CN101788824A - 基于地磁场的太阳能电池板自动跟踪太阳装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能电池板自动跟踪太阳的装置，装置有太阳能电池板通过竖直旋转结构可竖直旋转的设置在U型支架的内侧，U型支架的底端可水平旋转的设置在水平旋转结构上，竖直旋转结构和水平旋转结构分别连接控制单元。方法，是通过分析传感器采集单元实时检测出地磁场信号，确定太阳相对于电池板载体的方位，修正电池板的水平方位转角；并且通过时钟芯片输出的当前时间信号，修正电池板的水平方位转角并调整其俯仰转角，以保持电池板正对太阳。本发明实现了使太阳能电池板始终正对太阳，大大提高了太阳能的利用率；既可用于固定的太阳能载体如太阳能路灯、太阳能屋顶发电***等，又可用于移动的太阳能载体如太阳能汽车；极大地扩展了本装置的适用范围。

Description

基于地磁场的太阳能电池板自动跟踪太阳装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池板，特别是涉及一种让太阳能电池板始终保持正对太阳方向，以提高太阳能的利用率的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置及控制方法。

背景技术

目前在太阳能电池的安装使用中，安装方法都是采用固定式直接安装在载体上，而太阳的位置却随时间的变化和载***置的移动而处于不同的方向，因此太阳光无法时刻直射电池板，造成太阳能在无形中的损失。并且由于这种方式造成的功率损失、相应成本的提升，随着太阳能技术的快速发展而越来越凸显。因此，为了更大范围地推广太阳能电池，在技术上尽量提高太阳能的利用率就显得愈发重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在不改变太阳能电池板本身物理特性的前提下，让太阳能电池板始终保持正对太阳方向，以提高太阳能的利用率的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置及控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种太阳能电池板自动跟踪太阳的装置，包括有太阳能电池板，还设置有U型支架，所述的太阳能电池板通过竖直旋转结构可竖直旋转的设置在U型支架的内侧，所述的U型支架的底端可水平旋转的设置在水平旋转结构上，所述的竖直旋转结构和水平旋转结构分别连接控制单元。

所述的竖直旋转结构包括有：竖直方向转轴，与竖直方向转轴相连的竖直方向控制舵机，以及竖直方向转轴轴套，所述的竖直方向控制舵机连接控制单元，所述的竖直方向转轴从U型支架的一个侧边的外侧贯穿至该侧边的内侧，所述的竖直方向转轴轴套与竖直方向转轴相对应的设置在U型支架另一个侧边的内侧，所述的太阳能电池板的两边分别固定在竖直方向转轴和竖直方向转轴轴套上。

所述的水平旋转结构包括有：水平方向控制舵机和与水平方向控制舵机相连的水平方向转轴，所述的水平方向控制舵机连接控制单元，所述的U型支架的底端固定在水平方向转轴上。

所述的控制单元包括有：单片机和分别与单片机相连的传感器采集单元和时钟芯片，所述的单片机分别连接竖直旋转结构中的竖直方向控制舵机及水平旋转结构中的水平方向控制舵机。

所述的传感器采集单元是由地磁传感器构成。

本发明的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置的控制方法，是通过分析传感器采集单元实时检测出地磁场信号，确定太阳相对于电池板载体的方位，修正电池板的水平方位转角；并且通过时钟芯片输出的当前时间信号，修正电池板的水平方位转角并调整其俯仰转角，以保持电池板正对太阳。

具体包括如下步骤：

1)单片机***读取传感器采集单元输出的地磁信号：

2)采用归一化算法消除由地磁以外的其它电磁场产生的扰动信号，提取出可用于方向测量的地磁信号：

3)单片机***读取时钟芯片输出的时间信号：

4)用步骤2与步骤3中获取的地磁信号和时钟信号，结合包含地球纬度与太阳高度角关系的数据库，通过查表法计算出太阳相对电池板的具体空间位置，确定太阳相对于电池板的方位角与高度角：

