CN109828613B - 一种分布感测光伏板追日*** - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，涉及一种分布感测光伏板追日***，包括至少三个独立设置的球形传感器、矢量拟合器、至少一个光伏板以及方向调节器；其中，矢量拟合器根据球形传感器输出的光线入射矢量以及球形传感器位置关系，获得光伏板的高度角，根据光伏板的高度角获得光伏板的方位角；方向调节器根据方位角以及高度角控制光伏板的方向。根据本发明实施例的分布感测光伏板追日***可实现实时、准确、完整的太阳位置跟踪，解决了现有传感器精度不足、存在捕光死角的缺陷，同时，极大地减少了传感器的使用数量，降低光伏板的调解频率及超调问题，降低建造、维修成本。

Description

一种分布感测光伏板追日***

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种分布感测光伏板追日***。

背景技术

太阳能是目前受到重视的绿色能源，各种太阳能收集技术和设备越来越多地被投入使用，同时也出现了各种追日装置，通过跟踪太阳使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，在太阳光追踪技术中通常都会采用传感器来感测太阳光。

目前，现有的传感器感测***中，大部分采用单板追踪的方式，即每个光伏板上均会安装传感器，通过在传感器四周固定了由感光材料制作成的检测器件，通过检测器件的变化可以获得光线变化的信息，传感器固定于太阳光接收装置上并及时传输给数据处理器，从而获得追日***误差信息，配合适当的控制器使太阳能接收设备跟随太阳运动。

一方面，传感器毕竟只是光伏发电***组成部分中一个小的感测单元，而现有感测***会因为光伏板数量增加而使用更多的传感器，变得过于复杂、数量多、占空间。同时在分布式光伏发电厂中会出现制造组装麻烦、成本高等问题，在地理位置不太平整处更是组装困难和不易于后期维护。

另一方面，现有传感器的捕光范围受到限制，存在捕光死角，分布于传感器四周的检测器件在接收感测光时使检测数据存在差异，同时不能得出准确的光线方向及直射点，使得输出准确度不够。

如何通过设计结构简单、能够实现同步追踪的传感器组成不占空间、容易组装的感测***，使其具有无死角、精度高的精准感测功能，使太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的接收装置，显著提高发电效率，同时降低追日***的成本和维护难度，成为急需解决的技术问题。

发明内容

为了现有技术的不足，本发明提出一种分布感测光伏板追日***。

根据本发明的一方面，根据本发明实施例的一种分布感测光伏板追日***，包括至少三个独立设置的球形传感器、矢量拟合器、至少一个光伏板以及方向调节器；其中，矢量拟合器根据球形传感器输出的光线入射矢量以及球形传感器位置关系，获得光伏板的高度角，根据光伏板的高度角获得光伏板的方位角；方向调节器根据方位角以及高度角控制光伏板(以下也可称作“太阳能发电板”)的方向。

根据本发明的示例性实施例，球形传感器包括内球体、均匀分布在内球体表面的多个光学传感器、选择器、面拟合器以及光线入射矢量生成器；其中，选择器根据光学传感器的检测值选择光学传感器，面拟合器根据选择器选择的光学传感器拟合与光线入射矢量垂直的面，光线入射矢量生成器根据面拟合器的输出生成光线入射矢量。

根据本发明的示例性实施例，内球体外侧设有透明保护罩。

根据本发明的示例性实施例，所述光学传感器为光敏电阻。

根据本发明的示例性实施例，所述选择器为CD4051选择器。

根据本发明的示例性实施例，球形传感器还包括球体支撑柱、主控盒以及固定底座，其中，球体支撑柱设置在内球体下方，主控盒设置在球体支撑柱下方，固定底座设置在主控盒的周围。

