CN102073325A - 一种太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置和方法，该装置包括预启动模块、太阳检测模块、位置控制模块、驱动模块、最大功率点控制模块、最大功率点跟踪模块和电源模块，预启动模块和太阳检测模块均由光探头电路组成；位置控制模块和最大功率点控制模块均由单片机电路和16位中断电路组成；驱动模块由直流电机驱动电路组成；最大功率点跟踪模块由太阳能电池板电路和具有MPPT功能的电路组成。该方法是在垂直和水平方向上跟踪太阳位置，驱动太阳能电池板与光线垂直，再采用扰动观察法来跟踪太阳能电池板输出功率最大点，将转化出来的太阳能最大化利用。本发明能有效提高太阳能的利用效率，且结构简单、成本低，有良好的应用推广价值。

Description

一种太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置和方法

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，尤其涉及一种太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置和方法。

背景技术

太阳能被视为是全世界最丰富和最具发展潜力的可再生能源，其具有清洁无污染的优点，其开发利用一直受到世界各国的广泛重视。太阳能利用***主要通过收集、储存和转换来实现太阳能的利用，然而在实际应用中它存在着间隙性光照方向强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。据试验，在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪***的发电设备要比固定发电设备的发电量提高35％，成本下降25％。因此，在太阳能利用中，使用跟踪***是很有必要的，这也使太阳能跟踪***成为近年来的研究热点。

申请号为201020130889.2的中国实用新型专利公开了一种太阳光自动追踪***，该***包括底座、支柱、定位轴轮、太阳能电池板、电动机、转动轴、太阳光检测器件、控制模块及储能装置，支柱固设于底座上，该支柱顶部设有定位轴轮，电动机亦设置于底座上，并通过驱动传动齿轮带动转动轴转动，该转动轴与太阳能电池板固定连接，太阳光检测器件包括外部检测器和内部检测器，控制模块设置于太阳能电池板下部并通过导线与太阳光检测器件、电动机及定位轴轮相连接，并通过导线将太阳能转化的电能传导到外部的储能装置内。在该专利中，当放置在太阳能电池板外面的外部检测器检测到有太阳光时，即发出信号给控制模块，再由控制模块发出控制信号启动电动机，进而驱动传动齿轮带动转动轴，从而带动太阳能电池板也一起转动进而改变太阳能电池板的朝向。采用本装置存在以下问题：(1)该装置仅能在方位角上进行跟踪，不能在太阳和地平面之间的高度角上进行调整，存在着跟踪精度不高、累积误差大的缺点；(2)该装置在太阳位置调整完毕后，就开始太阳能的采集，不再对太阳能板输出功率进行跟踪，采用这种方法并没有实现太阳能板输出功率的最大化。

因此，研究一种跟踪精度高、应用效果稳定且能将太阳能最大化转化的太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置和方法具有极高的理论和实际意义。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其具有跟踪精度高、应用效果稳定，能将太阳能最大化转化的优点。

本发明的另一个目的是提供一种基于上述装置的太阳能板最大功率点双轴自动追踪方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，包括用于确定是否启动追踪***的预启动模块、用于检测当前太阳位置和光强度的太阳检测模块、用于根据太阳检测模块信息对驱动模块发出控制信号的位置控制模块、用于驱动外部机械执行机构使太阳能电池板和太阳光线垂直的驱动模块、用于接收位置控制模块所发出的启动信号并控制太阳能电池板仅在其最大功率点处对外输出电能的最大功率点控制模块、用于太阳能电池板输出功率最大点跟踪的最大功率点跟踪模块、用于对各模块进行供电的电源模块，所述预启动模块和太阳检测模块均由光探头电路组成；所述位置控制模块和最大功率点控制模块均由单片机电路和16位中断电路组成；所述驱动模块由直流电机驱动电路组成；所述最大功率点跟踪模块由太阳能电池板电路和具有MPPT功能的电路组成；所述电源模块由电源开关电路组成；预启动模块、太阳检测模块、位置控制模块、驱动模块和外部机械执行机构依次连接，位置控制模块、最大功率点控制模块和最大功率点跟踪模块依次连接，电源模块与各模块连接；所述最大功率点控制模块通过导线与外部储能装置相连。