5)单片机输出对舵机的控制信号，修正电池板与太阳实际方位的角度差，使电池板正对太阳方向；

6)重复步骤1到步骤5的工作，实现太阳能电池实时向日。

所述的归一化算法是指：

1)首先采集当地地磁场数据：将传感器采集单元在设定时间内旋转一周，找出其中最大值X_max、Y_max和最小值X_min、Y_min；

2)然后将所有地磁数据都通过下面的公式计算，得到地磁数据的归一化值X_uni和Y_uni，这样就可以将原本是椭圆的地磁场数据修正为圆，并消除扰动信号，方便后续的数据处理；

X_uni＝(X-X_min)×255/(X_max-X_min)；

Y_uni＝(Y-Y_min)×255/(Y_max-Y_min)。

所述的查表法是指：在已设定的表格中包含有地球纬度值与太阳高度角的关系，单片机通过读取当前的纬度值与时间，通过指令查询表格即可确定电池板与当时太阳方位的关系。

本发明的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置及控制方法，具有如下特点：

1.实现了使太阳能电池板始终正对太阳，大大提高了太阳能的利用率；

2.由于使用了地磁传感器，可以实时计算电池板载体相对太阳方位角的夹角，因此本装置即可用于固定的太阳能载体如太阳能路灯、太阳能屋顶发电***等，又可用于移动的太阳能载体如太阳能汽车；

3.采用了通过地磁信号的当前时间计算太阳方位的方法，而不是通过光强反馈的方法，从而使整个装置的反应速度大大提高，可以适应太阳能电池板载体的高速移动，极大地扩展了本装置的适用范围。

附图说明

图1是本发明的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置结构示意图；

图2是本发明的太阳能电池板自动向日装置的控制框图；

图3是传感器输出曲线及归一化椭圆，其中：

图(a)、(b)、(c)、(d)分别是传感器输出曲线及归一化椭圆的过程图。

其中：

1：太阳能电池板               2：支架

3：竖直方向控制舵机           4：竖直方向转轴

5：竖直方向转轴轴套           6：水平方向控制舵机

7：水平方向转轴               a：实际输出

b：实际椭圆                   c：是理想输出

d：归一化后椭圆

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置及控制方法是如何实现的。

如图1所示，本发明的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置，包括有太阳能电池板1，还设置有U型支架2，所述的太阳能电池板1通过竖直旋转结构可竖直旋转的设置在U型支架2的内侧，所述的U型支架2的底端可水平旋转的设置在水平旋转结构上，所述的竖直旋转结构和水平旋转结构分别连接控制单元。

所述的竖直旋转结构包括有：竖直方向转轴4，与竖直方向转轴4相连的竖直方向控制舵机3，以及竖直方向转轴轴套5，所述的竖直方向控制舵机3连接控制单元，用于控制太阳能电池板1的俯仰角。所述的竖直方向转轴4从U型支架2的一个侧边的外侧贯穿至该侧边的内侧，所述的竖直方向转轴轴套5与竖直方向转轴4相对应的设置在U型支架2另一个侧边的内侧，所述的太阳能电池板1的两边分别固定在竖直方向转轴4和竖直方向转轴轴套5上。

所述的水平旋转结构包括有：水平方向控制舵机6和与水平方向控制舵机6相连的水平方向转轴7，所述的水平方向控制舵机6连接控制单元，用于控制太阳能电池板1的方位角。所述的所述的U型支架2的底端固定在水平方向转轴7上。

竖直方向控制舵机3和水平方向控制舵机6根据联合控制太阳能电池板1相对于太阳的位置，从而实现太阳能电池板1全空间角度的自由转动。达到实时正对太阳，提高太阳能的利用率。

如图2所示，所述的控制单元包括有：单片机8和分别与单片机相连的传感器采集单元9和时钟芯片10，所述的单片机8分别连接竖直旋转结构中的竖直方向控制舵机3及水平旋转结构中的水平方向控制舵机6。所述的传感器采集单元9是由地磁传感器构成。