根据本发明的示例性实施例，方向调节器为减速电机。

根据本发明的示例性实施例，当高度角h’＞α时，方位角A′＞max{β₁、β₂}或A′＜min{β₁、β₂}时，方向调节器根据方位角以及高度角控制光伏板的方向，其中，α为相对高度角，β₁、β₂为相对方位角。

根据本发明实施例的分布感测光伏板追日***的有益效果如下：本实用球型追日传感器采用带深度的内嵌全覆盖光敏电阻方式对全方位的太阳光进行捕捉，实现光源信号来源的全面以及光源信号的实时更新处理，有效地解决了传统传感器在捕光角度和捕光精度所存在的有死角和不准确的缺陷。将感测器件设置在分布感测***(例如，三角分布感测***)后，可全覆盖全方位地传输准确的光源信息至接收装置，与传统方式相比，极大的降低了传感器使用数量，方便地以后监察和维护，提升对传感器元器件的保护，尤其是能够大大降低传感器组装难度及其感测***的成本。

通过输出传感器得出的光线的直射方向至减速电机控制光伏板的方向，有效避免现有传感器的PID控制中，利用输出信号调节光伏板的反馈调节***造成的光伏板调节变得繁琐的问题，同时克服容易出现的超调问题，显著减少光伏板的调节频率及其次数。

附图说明

图1为本发明实施例的一种分布感测光伏板追日***的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种球形传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种球形传感器的剖面示意图；

图4为本发明实施例的一种在安装太阳能发电***的区域内建立空间直角坐标系；

图5为本发明实施例的延x轴变化时的数学模型；

图6为本发明实施例的延y轴变化时的数学模型；

图7为本发明实施例的延z轴变化时的数学模型；

图8为根据本发明实施例的楼宇遮挡关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1给出了根据本发明实施例的一种分布感测光伏板追日***的结构示例。如图1所示，该分布感测光伏板追日***包括：3个独立设置的球形传感器1、矢量拟合器、多个光伏板3以及方向调节器2。

利用3个或更多球形传感器将利用所述球形传感器置于待追踪光伏板阵列边(即将球形传感器设置在光伏板阵列周边)，3个球形传感器同时获取传感器自身相对太阳光的方向矢量，通过通信端子将方向矢量传输至整个跟踪***的主控制器MCU。本实施例中，矢量拟合器的功能可由主控制器MCU实现。

主控制器MCU根据球形传感器的位置关系，以及球形传感器相对于太阳光的方向矢量，确定每个光伏板的方位角以及高度角，并据此调节每个光伏板。

如图4所示，在安装太阳能发电***的区域内建立空间直角坐标系。为方便起见，使x轴指向正南方向，y轴指向正东方向，z轴垂直于区域平面。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，x轴、y轴和z轴可做其它定义。由此，每一块太阳能发电板以及三个球形追日传感器的坐标便已知。

假设O₁为一个球形追日传感器的中心，其坐标为(x₁，y₁，z₁)。以O₁点为原点，建立与xyzO平行的空间直角坐标系x’y’z’O₁。由球形传感器的功能特性，可知光强最大的光线的方向，用其方位角A和太阳高度角h确定。下面讨论分别沿x，y，z轴变化时光强最强的光线的方位角和高度角的变化。

x轴变化时，建立如图5所示的数学模型。

假设从O₁开始沿x轴变化的距离是Δx，设为点B。设光源为C，CA垂直于平面x’O₁y’，垂足为A。设∠AO1y’为方位角Ax1，CO1与平面x’O1y’所成的角为高度角

CB与平面x’O1y’所成的角为hx2，AB与y’轴所成的角度为Ax2，设CA的长度为d。

以上条件可表示为：

∠CO₁B＝c ∠ΔAO₁D＝A_x1

∠ABC＝V O₁B＝Δx CA＝d，

对ΔAO1B和ΔCO1B分别写余弦定理：

其中d和hx2为未知量，由以上两个方程带入数值可以解出其值。然后，在ΔABO1运用正弦定理以及三角形的角度关系，求出方位角Ax2。

沿y轴变化时，建立如图6所示的数学模型。

假设从O₁开始沿y轴变化的距离是Δy，设为点B。设光源为C，CA垂直于平面x’O₁y’，垂足为A。设∠AO1y’为方位角Ax1，CO’与平面x’o1y’所成的角为高度为hy2，CB与平面x’o1y’所成的角为hy2，AB与y’轴所成的角度为Ay2，设CA的长度为d。

