CN109542129B - 一种太阳能光伏二维自动跟踪控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太阳能光伏二维自动跟踪控制***，传感器与太阳能光电板平行安装，实际测量并计算太阳能光电板的俯仰角和朝向方位数据反馈给智能计算存储单元MCU，先在智能计算存储单元中存入了使用地点全年度中每天的经验日出、日落和天黑的时间、光照度数据，光照度和要大于设定值，默认2.0V，通过公式计算出理论位置，按照控制***自动跟踪模式下的程序流程，智能计算存储单元读取滴胶板输出的电压数据，将设定的阈值与传感器电压数据对比，判断晴天或阴天，并在晴天、阴天模式中自由切换；装置结构紧凑，稳定性高，扩展性高，减少启动电流对电机的伤害，精确定位太阳直射方向提高发电效率。实现平稳、高效、智能化的光伏发电模式。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用的光热采集设施，一种能够实现自动跟踪太阳直射角度的自动控制装置，应用于光伏发电要求效率较高的有二维运动功能的光热采集设备。
背景技术
现有用于太阳能光伏发电装置的自动跟踪控制***中的结构、控制电路、传感器形式是：
1、固定在无自由度和水平转动方式
目前比较常见的一种光伏发电模式是采用正南向45度仰角放置太阳能光电板。由于这样的摆放形式切设备无自由度无法转动，因此只有在夏季10点至14点能达到额定发电量。这种方案优点在于成本低和安装方便。缺点在于发电量不稳定，运行时间受限，在冬季极端条件下发电量大幅下降等缺点。也有太阳能光电板支架可以水平旋转，可以实现对太阳方位的跟随。部分程度上解决的太阳方位变化带来的发电量不稳的问题。
2、继电器和场效应管的电机控制
随着太阳能电池板的尺寸加大，所需的电机扭矩也会随之增大。采用继电器控制电机时在电机启动和停止的瞬时电流会达到额定电流的3~6倍，经常会出现烧毁保险丝甚至损坏电机的情况。场效应管同样有无法抑制启动电流瞬间增大的缺点，频繁启动和停止容易导致场效应管损坏，在实际应用中极大缩短了设备的寿命。
3、传感器的作用
目前太阳能自动跟踪***从控制方法看主要以光强控制方法为主，测光采用投影识别装置、包括不透光挡板、和转动装置，不透光挡板垂直在投影识别装置箱体的上底面上，投影识别装置箱体内设有用于识别不透光挡板投影的投影识别装置，投影识别装置箱体设在转动装置上，测量出的结果与太阳的实际高度角、水平角的误差在5°范围内。现有的太阳能跟踪传感器，只有两个滴胶板中间竖立一个遮光板。哪个滴胶板电压大就往那边转，转到相等就停下来！这种方式只有在日光充足的天气情况下才能正常运转，且没有位置反馈的功能。
发明内容
本发明的目的是提供名称一种太阳能光伏二维自动跟踪控制***，使集热器精确对准太阳直射位置的自动换向装置，能够解决现有问题。
一种太阳能光伏二维自动跟踪控制***，包括用于太阳能光电板转向的电机控制芯片、传感器、智能计算存储单元和操作器，其特征在于传感器与太阳能光电板平行安装，实际测量并计算太阳能光电板的俯仰角和朝向方位数据反馈给智能计算存储单元MCU，智能计算存储单元中有计算程序，先在智能计算存储单元中存入了使用地点全年度中每天的经验日出、日落和天黑的时间、光照度数据，光照度度之和要大于设定值，默认2.0V，通过公式计算出理论位置，按照控制***设计的自动跟踪模式下的程序流程，智能计算存储单元读取滴胶板输出的电压数据，将理论计算日出日落时间、日照光度设定的阈值与传感器实时测算输出电压数据对比，判断晴天或阴天，并在晴天、阴天模式中自由切换；传感器的太阳能滴胶板在充分日照时输出额定电压3V，四块滴胶板在阳光充足时合计输出12V，标准是根据实际测量和经验总结，清晨合计大于1.6V时视为日出，傍晚合计小于0.8V时视为日落，白天合计小于2.0V时视为阴天；这个参数根据当地情况进行调整；经过判断，理论数值与传感器数据一致时，判断为晴天模式、按传感器数据定位光电板，判断为阴天则按智能计算存储单元计算的理论数值跟踪；当遮光罩