所述预启动模块中的光探头电路由四个光敏二极管组成，用于在光线照到任意一个光敏二极管上时，向外输出低电平信号给电源模块和太阳检测模块。

所述太阳检测模块中的光探头电路的主电路由光敏电阻组成，分为九个区域，每一区域并联若干个光敏电阻，相邻区域的光敏电阻互相独立；该电路的电路板为圆形封闭装置，只在圆心处开有一垂直的孔。当光线通过该孔照到区域内任一电阻上时，会造成该区域电阻迅速减小，从而使总电阻迅速减小，从而引起电压的变化。

所述位置控制模块和最大功率点控制模块中的单片机采用ATMega16单片机，16位中断电路采用74LS148和74LS08两种芯片。采用上述单片机和中断电路可以使中断数量能够满足应用的要求。

所述16位中断电路中的74LS148芯片是8-3线优先编码器，74LS08芯片是四个二输入与门，该中断电路的优先级从16-1端依次递减。

所述驱动模块中的直流电机采用NE555D和TLP559为核心的驱动电路，其具有带负荷能力强、调节控制方便等特点。

所述最大功率点跟踪模块中具有MPPT功能的电路由BOOST电路和BOOST-BUCK电路串联组成，包括电流取样、电压取样及驱动电路和PWM控制器，用两路PWM控制串联的BOOST电路和BOOST-BUCK电路，从其中第一级BOOST电路进行电流取样，并分别驱动BOOST电路和BOOST-BUCK电路。

所述电源模块由电源开关电路组成，电源开关电路包括蓄电池和与蓄电池连接的稳压电路。

一种基于上述装置的太阳能板最大功率点双轴自动追踪方法，包括以下步骤

(1)预启动：判断预启动模块中的光探头电路是否有低电平信号输出，若有，则将信号传递给电源模块，电源模块开始对整个追踪***进行供电，同时开始启动太阳检测模块；

(2)太阳位置跟踪：太阳检测模块将检测到的当前太阳的位置和光照强度信息传递给位置控制模块，位置控制模块将这些信息与当前太阳能板的位置信息进行比对，得到使太阳能板垂直于太阳光线所需移动的水平方向和垂直方向上的位移信息，然后将该信息发送至驱动模块，驱动模块分别根据水平方向和垂直方向上的位移信息驱动水平和垂直两个方向上的直流电机进行调整，从而带动外部机械执行机构进行移动；待移动完毕实现太阳能板垂直于太阳光线后，驱动模块将直流电机停止移动的信号反馈给位置控制模块，位置控制模块将此信号传递给最大功率点控制模块，用于开始最大功率点的跟踪；

(3)最大功率点跟踪：最大功率点控制模块在收到位置控制模块传送来的直流电机停止移动信号后，最大功率点跟踪模块开始进行控制，采用的控制方法为扰动观察法，具体为：通过对最大功率点跟踪模块中具有MPPT功能的电路施加扰动，改变太阳能电池板的工作状态，然后实时观察和计算太阳能电池板输出功率的大小，将计算结果与前一时间点进行比较，以此为依据或维持或改变控制下一步扰动的方向，从而使得太阳能电池板的输出最终稳定在最大功率点附近；待输出功率稳定后，最大功率点控制模块控制太阳能电池板仅在其最大功率点处对外输出电能；

(4)电能输出：在太阳能电池板的输出稳定在最大功率点附近时，最大功率点控制模块通过导线将太阳能转化的电能传到到外部的储能装置内。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板方向，在垂直方向轴跟踪太阳方位角，水平方向轴跟踪太阳高度角，将太阳能最大化转化，提高太阳能的采集率。

2、本发明利用具有MPPT功能的电路采用扰动观察法来跟踪最大功率点，可以使***在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳能电池的最大功率，将转化出来的太阳能最大化利用，并且可以较灵活的设置占空比大小，并可容易的选取器件。另外即使在输入电压瞬间过低时，本电路也能输出正常电压，满足需要大功率的开关电源电路。

3、本发明结构简单、成本低，适用于山地果园、农业生态园区以及其它缺乏有源电源供给，可以利用太阳能资源应用的领域，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的环境，有很高的推广价值。

