專利名稱：太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光照方向的 一種太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
無(wú)論是現(xiàn)在還是將來(lái)，太陽(yáng)能都擁有廣闊的市場(chǎng)前景。潛力無(wú)限的太陽(yáng)能是一種 清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源。與高成本的化石燃料污染和全球溫室效應(yīng)相比，太陽(yáng) 能不僅使用范圍廣，而且更經(jīng)濟(jì)，作為采集太陽(yáng)能的太陽(yáng)能光電板應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是， 目前市面上絕大多數(shù)太陽(yáng)能光電板在安裝好以后，角度是固定的，不能隨著太陽(yáng)的位置變 化而改變角度。因此，也無(wú)法使太陽(yáng)能光電板隨時(shí)都發(fā)揮其最大效率，尤其在上午與下午太 陽(yáng)斜射時(shí)，效果最差。隨著追日系統(tǒng)的太陽(yáng)能板的出現(xiàn)，由于其對(duì)日角度可以隨著太陽(yáng)的位 置而調(diào)整，時(shí)刻保證對(duì)陽(yáng)光的最大吸收，因此其發(fā)電功率比一般的太陽(yáng)能系統(tǒng)提高了 35% 以上，而成本只比一般系統(tǒng)高出5% 10 %。目前存在的追日系統(tǒng)多數(shù)采用GPS傳感器技 術(shù)來(lái)獲取當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢眯畔?，然后算出?lái)太陽(yáng)的角度。此類產(chǎn)品不僅費(fèi)用花費(fèi)較高，而且 安裝時(shí)必須將電池板設(shè)置為某一固定角度。而本研究則是根據(jù)實(shí)時(shí)采集的光照強(qiáng)度信息、 驅(qū)動(dòng)定位馬達(dá)改變太陽(yáng)能板最佳受光角度、位置，可讓太陽(yáng)能電池組在有日照的條件下，維 持最佳受光狀態(tài)即太陽(yáng)光照方向與太陽(yáng)能電池板呈現(xiàn)90度。所以安裝時(shí)沒(méi)必要考慮安裝 的方向，因?yàn)檫\(yùn)行起來(lái)后，無(wú)論太陽(yáng)最初朝哪個(gè)方向，都可以自動(dòng)調(diào)整為朝陽(yáng)狀態(tài)。通過(guò)對(duì) 中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)中國(guó)專利號(hào)為200610054610. 5名為“一種強(qiáng)聚光太陽(yáng)能 電池板模糊全自動(dòng)跟蹤控制方法”的對(duì)比文獻(xiàn)的專利申請(qǐng)主題與本發(fā)明較為接近，但是其 技術(shù)特征與本發(fā)明是不相同的；對(duì)比文獻(xiàn)的采用的方法是“模糊控制”，我們采用的是精確 控制，對(duì)比文獻(xiàn)利用的是檢測(cè)強(qiáng)聚光太陽(yáng)電池板產(chǎn)生的電流值，我們利用的是檢測(cè)獨(dú)特設(shè) 計(jì)的光照強(qiáng)度采集立方體5個(gè)面的電壓值。完全不存在對(duì)比文獻(xiàn)對(duì)本發(fā)明新穎性的破壞性 問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的有二，其一，是提供一種保持太陽(yáng)能電池板維持最佳受光狀態(tài)即太 陽(yáng)光方向與太陽(yáng)能電池板呈現(xiàn)90度的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)；其二，是提供一種太陽(yáng)能電 池板追日系統(tǒng)的控制方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明之目的的技術(shù)解決措施如下一種太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，主要由太陽(yáng)能電池板1、主控電路板 2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及U型支架3構(gòu)成，其特征是在太陽(yáng)能電池板1上設(shè)置有光照強(qiáng)度采集立方體 1. 2 ；電路板2上設(shè)有單片機(jī)模塊電路2. 1、光耦隔離電路2. 2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2. 3，傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 及U型支架3上設(shè)有水平電機(jī)3. 1、仰角電機(jī)3. 2以及太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)控制方法，包 括初始化流程，采集立方體各個(gè)面的電壓流程，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算獲得調(diào)整角度的 參數(shù)流程，調(diào)整二維步進(jìn)電機(jī)直至朝向角度達(dá)到最佳位置流程。