遮挡住垂直底面的某一块滴胶板时，此滴胶板的输出电压会因遮挡的程度不同有所降低，根据四块滴胶板输出电压的差距判断太阳的具体方位；MPU6050六轴传感器反馈太阳能板所处的姿态，只用来和本控制***智能计算单元程序演算出的姿态做对比校正；理论数值与传感器数据不一致时，判断当前光电板与太阳位置，并控制***使动某向电机进行动作，调整至对比数据没有差距，如果智能计算程序演算的姿态与传感器反馈的姿态有大幅差距，就表示智能计算程序演算出错甚至存在越过限位危险，需要停止运行或等待人工处理；当跟踪成功时，控制***保持当前位置延迟一段时间，智能计算存储单元再返回通过公式计算出理论位置，或再返回重复读取滴胶板输出的电压；
阴天的计算公式大致为：
单位行程＝总行程/(日落时间–日出时间)；
推算位置＝单位行程*(当前时间–日出时间)；
根据推算位置调整光电板的当前位置，其中总行程根据季节会有不同的变化；传感器结构：半球体透明外罩与圆底板边缘结合，圆底板中心固定空心正方体的遮光罩，罩内有传感器电路板用以测量反馈角度、电路板连接MUC，遮光罩四立面底边分别放置四个太阳能滴胶板、面向东西南北四个方向，电路中四块滴胶板背面各有两个正负极触点焊接在PCT板上，传感器的电路板有独立电源模块，传感器电路板的+5V，来自电器元件控制板的电源模块，通过线缆、连接器连接传感器电路板。
本发明的太阳能光伏二维自动跟踪控制***，从设备驱动配置上采用的LMD18200的PWM驱动方式，不需要使用继电器，具有电流反馈和程序调控转速的功能，可以实现缓起缓停，有效的减小启动电流对电机的伤害。显著优越性体现在：1.解决了继电器控制和场效应管控制电机寿命低、可靠性差的问题。
2.解决现有传感器密封的问题，角度、朝向的反馈问题。传感器外罩和立体遮光罩是按本发明的设计定制的。
3.本太阳能光伏二维自动跟踪控制***中的程序具备学习能力，可根据以往的太阳轨迹计算未来的跟踪策略。简单说，晴天直接按照传感器数据跟踪，阴天按控制***计算数据跟踪。这样能保证在阴天或光照不充足的情况下，使光电板找到最大的日照角度。
与现有技术相比，本发明太阳能二维自动跟踪控制***和装置结构紧凑，稳定性高，扩展性高、可有效减少启动电流对电机的伤害、可以精确定位太阳直射方向提高发电效率，实现平稳、高效、智能化的光伏发电模式。
本产品已经在实际运行中小规模试用。实际使用中传感器外壳用透明的亚克力材质制成半球形，可阻挡风雪和雨水等对电路板的侵蚀，也避免了光折射带来的数据失真。
电机控制芯片LMD18200额定电流3A，控制***对单个电机的电流为3A。电机最大75W。采用控制器PWM驱动方式，不需要使用继电器，具有电流反馈和程序调控转速的功能，可以单独控制一台直流电机，实现缓起缓停，有效地减小启动电流对电流和电机的伤害。
附图说明
图1是传感器结构示意剖视图；
图2是传感器结构俯视图；
图3是传感器电路示意图；
图4是自动跟踪模式下的阴天模式程序流程框图；
图5是电机控制芯片电路原理图；
图6是二维自动跟踪控制***中对太阳能光电板姿态的演算程序框图；
图7是自动跟踪模式下的程序流程框图；
图8是自动跟踪模式下的晴天模式程序流程框图；
图9是自动跟踪模式下的晴天模式程序流程框图。
具体实施方式
这种太阳能光伏二维自动跟踪控制***，包括用于太阳能光电板转向的电机控制芯片、传感器、智能计算存储单元和操作器，其特征在于传感器与太阳能光电板平行安装，实际测量并计算太阳能光电板的俯仰角和朝向方位反馈给智能计算存储单元，智能计算存储单元中有计算程序，按照设计的自动跟踪模式下的程序流程，控制***将内存中各省地区的日出日落时间、日照光度设定的阈值与传感器实时测算输出电压数据对比，判断晴天或阴天，并在晴天阴天模式中自由切换；智能计算存储单元中计算程序的算法中的几个原则：
1)当传感器“东”“西”的数值趋近，“南”“北”的数值也趋近时，视为跟踪成功，这时设备受到最大的光照。
2)在日出和日落的时间点上，跟踪成功后设定当前位置为行程的起点和终点。
