角度在纬度方向(俯仰角)变化范围为47度角范围内，而在经 度方向变化范围则达到180度，变化范围很大。因此本实用新型采取的机械跟踪方式为单 轴方位角方向跟踪。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是(1)系统安装更简单便捷。传统跟踪系统安装，需要安装多个传感器，要逐个进行 准确定位。而且每个传感器都要引信号传输线，相当繁琐。而本实用新型以全球定位技术 为平台，模块化安装，简洁方便。(2)光伏发电系统更安全可靠。全球定位定位系统，是一个世界范围内共享技术平 台，安全可靠，故障率很低。我们以此技术为依托，实现光伏系统跟踪，就可以克服原来设计 体系过于复杂，缺乏科学合理设计的弊端，达到跟踪的高可靠。(3)故障早发现，降低故障损失。原来传感器控制的视日运动轨迹跟踪系统，一旦 出现跟踪故障，只能靠人为观察发现。本实用新型实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装 置，可以通过全球定位系统通信平台随时确认当前角度状态，实现真正的实时监控。第一时 间发现问题，尽早解决问题。
图1是太阳电池组件及背面支撑结构俯视图；图2是实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置；图3是实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置的电器控制原理框图；图4是驱动器接口电路图；图5是步进电机一路驱动电路图，图6是采用光电耦合器与电压比较器电路组成的微机步进电机限位电路图；图7是单片机主程序流程图；图8是PC机通信流程图。图中11—主支撑结构 12——太阳能电池板组件 13——转动轴承14——固定轴芯 15——方位角执行电机16——移动站17——基准站18——齿轮传动机构21——主支撑架30——实时差分全球定位装置 31——时钟系统32——主控制器33——方位角执行电机
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细地描述。如图1、图2和图3所示，本实用新型实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置包括主支撑架21和太阳能电池板组件12，实时差分全球定位装置30、方位角转动机构15和 主控制器32 ；如图3所示，所述实时差分全球定位装置30包括移动站16、基准站17和时 钟系统31 ；如图1和图2所示，所述方位角转动机构15设置所述主支撑架21上，所述方位 角转动机构15包括两台方位角执行电机33及固定在主支撑架21顶部的固定轴芯14，所 述固定轴芯14的两端均设有转动轴承13，所述方位角执行步进电机33的输出端连接有齿 轮传动机构18，所述齿轮传动机构18的输出端带动所述转动轴承13 ；两个所述转动轴承 13上连接有一主支撑结构11，从图1中可以得出，该主支撑结构11为一框架，该框架在一 个方向上与固定轴芯14的轴向长度基本一致，该框架的另一个方向是沿固定轴芯14的径 向延伸到一个合适的长度，所述太阳能电池板组件12安装在所述主支撑结构11上，由此可 见，实施中，该主支撑结构11框架所覆盖的面积基本上与所采用的太阳能电池板组件的整 体轮廓相一致；如图3所示，所述主控制器32通过控制连线分别与方位角执行步进电机33 和实时差分全球定位装置30连接；如图1所示，所述移动站16设在所述主支撑结构11上 且距离所述转动轴承13最远点的位置上(即移动站16设在位于该主支撑结构11框架上 转动点的最远端处)，所述基准站17设在所述固定轴芯14上。本实用新型中所述的主控制器32至少包括跟踪系统驱动器接口电路、方位角步 进电机驱动电路和微机步进电机限位信号采集电路。其中，图4示出了跟踪系统驱动器接口电路，所述跟踪系统驱动器接口电路至少 包括一微处理器、一用于控制方位限位信号的触发器、两个用于数据缓冲及总线驱动的缓 冲器/线驱动器及实现与上位机通信的接口芯片。微处理器选用89系列性价比高和功耗 低的89C52。74HC14芯片是6非门施密特触发器，与Pl. 1和Pl. 2 口相连，控制方位限位信 号。74HC240芯片，八反相三态缓冲器/线驱动器，用于数据缓冲及总线驱动。系统使用两 片74HC240芯片，通过PO 口引脚控制，两片74HC240的16个输出引脚作为步进电机驱动电 路的输入控制信号，控制方位角执行步进电机的正反转。系统与上位机的通信选用MAX485 接口芯片，由P1.0 口控制其收发状态。步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位移的 执行器。在跟踪系统中，以74HC240的16个输出信号作为步进电机驱动器的输入控制信号， 用以控制步进电机俯仰方向和水平方位的正反转。图5示出的是方位角步进电机驱动中一 路驱动电路图，本实用新型中共有两路驱动电路，分别驱动步进电机的正反转。步进电机选 用42BYG250C型，步矩角1.8°，其水平俯仰方向步进电机运行的最大角度是360°，共需运 行20000步。减速器的传动比为1 100，即电机转动100°时水平转台相应转动1°。以 步进电机1.8°的步距角计算，当镜面装置的水平转台转动1°时，步进电机发出100/1.8 个脉冲，由此可以计算平面镜法向量的方位角为a时步进电机发出的脉冲数为100 α /1. 8 个。步进电机动作频率可手动设置，默认情况下，步进电机每隔15s动作一次。所述微机步进电机限位信号采集电路至少包括一光电耦合器与一电压比较器，图 6示出了该电路。其中，利用双三态门来控制步进电机的脉冲通路。其工作原理是在到达 限位位置之前，光耦导通，电压比较器LM393的反向输入端有信号，允许步进电机控制脉冲 从此通过。当限位杆到达限位位置时，挡住了光耦的光通路，使LM393的反向输入端无信 号，步进电机就停止。主控制器32的软件分为两部分步进电机控制部分和PC机部分。步进电机控制部分，主要由单片机完成。单片机的软件设计采用模块化设计的方法，主要分为如下几个软件 模块主程序模块、串行口中断处理模块、正常跟踪处理模块、串行口中断复位处理模块等。 