在装置初始化过程中，需要输入所在地的纬度值和时间值。单片机通过分析地磁信号和时钟信号，精确定位太阳相对于太阳能电池板的位置。输出控制单元的程序中加入防抖动防死区部分，程序中所划分的区与区之间不存在临界点，因为太阳能电池板的抖动都是发生在临界点处，因此可以确保太阳能电池板在转动过程中不发生颤抖或者剧烈摇晃。

本发明的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置可以安装在移动载体上，如太阳能汽车；也可应用在固定的载体上，如太阳能路灯、屋顶太阳能发电***等。使太阳能电池板随太阳的转动而转动，即始终让太阳光直射电池板，提高太阳能的利用率。

本发明的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置的控制方法，是通过分析地磁传感器实时检测出地磁场信号，确定太阳相对于电池板载体的方位，修正电池板的水平方位转角；并且通过时钟芯片输出的当前时间信号，修正电池板的水平方位转角并调整其俯仰转角，以保持电池板正对太阳。

如图3所示，地磁方向的探测与校正，航向角由地磁传感器输出的Y与X确定，地磁传感器在水平面内旋转时，探测地磁场Y，X值的输出曲线是一个圆，但是在实际的应用中受周围电机、铁磁体等的影响，输出曲线会有一些变形，有些接近椭圆，为了补偿外界磁场的干扰，我们将采用一定的算法来将椭圆修正为圆，这种算法称为归一化算法。地磁数据经过归一化算法后，就可以将原本是椭圆的地磁场数据修正为圆，然后通过查表法得出每个地磁坐标相对地磁南北极的角度。

其具体步骤如下：

1)单片机***读取地磁传感器输出的地磁信号：

2)采用归一化算法消除由其它电磁场产生的扰动信号，提取出可用于方向测量的地磁信号：

所述的归一化算法是指：

(1)首先采集当地地磁场数据：将地磁传感器在设定时间内旋转一周，找出其中最大值X_max、Y_max和最小值X_min、Y_min；

(2)然后将所有地磁数据都通过下面的公式计算，得到地磁数据的归一化值X_uni和Y_uni，这样就可以将原本是椭圆的地磁场数据修正为圆，并消除扰动信号，方便后续的数据处理；

X_uni＝(X-X_min)*255/(X_max-X_min)；

Y_uni＝(Y-Y_min)*255/(Y_max-Y_min)；

3)单片机***读取时钟芯片输出的时间信号：

4)用步骤2与步骤3中获取的地磁信号和时钟信号，结合包含地球纬度与太阳高度角关系的数据库，通过查表法计算出太阳相对电池板的具体空间位置，确定太阳相对于电池板的方位角与高度角：

所述的查表法是指：在已设定的表格中包含有地球纬度值与太阳高度角的关系，单片机通过读取当前的纬度值与时间，通过指令查询表格即可确定电池板与当时太阳方位的关系。

首先是通过查表法计算出每个地磁坐标相对地磁南北极的角度，应用这个角度就可以修正太阳能电池板的垂直转角，其次是确定电池板的水平转角。

我们将时间分为小尺度时间和大尺度时间。一天中，太阳东升西落我们定义为小尺度时间，也是整个装置的主控时间；而一年中，四季更替，也会导致太阳高度角发生变化，我们将其定义为大尺度时间。

通过大尺度时间和当地纬度值我们可以求出当地当天太阳高度角的最大值；而通过小尺度时间，我们即可确定出某一时刻的太阳高度角。

请参阅表1，以北京地区八月份为例，我们列出了一天中太阳高度角和方位角的变化情况，如表1中所示。

确定了太阳方位角和高度角就可以修正电池板的垂直转角和水平转角。这样，在得出电池板需要修正的角度值以后就可以控制两个舵机，通过单片机输出不同占空比达到控制电池板转动的效果。

由于地磁传感器灵敏度很高，在实际采样时会出现微小扰动。本发明通过软件算法进行设定，将输入的地磁信号进行计算，去除微扰对于信号的影响，实现太阳能电池水平方向的平稳转动，避免因信号扰动而产生的装置水平方向抖动。