附图说明

图1是本发明装置的功能结构示意图；

图2是本发明装置的外部机械执行机构示意图；

图3是本发明装置中预启动模块的电路图；

图4是本发明装置中太阳检测模块的光探头电路图；

图5是本发明装置中太阳检测模块的光探头电路模型图；

图6是本发明装置中控制模块的单片机工作电路图；

图7是本发明装置中控制模块的16位中断电路图；

图8是本发明装置中驱动模块的直流电机驱动电路图；

图9是本发明装置中跟踪模块的MPPT电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，包括用于确定是否启动追踪***的预启动模块、用于检测当前太阳位置和光强度的太阳检测模块、用于根据太阳检测模块信息对驱动模块发出控制信号的位置控制模块、用于驱动外部机械执行机构使太阳能电池板和太阳光线垂直的驱动模块、用于接收位置控制模块所发出的启动信号并控制太阳能电池板仅在其最大功率点处对外输出电能的最大功率点控制模块、用于太阳能电池板输出功率最大点跟踪的最大功率点跟踪模块、用于对各模块进行供电的电源模块，所述预启动模块和太阳检测模块均由光探头电路组成；所述位置控制模块和最大功率点控制模块均由单片机电路和16位中断电路组成；所述驱动模块由直流电机驱动电路组成；所述最大功率点跟踪模块由太阳能电池板电路和具有MPPT功能的电路组成；所述电源模块由电源开关电路组成；预启动模块、太阳检测模块、位置控制模块、驱动模块和外部机械执行机构依次连接，位置控制模块、最大功率点控制模块和最大功率点跟踪模块依次连接，电源模块与各模块连接；所述最大功率点控制模块通过导线与外部储能装置相连。

如图2所示，为本发明装置驱动模块驱动的外部机械执行机构的结构示意图，该装置的底板11上设置有4个安装孔9，底板11通过这些安装孔9与地面固定连接，在底板11上放置有水平圆周方向调整直流电机8，该电机与水平方向旋转轴6连接，用于使顶部的太阳能电池板1进行水平面内的旋转，太阳能电池板1设置在水平方向旋转轴6的顶端，在太阳能电池板1背对太阳的一侧安装有垂直方向调整直流电机5、垂直方向旋转轴2、垂直方向旋转限位固定杆3和半圆形齿轮条4。在位置控制模块将所需调整位置信息传递给驱动模块后，驱动模块分别将水平方向和垂直方向信息传递给水平圆周方向调整直流电机8和垂直方向调整直流电机5，水平圆周方向调整直流电机8驱动水平方向旋转轴6进行转动，从而移动到指定位置；垂直方向调整直流电机5驱动垂直方向旋转轴2进行旋转，带动半圆形齿轮条4进行转动，从而使上部的太阳能电池板1产生俯仰运动，待旋转到指定位置后，通过垂直方向旋转限位固定杆3对太阳能电池板1进行固定。在上述定位过程中均由底端设置的电控箱7对各部件进行供电。另外，为了保证安全和减少外界影响，在水平圆周方向调整直流电机上设置了防护罩10。

如图3所示，所述预启动模块中的光探头电路由四个光敏二极管组成，用于在光线照到任意一个光敏二极管上时，向外输出低电平信号给电源模块和太阳检测模块。其工作原理如下：四个光敏二极管通过导线分别接在如图3所示的P19到P22接口。当把四个电位器的阻值调到合适时，一旦光线照到光敏二极管上时，对应的电位器的电压就会大于3伏，即输到CD40106芯片的电压为高电平，经过CD40106的整形和反相后，输出标准的电平信号。然后这四路信号再经过一个四输入的与门——74LS21输出最终的判断信号。四个光敏二极管任何一个被光线照射到，74LS21的输出都是低电平，表明***检测到阳光，开始供电工作。

如图4和图5所示，所述太阳检测模块中的光探头电路的主电路由光敏电阻组成，分为九个区域(0，1，2，3，4，A，B，C，D)，每一区域并联若干个光敏电阻，相邻区域的光敏电阻互相独立；该电路的电路板为圆形封闭装置，只在圆心处(0区正上方)开有一垂直的孔。当光线通过该孔照到区域内任一电阻上时，会造成该区域电阻迅速减小，从而使总电阻迅速减小，从而引起电压的变化，从而使A点的电势发生变化。当把电位器的阻值调到合适值时，光照在光敏电阻上时，A点的电势大于3V。TCL374芯片是一个电压比较器。当A点的电势大于3V时，其输出是一个高电平。这高电平再经过CD 40106芯片反相，最终在输出端输出一个低电平。

位置控制模块和最大功率点控制模块均由单片机电路和16位中断电路组成，单片机采用如图6所示的ATMega16型单片机，16位中断电路采用如图7所示的74LS148芯片和74LS08芯片。单片机的输出端口与驱动模块中直流电机驱动电路的输入端口连接。