单片机主程序流程图如图7所示。首先，依次进行串行口初始化和步进电机相位初始化，读 入控制字和步进电机运行步数后，判断是否复位，若.T.，则等待PC机命令，否则，执行复位 操作。PC机软件部分主要是负责任意时刻太阳位置的计算(即，当地经纬度、当前时间的太 阳位置)并运用软件计算出当前状况下俯仰与水平方向步进电机运行的步数，并将数据送 给跟踪系统驱动器。与单片机通信的部分使用VC++中的MSComm控件来编译串口通讯的应 用程序，采用MSComm32. OCX控件。使用控件的属性进行串口设置，使用控件的事件驱动进 行串口响应，使用控件的方法完成串行口接收和发送数据。PC机通信流程图如图8所示。本实用新型实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置的工作过程为主控制器 32通过采集实时差分全球定位装置30时钟系统31的时钟信息，计算该时刻的光线入射角 度，从而计算出使得方阵面在该时刻与入射光垂直时主支撑结构11上移动站16的理论计 算精确位置，把这一数值不断和移动站16的实测数值进行比较，控制方位角执行步进电机 33转动，带动移动站16移动，移动站16的实测数值就会发生变化，差值也会不断变化。当 差值进入允许范围，主控制器32发出控制指令，方位角执行步进电机33停止转动，至此，完 成一个跟踪过程。依据实时差分全球定位装置30提供的时钟信息，主控制器32可以准确计算出日 落时刻，这时发出指令使方位角执行电机33转动，回到日出时可以使光线直照太阳电池组 件的角度，准备第二天的运行控制。本实用新型中的实时差分全球定位装置30采用现有成熟技术，选用北京美科公 司的C-NAV3050系列星站差分定位系统。尽管上面结合图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具 体实施方式，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人 员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些 均属于本实用新型的保护之内。
权利要求1.一种实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置，包括主支撑架(21)和太阳能电池 板组件(12)，其特征在于，还包括一实时差分全球定位装置(30)、方位角转动机构(15)和主控制器(32)；所述实时差分全球定位装置(30)包括移动站(16)、基准站(17)和时钟系统(31)；所述方位角转动机构(15)设置在所述主支撑架(21)上，所述方位角转动机构(15)包 括两台方位角执行电机(33)及固定在主支撑架(21)顶部的固定轴芯(14)，所述固定轴芯 (14)的两端均设有转动轴承(13)，所述方位角执行步进电机(33)的输出端连接有齿轮传 动机构(18)，所述齿轮传动机构(18)的输出端带动所述转动轴承(13)；两个所述转动轴 承(13)上连接有一主支撑结构(11)，所述太阳能电池板组件(12)安装在所述主支撑结构 (11)上；所述主控制器(32)通过控制连线分别与方位角执行步进电机(33)和实时差分全球定 位装置(30)连接；所述移动站(16)设在所述主支撑结构(11)上且距离所述转动轴承(13)最远点的位 置上，所述基准站(17)设在所述固定轴芯(14)上。
2.根据权利要求1所述实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置，其特征在于，所述 主控制器(32)至少包括跟踪系统驱动器接口电路、方位角步进电机驱动电路和微机步进 电机限位信号采集电路。
3.根据权利要求2所述实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置，其特征在于，所述 跟踪系统驱动器接口电路至少包括一微处理器、一用于控制方位限位信号的触发器、两个 用于数据缓冲及总线驱动的缓冲器/线驱动器及实现与上位机通信的接口芯片。
4.根据权利要求3所述实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置，其特征在于，所述 微处理器为89C52芯片；所述触发器为74HC14芯片，并与89C52芯片的Pl. 1和Pl. 2 口相 连；所述缓冲器/线驱动器为74HC240芯片，通过PO 口引脚控制，两片74HC240的16个输 出引脚作为步进电机驱动电路的输入控制信号，控制所述方位角执行步进电机的正反转； 所述接口芯片为MAX485接口芯片，由Pl. 0 口控制其收发状态。
5.根据权利要求2所述实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置，其特征在于，所述 微机步进电机限位信号采集电路至少包括一光电耦合器与一电压比较器。
6.根据权利要求2所述实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置，其特征在于，所述 实时差分全球定位装置(30)为C-NAV3050系列星站差分定位系统。
专利摘要本实用新型公开了一种实时差分全球定位单轴跟踪光伏发电装置，包括主支撑架、太阳能电池板组件、实时差分全球定位装置、方位角转动机构和主控制器；方位角转动机构包括两台方位角执行电机及固定在主支撑架顶部的固定轴芯，固定轴芯的两端均设有转动轴承，方位角执行步进电机的输出端连接有齿轮传动机构，齿轮传动机构的输出端带动转动轴承；两个转动轴承上连接有一主支撑结构，太阳能电池板组件安装在主支撑结构上；主控制器通过控制连线分别与方位角执行步进电机和实时差分全球定位装置连接。本实用新型可以全天候实现光伏发电组件对太阳光的角度跟踪，解决了室外苛刻环境严重影响跟踪系统可靠性的技术难题；增强了太阳电池发电系统的有效发电能力。
文档编号G05D3/00GK201781433SQ20102025932
公开日2011年3月30日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者周小梅, 甘基创, 黄志忠, 黄忠文 申请人:天津瑞拓电子科技开发有限公司