以上条件可表示为：

∠AO₁C＝h_y1，∠CBA＝h_y2，O₁B＝Δy，CA＝d，

对ΔAO1B和ΔCO1B分别写余弦定理：

其中d和hy2为未知量，由以上两个方程带入数值可以解出其值。然后，在ΔABO1运用正弦定理以及三角形的角度关系，求出方位角Ax2。

沿z轴变化时，建立如图7所示的数学模型。

假设从O₁开始沿轴变化了Δz，设为点A。设光源为B。设BO₁与过点A并与平面x’O₁y’平行的平面的交点为C，BD垂直于平面x’O₁y’，垂足为D，DO1的长度为d。

∠BO₁D＝h_z1，∠BAC＝h_z2，∠AO₁D＝A_Z1，O₁A＝Δz，O₁D＝d，

对ΔABC和ΔABO1分别写余弦定理：

其中d和hy2为未知量，由以上两个方程带入数值可以解出其值。由z轴的特点，A和O1的方位角相同，即Az2＝Az1。

以上第一、二个模型均是先求高度角，再根据得到的高度角计算方位角。针对高度角，这两个模型都各自列写了包含高度角和d这两个未知量的二元方程组。在实际应用中，其余参数均是和元件位置相关的常数，可视为已知。代入这些常数后可用计算设备如计算机或服务器解得高度角，再代入方位角的公式算得方位角。第三个沿z轴变化的数学模型的高度角得到方法与第一、二相同，方位角与变化前相同。

根据前面三个模型的结论，复合应用高度角和方位角沿x轴，y轴，z轴的变化规律，可以将球形传感器所测得的方位角和高度角转化为光源相对于每一块有确定坐标的太阳能发电板的高度角和方位角。例如，球形传感器(用O1表示)的坐标为(x1，y1，z1)，而需要确定太阳能发电板(用O表示)的坐标为(x2，y2，z2)。容易得到点O与点O1的对应坐标的差值：Δx，Δy，Δz。应用太阳高度角和方位角沿x轴变化的规律，可得点P1(x1+Δx，y1，z1)的太阳高度角和方位角；在P1点的基础上，应用太阳高度角和方位角沿y轴变化的规律，可得P2(x1+Δx，y1+Δy，z1)的太阳高度角和方位角；在P2的基础上，应用太阳高度角和方位角沿z轴变化的规律，可得P3(x1+Δx，y1+Δy，z1+Δz)的太阳高度角和方位角。而根据O1点和O点的坐标位置关系，P3点即为O点。

由以上方法，便可以计算出坐标系内任一点的光源方位角和高度角。

对区域内的三个球形追日传感器和一块太阳能发电板重复以上步骤，得到对于坐标系内同一块太阳能发电板的三组数据：(h1，A1)，(h2，A2)，(h3，A3)。分别对三个高度角和三个方位角求平均

即可得到更为精确结果。

为减少计算量，当光伏发电***的规模较小时，三个方位角和高度角直接求平均的方法简化计算。以安装在***中的球形追日传感器的中心为原点各自建立坐标系，要求三个坐标系的各坐标轴对应平行。根据球形追日传感器的功能特性，可以确定对应于各自三个原点的方位角A1，A2，A3和高度角h1，h2，h3。