所述太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，其特征是所述的光照強(qiáng)度采集立方體 (1. 2)由5個(gè)面的太陽(yáng)能電池板單元(1. 22)構(gòu)成，每個(gè)面均有正負(fù)極。所述光照強(qiáng)度采集立方體1. 2的5個(gè)負(fù)極連接至單片機(jī)模塊電路2. 1AD的接地部 分6-GND，5個(gè)正極分別連接至單片機(jī)的AD接口 1_5。所述單片機(jī)模塊電路2. 1通過(guò)信號(hào)輸出口 J4與光耦隔離電路2. 2信號(hào)輸入口 J1 連接。所述的光耦隔離電路2. 2通過(guò)數(shù)據(jù)線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2. 3連接。根據(jù)上述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，其特征是所述的控制方法包括 如下流程(1)初始化系統(tǒng)；(2)采集立方體各個(gè)面的電壓；(3)根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算獲得調(diào)整角度的參數(shù)；(4)調(diào)整二維步進(jìn)電機(jī)直至朝向角度達(dá)到最佳位置。所述的控制方法流程封裝在FLASHR0M中，在CPU指令下負(fù)責(zé)程序配置及狀態(tài)的調(diào)
iF. o光照強(qiáng)度采集立方體是本太陽(yáng)能追日系統(tǒng)的精髓及新穎之處，一般想要調(diào)整太陽(yáng) 能電池板的方向，均采取經(jīng)驗(yàn)值，例如當(dāng)?shù)靥?yáng)高度及方向數(shù)據(jù)。本發(fā)明而是采取實(shí)時(shí)獲取 太陽(yáng)相對(duì)位置的方法來(lái)定位。所以必須要采取獨(dú)特的方法來(lái)測(cè)試太陽(yáng)位置。在由太陽(yáng)光照 的情況下，同一地點(diǎn)的各個(gè)方向光照強(qiáng)度是不同的，需要一個(gè)物體來(lái)測(cè)試各個(gè)方向光強(qiáng)，首 先考慮到這個(gè)物體應(yīng)該是球體，能夠獲得各個(gè)方向的光照強(qiáng)度，隨著研究的不斷實(shí)施，發(fā)現(xiàn) 如果制作一個(gè)球體的話，代價(jià)是很大的，工藝上也不成熟。而是應(yīng)該采取折中的方法，使用 一個(gè)類球體的模型來(lái)獲取各個(gè)方向的光強(qiáng)，這個(gè)裝置應(yīng)具有像球體能采集各個(gè)方向光強(qiáng)的 功能，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐總結(jié)，最后決定采用立方體的模型來(lái)獲取各個(gè)方向光強(qiáng)?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì) 立方體各個(gè)面的光強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比從而獲得太陽(yáng)的光照方向。同時(shí)太陽(yáng)能電池板立方體較易制 作。制作成本也較低。太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)控制方法，主要指設(shè)計(jì)主控程序。其主要功能是控制各個(gè) 部件可以協(xié)調(diào)工作，本系統(tǒng)主控程序的主要功能就是首先通過(guò)太陽(yáng)能電池板立方體獲得各 個(gè)方向的光照強(qiáng)度信息，然后對(duì)所獲得的光照信息進(jìn)行處理，獲得調(diào)整步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的參 數(shù)；從而帶動(dòng)整個(gè)太陽(yáng)能電池板的水平與仰角運(yùn)轉(zhuǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn) 與有益效果(1)在太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)中，除了 GPS追日定位外，開(kāi)辟了另外一條太陽(yáng)能電 池板自動(dòng)追日的新途徑。(2)光照強(qiáng)度采集立方體的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、新穎獨(dú)特、易于加工；為普及推廣太 陽(yáng)能清潔能源提供了 一個(gè)新的應(yīng)用平臺(tái)。(3)在主控程序流程的支持下，該系統(tǒng)太陽(yáng)角度定位精確，完全不收地域的限制， 自適應(yīng)性強(qiáng)。試驗(yàn)證明效果十分顯著。


圖1是本發(fā)明所述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)框圖示意圖。