单片机根据光探头电路检测出的太阳当前位置，从而驱动直流电机使太阳能电池板正对着太阳，有效地提高了太阳能的利用率。本实施例的核心工作电路采用ATMega16型单片机，其单片机最小***电路如图6。其中单片机I/O输入端口包括PC0-PC7和PD7九个输入端口，PB0-PB7为输出端口，连接直流电机驱动电路。

由于单片机ATMega16内部的中断远远达不到本***的中断数量要求，因此本***在单片机外部需添加一个中断控制电路，如图5所示。该中断电路采用的是74LS148芯片和74LS08芯片。74LS148芯片221是8-3线优先编码器，74LS08芯片222是四个二输入与门。该中断电路的优先级从16-1端依次递减。16-1端与光探头电路的对应关系如下表：

表1终端接口与光探头对应关系

如图8所示，所述直流电机采用NE555D和TLP559为核心的驱动电路，其具有带负荷能力强、调节控制方便等特点。

所述跟踪模块由太阳能电池板和具有MPPT功能的电路组成，其中具有MPPT功能的电路由BOOST电路和BOOST-BUCK电路串联组成，BOOST电路和BOOST-BUCK电路如图9所示，具有MPPT功能的电路包括电流取样、电压取样及驱动电路和PWM控制器，用两路PWM控制串联的BOOST电路和BOOST-BUCK电路，从其中第一级BOOST电路进行电流取样，并分别驱动BOOST电路和BOOST-BUCK电路，其中BOOST电路用于进行最大功率点跟踪。BOOST电路以电感电流源方式向负载放电实现负载电压升高的目的，结构简单，开关管驱动电路设计简单。BOOST-BUCK电路输入端工作在断续状态，在太阳能电池阵列输出端并联储能电容以保证太阳能电池阵列输出电流的连续。当功率器件关断时，太阳能电池阵列对储能电容充电，使太阳能电池阵列始终处于发电状态。通过调节BOOST-BUCK电路的占空比实现调节太阳能电池阵列输出平均功率的目的，从而实现对太阳能电池阵列的MPPT功能。

本实施例中所述电源模块由电源开关电路组成，电源开关电路包括蓄电池和与蓄电池连接的稳压电路。

一种基于上述装置的太阳能板最大功率点双轴自动追踪方法，包括以下步骤：

(1)预启动：判断预启动模块中的光探头电路是否有低电平信号输出，若有，则将信号传递给电源模块，电源模块开始对整个追踪***进行供电，同时开始启动太阳检测模块度；

(2)太阳位置跟踪：太阳检测模块将检测到的当前太阳的位置和光照强度信息传递给位置控制模块，位置控制模块将这些信息与当前太阳能板的位置信息进行比对，得到使太阳能板垂直于太阳光线所需移动的水平方向和垂直方向上的位移信息，然后将该信息发送至驱动模块，驱动模块分别根据水平方向和垂直方向上的位移信息驱动水平和垂直两个方向上的直流电机进行调整，从而带动外部机械执行机构进行移动；待移动完毕实现太阳能板垂直于太阳光线后，驱动模块将直流电机停止移动的信号反馈给位置控制模块，位置控制模块将此信号传递给最大功率点控制模块，用于开始最大功率点的跟踪；

(3)最大功率点跟踪：最大功率点控制模块在收到位置控制模块传送来的直流电机停止移动信号后，最大功率点跟踪模块开始进行控制，采用的控制方法为扰动观察法，具体为：通过对最大功率点跟踪模块中具有MPPT功能的电路施加扰动，改变太阳能电池板的工作状态，然后实时观察和计算太阳能电池板输出功率的大小，将计算结果与前一时间点进行比较，以此为依据或维持或改变控制下一步扰动的方向，从而使得太阳能电池板的输出最终稳定在最大功率点附近；待输出功率稳定后，最大功率点控制模块控制太阳能电池板仅在其最大功率点处对外输出电能；