将高度角和方位角求平均可得

在误差允许范围内，将A’和h’作为整个区域内每一块光伏板的太阳方位角的高度角。借助控制***，使每一块光伏板的法向量与此方向平行，即可达到实时接收最强光照。

在城市中光伏发电***中，光伏板分散排列在各楼宇顶部，在面对楼房高低排列分布不一时，光伏板在接收光照时会出现被周围较高楼房遮挡的问题。

如图8所示，在光伏板进入三角分布式追日***时，将实时从三维立体地图里抽取提以该楼房为中心四周的楼房信息包括两楼在地图系下坐标x₁、x₂、楼长s、楼宽f、高度差Δh及距离d，计算两栋楼的相对高度角α相对方位角β₁、β₂.示例中假设光伏板位于楼顶平台中央，此时可由具体的光伏板中心距离楼房边缘的距离进行调整计算，以达到准确的相对高度角范围。

运用三角形的边角关系得：

相对方位角β1、β2与相对高度角的限定方式α一样，应该在***中设置光伏板位置时，可从三维地图的中得出该楼房为中心四周的楼房信息包括两楼在地图系下坐标x₁、x₂、楼长s、楼宽f、高度差Δh及距离d等信息，可作一直角三角形，一直角边为XOY平面(即地面)两楼边界点的距离；一直角边为两楼高度差Δh，周围楼层的信息推算出遮挡的情况下的高度角。

同理，在XOY平面内，遮挡的临界角度是对角遮挡这种情况，同样可作两直角三角形。

其一：一直角边为在x轴上两楼的最小距离差，另一直角边为y轴上两楼的最大距离差。

其二：一直角边为在x轴上两楼的最大距离差，另一直角边为y轴上两楼的最小距离差。

所求角度与该直角三角形的一锐角互为补角。即上诉公式所求。

将各楼之间相对高度角α相对方位角β₁、β₂输入光伏板感测调节***中的数据处理器，在处理器中进行角度比较，即将球形传感器输出的太阳高度角h’与α进行比较，将太阳方位角A’与β₁、β₂进行比较，当h’＞α时，A′＞max{β₁、β₂}或A′＜min{β₁、β₂}时，调节转动电机配合适当的控制器使接收设备光伏板跟随太阳运动。由此，可以避免当光伏板被遮挡时仍然需要对该光伏板进行调整的问题。

需要说明的是，本实施例中光伏板3和减速电机采用一对一的设置。在其它实施例中也可由一个方向调节器同时控制多个光伏板的方向。在其它实施例中，矢量拟合器可独立于主控制器MCU设置。本领域技术人员，不难理解球形传感器的数量可以大于3个。

以下将结合图2和图3对球形传感器做进一步详细的介绍。如图2所示，球形传感器1包括内球体11、均匀分布在内球体表面的多个光学传感器12、选择器、面拟合器以及光线入射矢量生成器。球形传感器1还包括球体支撑柱13、主控盒14以及固定底座15，其中，球体支撑柱13设置在内球体11下方，主控盒14设置在球体支撑柱13下方，固定底座15设置在主控盒14的周围。固定底座15上还设有固定孔位16，固定孔位16的尺寸取决于贯穿该孔位的螺丝的直径。

如图2所示，内球体11外侧还可设有透明保护罩17。

具体地，球形传感器内球体上设置有45个光敏电阻内嵌位，光敏电阻内嵌位设置为六层(内球体的顶点可作为单独的一层)均匀分布于球体表面，每层内嵌位个数分别为1、6、10、12、10、6。根据本发明的实施例，将光敏电阻置于45个内嵌位内，随着接收光照强度它们表现出不同的电阻值，将光敏电阻与分压电阻组合为分压电路，在不同的光照强度下会输出45组不同的电压信号，将45组信号根据所在层数和位置进行分类，分别为I、II、III、IV、V、VI，分别接入6个CD4051选择器的输入端口(其中I、II、III号选择器的输入信号为8组，IV、V、VI号选择器的输入信号均为7组)，由三位二进制代码控制选择器输出信号为选择器八组输入信号中的一组。