3)在晴天较多的天数中，一次运行周期会被视为“标准周期”。晴天更多，更接近当天的周期会被替换为“标准周期”。
4)“总行程”为标准周期中的起点到终点的距离。
本发明的传感器，由四块滴胶板、遮光板和六轴加速度传感器MPU6050组成，见图1传感器结构图，其特征在于传感器结构：传感器外形是半球体，半球体透明外罩1与圆底板3边缘结合，圆底板3中心固定空心正方体的遮光罩4，不透明黑色，遮光罩4内的底板上有传感器MPU6050芯片电路板5用以测量反馈角度、电路板右下角PIN10的接插件，用以线缆连接与MUC通信。见图2，遮光罩4四立面底边分别放置四个太阳能滴胶板2、面向东西南北四个方向，电路中四块滴胶板T1～T4背面有两个正负极触点焊接在PCT板上，传感器的电路板5是独立供电的，传感器电路板的+5V，来自电器元件控制板的电源模块，通过线缆、连接器连接传感器电路板的供电。传感器电路接线关系，见图3：线缆通过连接器将电源+5V和GND接入，再通过RT9193转换成+3.3V供MPU6050使用。滴胶板T1、T2、T3、T4负极脚为公共端都接GND，正极10K电阻下拉通过连接器接在驱动程序MCU单片机STM32的AD转换上。传感器MPU6050通过IIC SDA连接到STM32的IIC上。要注意IIC要上拉4.7K电阻，避免信号在传输时失真。太阳能滴胶板在充分日照时输出额定电压3V，中间有正方体遮光罩，当遮挡住垂直底面的某一块滴胶板时，此滴胶板的输出电压会因遮挡的程度不同有所降低，根据四块滴胶板输出电压的差距判断太阳的具体方位。
MPU6050六轴传感器可以反馈太阳能板所处的姿态。正常情况下只用来和本控制***智能计算单元程序演算出的姿态做对比校正。如果智能计算程序演算的姿态与传感器反馈的姿态有大幅差距，就表示演算出错甚至存在越过限位等危险，需要停止运行或等待人工处理。
图4为本控制***的基本电路框图，本太阳能光伏二维自动跟踪控制***的操作器，有显示屏、按键，其特征在于显示屏和按键设置在壳体正面，壳体侧面有传感器接口、限位器接口、调试接口，壳体内设置微控制单片机MUC，单片机STM32、两个方向的电机控制模块、纽扣电池、各接口，除电源模块，所有器件的电路连通。电源模块在电气元件控制板上。液晶屏为3.5寸TFT屏，按键可以完成手动操作，修改已经录入程序的参数。按键从上到下的功能为上一页、下一页、确定、退出、北/上、/南下、西/左、东/右。调试接口用于微控制单片机MUC和上位机的通讯，程序下载等。纽扣电池供掉电后的RTC时钟计时。目前电源使用24V开关电源为电路板和电机供电。限位接口有预留可以接风速风向传感器。
直流电机最大功率75W，直流电机控制控制芯片LMD18200额定电流3A，控制***对单个电机的电流为3A。特点：1.具有电源指示，2.转速可调，3.抗干扰能力强，4.具有续流保护，5.可单独控制一台直流电机，6.PWM控制器脉宽平滑调速，7.可实现正反转。
六轴传感器,六轴是指陀螺仪、加速度的各自XYZ轴状态,采用的MPU6050是一种运动处理组件，可检测X轴，Y轴和Z轴的旋转角度。见网上MPU6050电路如图3，按照MPU6050的芯片数据手册和用户手册可以读取出X、Y、Z的陀螺仪和加速度的数据，再通过开源算法运算出俯仰角和朝向。本发明将六轴传感器与太阳能光电板平行安装，即可测量并计算太阳能光电板的俯仰角和朝向方位反馈给控制***中微控制单元MCU。本发明控制***的微控制单片机MCU采用型号为STM32F103，有足够的计算速率和储存空间，用于对比、演算传感器采集的数据。控制姿态使动部分的方案采用的LMD18200的控制器PWM驱动方式，不需要使用继电器，具有电流反馈和程序调控转速的功能，可以单独控制一台直流电机，实现缓起缓停，有效地减小启动电流对电机的伤害。图5为直流电机驱动器LMD18200的原理图。引脚1外接电容C12、引脚11外接电容C17，可以提高工作稳定性。引脚3为方向输入，利用高低电平控制正转和反转。引脚4为刹车输入端，高电平刹车。引脚8输出电流反馈信号，通过电阻R23下拉2.7K电阻转换成电压信号。通过TP点输入单片机的AD转换引脚的数据进行判断，AD转换是模拟量转换数字量，如果电机电流未超过额定电流，视为正常运行。这里驱动方式利用了LMD18200的引脚5PWM_INPUT输入脉冲PWM的占空比来控制电机速度，PWM为单片机输出，频率在25K到40K之间。而不是传统的靠加大电流启动电机，电机启动功率是电机转速需要2秒的时间从0％转速加速到100％转速，占空比从0％～100％的变化对应电机速度从0％～100％的变化，因此有效的降低了启动电流。电机停止时同理。电流反馈为LMD18200芯片的基本功能之一。