(4)电能输出：在太阳能电池板的输出稳定在最大功率点附近时，最大功率点控制模块通过导线将太阳能转化的电能传到到外部的储能装置内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其特征在于，包括用于确定是否启动追踪***的预启动模块、用于检测当前太阳位置和光强度的太阳检测模块、用于根据太阳检测模块信息对驱动模块发出控制信号的位置控制模块、用于驱动外部机械执行机构使太阳能电池板和太阳光线垂直的驱动模块、用于接收位置控制模块所发出的启动信号并控制太阳能电池板仅在其最大功率点处对外输出电能的最大功率点控制模块、用于太阳能电池板输出功率最大点跟踪的最大功率点跟踪模块、用于对各模块进行供电的电源模块，所述预启动模块和太阳检测模块均由光探头电路组成；所述位置控制模块和最大功率点控制模块均由单片机电路和16位中断电路组成；所述驱动模块由直流电机驱动电路组成；所述最大功率点跟踪模块由太阳能电池板电路和具有MPPT功能的电路组成；所述电源模块由电源开关电路组成；预启动模块、太阳检测模块、位置控制模块、驱动模块和外部机械执行机构依次连接，位置控制模块、最大功率点控制模块和最大功率点跟踪模块依次连接，电源模块与各模块连接；所述最大功率点控制模块通过导线与外部储能装置相连。

2.根据权利要求1所述的太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其特征在于，所述预启动模块中的光探头电路由四个光敏二极管组成，用于在光线照到任意一个光敏二极管上时，向外输出低电平信号给电源模块和太阳检测模块。

3.根据权利要求1所述的太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其特征在于，所述太阳检测模块中的光探头电路的主电路由光敏电阻组成，分为九个区域，每一区域并联若干个光敏电阻，相邻区域的光敏电阻互相独立。

4.根据权利要求3所述的太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其特征在于，所述太阳检测模块中的光探头电路的电路板为圆形封闭装置，只在圆心处开有一垂直的孔。

5.根据权利要求1所述的太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其特征在于，所述位置控制模块和最大功率点控制模块中的单片机采用ATMega16单片机，16位中断电路采用74LS148和74LS08两种芯片。

6.根据权利要求1所述的太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其特征在于，所述16位中断电路中的74LS148芯片是8-3线优先编码器，74LS08芯片是四个二输入与门，该中断电路的优先级从16-1端依次递减。

7.根据权利要求1所述的太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其特征在于，所述驱动模块中的直流电机采用NE555D和TLP559为核心的驱动电路。

8.根据权利要求1所述的太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其特征在于，所述最大功率点跟踪模块中具有MPPT功能的电路由BOOST电路和BOOST-BUCK电路串联组成，包括电流取样、电压取样及驱动电路和PWM控制器，用两路PWM控制串联的BOOST电路和BOOST-BUCK电路，从其中第一级BOOST电路进行电流取样，并分别驱动BOOST电路和BOOST-BUCK电路。

9.根据权利要求1所述的太阳能板最大功率点双轴自动追踪装置，其特征在于，所述电源模块由电源开关电路组成，电源开关电路包括蓄电池和与蓄电池连接的稳压电路。

10.一种基于上述装置的太阳能板最大功率点双轴自动追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预启动：判断预启动模块中的光探头电路是否有低电平信号输出，若有，则将信号传递给电源模块，电源模块开始对整个追踪***进行供电，同时开始启动太阳检测模块度；

(2)太阳位置跟踪：太阳检测模块将检测到的当前太阳的位置和光照强度信息传递给位置控制模块，位置控制模块将这些信息与当前太阳能板的位置信息进行比对，得到使太阳能板垂直于太阳光线所需移动的水平方向和垂直方向上的位移信息，然后将该信息发送至驱动模块，驱动模块分别根据水平方向和垂直方向上的位移信息驱动水平和垂直两个方向上的直流电机进行调整，从而带动外部机械执行机构进行移动；待移动完毕实现太阳能板垂直于太阳光线后，驱动模块将直流电机停止移动的信号反馈给位置控制模块，位置控制模块将此信号传递给最大功率点控制模块，用于开始最大功率点的跟踪；

(3)最大功率点跟踪：最大功率点控制模块在收到位置控制模块传送来的直流电机停止移动信号后，最大功率点跟踪模块开始进行控制，采用的控制方法为扰动观察法，具体为：通过对最大功率点跟踪模块中具有MPPT功能的电路施加扰动，改变太阳能电池板的工作状态，然后实时观察和计算太阳能电池板输出功率的大小，将计算结果与前一时间点进行比较，以此为依据或维持或改变控制下一步扰动的方向，从而使得太阳能电池板的输出最终稳定在最大功率点附近；待输出功率稳定后，最大功率点控制模块控制太阳能电池板仅在其最大功率点处对外输出电能；

(4)电能输出：在太阳能电池板的输出稳定在最大功率点附近时，最大功率点控制模块通过导线将太阳能转化的电能传到到外部的储能装置内。

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