6个选择器的输出信号传输至主控制器MCU(例如，DSP28335)，由三位二进制代码的更替，45组信号将轮流输入主控制器MCU。根据本发明的实施例，可由主控制器MCU实现面拟合器以及光线入射矢量生成器的功能。

由主控制器MCU根据选择器输出的电压信号的强度，确定超过阈值的电压信号对应的光敏电阻位置，从而拟合“最大信号面”，该面即为与太阳光线垂直的面，“最大信号面”的法线方向既为太阳光线方向。

根据本发明的实施例，所述内球体上所置的光敏电阻内嵌位为带深度的圆孔，或者蜂窝状孔位。所述感测器件为MG45光敏电阻。在光照下，投射入圆柱形内嵌位的光会随着光线射入的角度出现投入光照的强度有差异，越垂直照射的孔内的光敏电阻受光最多，光敏电阻所表现的阻值越小，这样的设计有利于实现在即使太阳光照在自东向西逐渐偏移的过程中下，距离较近的光敏电阻可以实现对光照的微小差异的区分。

根据本发明的实施例，所述的球形传感器的光敏电阻信号内置所述选择器，选用的CD4051为静态功耗极低的单端8通道多路模拟开关，用于控制六类信号的选择输出。由三位二进制代码的更替，45组信号将在高频工作环境下由六组选择器的控制下轮流输入MCU。由此使45组信号得到即时的处理，运用于实时的光线追踪中。

根据本发明的实施例，所述的追日传感器利用底座上的固定空位进行安装和固定，便于后期的维修以及传感器损坏后的更换。

根据本发明的实施例，所述的追日传感器在主控盒外引出主控制器MCU的管脚输出端口，可与同连接端口的任意设备相连，辅助其进行光线追踪。

根据本发明的实施例，电阻分压电路及信号选择器放置于内球体内，线缆通道设置于球体支撑柱内，中央处理器MCU以及输出接口均集成在主控盒内。这样的设计可以对传感器的元器件进行有效的保护，延长使用寿命。

以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种分布感测光伏板追日***，其特征在于，所述追日***包括至少三个独立设置的球形传感器、矢量拟合器、至少一个光伏板以及方向调节器；其中，矢量拟合器根据球形传感器输出的光线入射矢量以及球形传感器位置关系，获得光伏板的高度角，根据光伏板的高度角获得光伏板的方位角；方向调节器根据方位角以及高度角控制光伏板的方向；球形传感器包括内球体、均匀分布在内球体表面的多个光学传感器、选择器、面拟合器以及光线入射矢量生成器；其中，选择器根据光学传感器的检测值选择光学传感器，面拟合器根据选择器选择的光学传感器拟合与光线入射矢量垂直的面，光线入射矢量生成器根据面拟合器的输出生成光线入射矢量。

2.根据权利要求1所述的分布感测光伏板追日***，其特征在于，内球体外侧设有透明保护罩。

3.根据权利要求1所述的分布感测光伏板追日***，其特征在于，所述光学传感器为光敏电阻。

4.根据权利要求1所述的分布感测光伏板追日***，其特征在于，所述选择器为CD4051选择器。

5.根据权利要求1所述的分布感测光伏板追日***，其特征在于，球形传感器还包括球体支撑柱、主控盒以及固定底座，其中，球体支撑柱设置在内球体下方，主控盒设置在球体支撑柱下方，固定底座设置在主控盒的周围。

6.根据权利要求1所述的分布感测光伏板追日***，其特征在于，方向调节器为减速电机。

7.根据权利要求1所述的分布感测光伏板追日***，其特征在于，当高度角h’＞α时,方位角A′＞max{β₁、β₂}或A′＜min{β₁、β₂}时，方向调节器根据方位角以及高度角控制光伏板的方向，其中，α为相对高度角，β₁、β₂为相对方位角。

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