控制光电板运行的姿态演算程序流程如图6，程序首次运行启动自检模式，然后向东运行至东限位、向西运行至西限位并开始计时；运行至西限位记录运行时间PWM的周期数据，退出自检模式。流程图6中只给出东西向的流程，南北向同理。
图7是控制***的自动跟踪模式下的程序流程，先在智能计算存储单元中存入了当地经验日出、日落和天黑的时间、光照度数据，再结合传感器实时采集并传给控制***的合计电压数据，即用传感器的四块滴胶板合计输出电压值与本***数据进行对比判断，经过判断，***内存数据与传感器数据一致的话，如晴天时，算是按传感器数据定位，阴天就按计算控制***数据跟踪。
智能计算存储单元中存入太阳能光电板使用地点全年度中每天的日出、日落和天黑的时间数据，原始数据可通过richurimo.51240.com中各省份的详细日出日落时间作参考。传感器的四块滴胶板在阳光充足时合计输出12V，标准是根据实际测量和经验总结，光照度清晨合计大于1.6V时视为日出，傍晚合计小于0.8V时视为日落，白天合计小于2.0V时视为阴天。这个参数可以根据当地情况进行调整。智能计算存储单元中的控制程序会根据传感器返回电压值对比程序中已存日出日落的设定阀值，判断晴天和阴天，并在晴天阴天模式中自由切换。图8为晴天模式的程序流程图，智能计算存储单元中存入晴天模式程序，使用地点全年度中每天的日出、日落和天黑的时间数据，光度合要大于设定值，默认2.00V，读取滴胶板输出的电压值，进行对比是否有电压差？有的话，判断太阳位置，如果东西向，并且太阳在偏东的位置，则控制***使动电机进行动作，调整方向直到东西方向的数据没有差距，南北同理；对比是否有电压差时，如果没有差距的话，控制***保持当前问题延迟一段时间，再返回重复读取滴胶板输出的电压。
滴胶板“东”“西”为一组，“南”“北”为一组，安装在东面的太阳能面滴胶板输出的电压，简略为“东”。对比中会考虑到由于取样带来的误差，只有当差距大于设定值(默认为0.2V)时，才会开始动作。
图9为阴天模式的程序流程图，先在智能计算存储单元中存入了当地经验日出、日落时间、光照度数据，光度合要大于设定值，默认2.00V，通过公式计算出理论位置，推算当前位置，判断理论位置和当前位置是否有偏差？有的话，则控制***使动电机进行动作，调整到理论位置；如果没有差距的话，控制***保持当前位置延迟一段时间，再返回通过公式计算出理论位置，判断当前位置；
阴天的计算公式为：
单位行程＝总行程/(日落时间–日出时间)；
推算位置＝单位行程*(当前时间–日出时间)；
根据推算位置调整光电板的当前位置。其中总行程根据季节会有不同的变化。
智能计算存储单元中计算程序算法中的几个原则：
1.当传感器“东”“西”的数值趋近，“南”“北”的数值也趋近时，视为跟踪成功，这时设备受到最大的光照。
2.在日出和日落的时间点上，跟踪成功后设定当前位置为行程的起点和终点。
3.在晴天较多的天数中，一次运行周期会被视为“标准周期”。晴天更多，更接近当天的周期会被替换为“标准周期”。是因为这个“标准周期”中，光电板位置已经对准了太阳，要在这个最大发电量的状态停留一段时间。
4.“总行程”为标准周期中的起点到终点的距离。
本发明的应用实例，在辽宁省沈阳市海盛路沈阳盛博节能设备有限公司厂区内有6台正在运行的设备，从2016年开始运行至今。
Claims (4)