5)单片机输出对舵机的控制信号，修正电池板与太阳实际方位的角度差，使电池板正对太阳方向；

6)重复步骤1到步骤5的工作，实现太阳能电池实时向日。

表1是八月份北京地区(北纬39°)的太阳高度角和方位角在一天中的变化情况；

表1

其中，方位角定义为太阳所在方向与正南方的夹角，偏西方为正，偏东方为负

Claims (9)

1.一种太阳能电池板自动跟踪太阳的装置，包括有太阳能电池板(1)，其特征在于，还设置有U型支架(2)，所述的太阳能电池板(1)通过竖直旋转结构可竖直旋转的设置在U型支架(2)的内侧，所述的U型支架(2)的底端可水平旋转的设置在水平旋转结构上，所述的竖直旋转结构和水平旋转结构分别连接控制单元。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置，其特征在于，所述的竖直旋转结构包括有：竖直方向转轴(4)，与竖直方向转轴(4)相连的竖直方向控制舵机(3)，以及竖直方向转轴轴套(5)，所述的竖直方向控制舵机(3)连接控制单元，所述的竖直方向转轴(4)从U型支架(2)的一个侧边的外侧贯穿至该侧边的内侧，所述的竖直方向转轴轴套(5)与竖直方向转轴(4)相对应的设置在U型支架(2)另一个侧边的内侧，所述的太阳能电池板(1)的两边分别固定在竖直方向转轴(4)和竖直方向转轴轴套(5)上。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置，其特征在于，所述的水平旋转结构包括有：水平方向控制舵机(6)和与水平方向控制舵机(6)相连的水平方向转轴(7)，所述的水平方向控制舵机(6)连接控制单元，所述的U型支架(2)的底端固定在水平方向转轴(7)上。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置，其特征在于，所述的控制单元包括有：单片机(8)和分别与单片机相连的传感器采集单元(9)和时钟芯片(10)，所述的单片机(8)分别连接竖直旋转结构中的竖直方向控制舵机(3)及水平旋转结构中的水平方向控制舵机(6)。

5.根据权利要求4所述的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置，其特征在于，所述的传感器采集单元(9)是由地磁传感器构成。

6.一种权利要求1所述的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置的控制方法，其特征在于，通过分析传感器采集单元实时检测出地磁场信号，确定太阳相对于电池板载体的方位，修正电池板的水平方位转角；并且通过时钟芯片输出的当前时间信号，修正电池板的水平方位转角并调整其俯仰转角，以保持电池板正对太阳。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)单片机***读取传感器采集单元输出的地磁信号：

2)采用归一化算法消除由地磁以外的其它电磁场产生的扰动信号，提取出可用于方向测量的地磁信号：

3)单片机***读取时钟芯片输出的时间信号：

4)用步骤2与步骤3中获取的地磁信号和时钟信号，结合包含地球纬度与太阳高度角关系的数据库，通过查表法计算出太阳相对电池板的具体空间位置，确定太阳相对于电池板的方位角与高度角：

5)单片机输出对舵机的控制信号，修正电池板与太阳实际方位的角度差，使电池板正对太阳方向；

6)重复步骤1到步骤5的工作，实现太阳能电池实时向日。

8.根据权利要求7所述的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置的控制方法，其特征在于，所述的归一化算法是指：

1)首先采集当地地磁场数据：将传感器采集单元在设定时间内旋转一周，找出其中最大值X_max、Y_max和最小值X_min、Y_min；

2)然后将所有地磁数据都通过下面的公式计算，得到地磁数据的归一化值X_uni和Y_uni，这样就可以将原本是椭圆的地磁场数据修正为圆，并消除扰动信号，方便后续的数据处理；

X_uni＝(X-X_min)×255/(X_max-X_min)；

Y_uni＝(Y-Y_min)×255/(Y_max-Y_min)。

9.根据权利要求7所述的太阳能电池板自动跟踪太阳的装置的控制方法，其特征在于，所述的查表法是指：在已设定的表格中包含有地球纬度值与太阳高度角的关系，单片机通过读取当前的纬度值与时间，通过指令查询表格即可确定电池板与当时太阳方位的关系。

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