1.一种太阳能光伏二维自动跟踪控制***，包括用于太阳能光电板两向转动的电机及控制芯片、传感器、智能计算存储单元和操作器，其特征在于传感器与太阳能光电板平行安装，实际测量并计算太阳能光电板的俯仰角和朝向方位数据反馈给智能计算存储单元MCU，智能计算存储单元中有计算程序，先在智能计算存储单元中存入了使用地点全年度中每天的经验日出、日落和天黑的时间、光照度数据，光照度度之和要大于设定值，默认2.0V，通过公式计算出理论位置，按照控制***设计的自动跟踪模式下的程序流程，智能计算存储单元读取滴胶板输出的电压数据，将理论计算日出日落时间、日照光度设定的阈值与传感器实时测算输出电压数据对比，判断晴天或阴天，并在晴天、阴天模式中自由切换；传感器的太阳能滴胶板在充分日照时输出额定电压3V，四块滴胶板在阳光充足时合计输出12V，标准是根据实际测量和经验总结制订；清晨合计大于1.6V时视为日出，傍晚合计小于0.8V时视为日落，白天合计小于2.0V时视为阴天，这些参数根据当地情况进行调整；经过判断，理论数值与传感器数据一致时，判断为晴天模式、按传感器数据定位光电板，判断为阴天则按智能计算存储单元计算的理论数值跟踪；理论数值与传感器数据不一致时，判断当前光电板与太阳位置，并控制***使动某向电机进行动作，调整至对比数据没有差距，如果智能计算程序演算的姿态与传感器反馈的姿态有大幅差距，需要停止运行或等待人工处理；当跟踪成功时，控制***保持当前位置延迟一段时间，智能计算存储单元再返回通过公式计算出理论位置，或再返回重复读取滴胶板输出的电压；
阴天的计算公式为：
单位行程 = 总行程 /（日落时间 – 日出时间）；
推算位置 = 单位行程 *（当前时间 – 日出时间）；
根据推算位置调整光电板的当前位置，其中总行程根据季节会有不同的变化；
判断为晴天模式的程序流程：智能计算存储单元中根据自动跟踪模式下的程序中已存晴天模式程序日出日落的设定阀值与读取传感器实时测算输出的合计电压数据进行判断；理论数值与传感器数据对比存在电压差的话，判断当前光电板与太阳位置，如果东西向，并且太阳在偏东的位置，则控制***使动东西向电机进行动作，调整光电板方向直到东西方向的数据没有差距，南北同理；
传感器结构为：半球体透明外罩与圆底板边缘结合，圆底板中心固定空心正方体的黑色遮光罩，罩内有传感器电路板用以测量反馈角度、电路板连接MUC，遮光罩四立面底边分别放置四个太阳能滴胶板、面向东西南北四个方向。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏二维自动跟踪控制***，其特征在于电路中四块滴胶板（T1~T4）背面各有两个正负极触点焊接在PCT板上，传感器的电路板（5）是独立供电的，传感器电路板的+5V，来自电器元件控制板的电源模块，通过线缆、连接器连接传感器电路板。
3. 根据权利要求1所述的太阳能光伏二维自动跟踪控制***，其特征在于传感器电路接线关系：线缆通过连接器将电源+5V和GND接入，再通过RT9193转换成+3.3V供传感器MPU6050使用；滴胶板（T1、T2、T3、T4）负极脚（2）为公共端都接GND，正极10K电阻下拉通过连接器接在驱动程序MCU单片机STM32的AD转换上，传感器MPU6050通过IIC SDA连接到STM32的IIC上；电机控制芯片LMD18200额定电流3A，控制***对单个电机的电流为3A；电机最大75W，采用控制器PWM驱动方式。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏二维自动跟踪控制***，其特征在于操作器，显示屏和按键设置在壳体正面，壳体侧面有传感器接口、限位器接口、调试接口，壳体内设置微控制单片机MUC、两个方向的电机控制模块、纽扣电池、各接口，除电源模块，所有器件的电路连通，电源模块在电气元件控制板上，调试接口用于微控制单片机MUC和上位机的通讯，程序下载，纽扣电池供掉电后的RTC时钟计时，电源使用24V开关电源为电路板和电机供电。
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