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圖2本發(fā)明所述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明所述單片機(jī)模塊及光照強(qiáng)度采集立方體電路原理示意圖。圖4是本發(fā)明所述光耦隔離電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖。圖5是本發(fā)明所述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)控制方法流程示意圖。圖6是本發(fā)明所述的追日系統(tǒng)控制方法實(shí)施例其角度調(diào)整流程示意圖。圖7是本發(fā)明所述的光照強(qiáng)度采集立方體的一個(gè)實(shí)施例。圖中的數(shù)字表示1太陽(yáng)能電池板、2主控電路板、3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及U型支架、1.2光照 強(qiáng)度采集立方體、1. 22太陽(yáng)能電池板單元、2電路板、2. 1單片機(jī)模塊電路、2. 2光耦隔離電 路、2. 3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，3. 1水平電機(jī)、3. 2仰角電機(jī)。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖給出實(shí)施例并對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。參見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4、圖7 可以看出現(xiàn)有技術(shù)中太陽(yáng)能電池板主要由太陽(yáng)能電池板1、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及U型支架3構(gòu)成，本 發(fā)明在U型支架3上設(shè)有電路板2、水平電機(jī)3. 1、仰角電機(jī)3. 2 ；電路板2上設(shè)有單片機(jī)模 塊電路2. 1、光耦隔離電路2. 2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2. 3。尤其需要說(shuō)明的是在太陽(yáng)能電池板1上 設(shè)置有光照強(qiáng)度采集立方體1. 2，在單片機(jī)模塊電路2. 1的FLASHR0M中設(shè)有太陽(yáng)能電池板 追日系統(tǒng)的控制方法流程。光照強(qiáng)度采集立方體1. 2設(shè)計(jì)獨(dú)特，材料即為5個(gè)體積很小的 太陽(yáng)能電池板單元1.22構(gòu)成的立方體，從而能從各個(gè)角度獲得光照。每個(gè)面均有正負(fù)極；5 個(gè)負(fù)極共同連接至單片機(jī)模塊電路2. 1AD的接地部分6 GND, 5個(gè)正極分別連接至單片機(jī)的 AD接口 1-5。致使太陽(yáng)能電池板立方體的各個(gè)面都有一個(gè)獨(dú)立的輸出連接至單片機(jī)，從而 獲得不同方向的光照的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算之后，將根據(jù)當(dāng)前的光照強(qiáng)度信息調(diào)整其 他所有太陽(yáng)能電池板的角度，從而保持太陽(yáng)能電池板維持最佳的狀態(tài)。單片機(jī)模塊電路2. 1 本實(shí)施例采用STC公司的STC12C2052AD芯片，該芯片可在線系統(tǒng)編程，無(wú)需編程器，可遠(yuǎn)程 升級(jí)。重要的是單片機(jī)內(nèi)部有8通道高精度8位ADC，滿足了采集太陽(yáng)能電池板傳遞回來(lái)的 數(shù)據(jù)。所述單片機(jī)模塊電路2. 1通過(guò)其信號(hào)輸出口 J4與光耦隔離電路2. 2信號(hào)輸入口 J1 連接。參見(jiàn)圖4可知，所述的光耦隔離電路2. 2部分由兩片TLP521-4芯片構(gòu)成，TLP521-4 芯片將單片機(jī)模塊電路2. 1和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2. 3隔離開(kāi)，主要是在單片機(jī)工作電壓不 變的情況下可以自由調(diào)整驅(qū)動(dòng)模塊的電壓來(lái)適應(yīng)不同步進(jìn)電機(jī)的工作需要。所述的光耦隔 離電路2. 2通過(guò)數(shù)據(jù)線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2. 3連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2. 3本實(shí)施例采用一片ULN2804A芯片，ULN2804A芯片由8個(gè)NPN達(dá) 林頓晶體管構(gòu)成，在電路中能起到大電流輸出和高壓輸出作用。此電路部分電壓可以根據(jù) 電機(jī)工作電壓的需要進(jìn)行調(diào)整。是與單片機(jī)的工作電壓隔離開(kāi)來(lái)的。所述的水平電機(jī)3. 1、 仰角電機(jī)3. 2采用兩個(gè)型號(hào)為MP28GA的步進(jìn)電機(jī)，工作電壓為4. 6V。整個(gè)工作過(guò)程是單片機(jī)采集太陽(yáng)能電池板上光照強(qiáng)度采集立方體的電壓，通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。經(jīng)單片機(jī)分析之后，確定應(yīng)如何調(diào)整當(dāng)前角度，將控制信息傳遞至電機(jī)驅(qū) 動(dòng)模塊，控制電機(jī)進(jìn)行二維的角度調(diào)整，從而驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速齒輪，使整個(gè)太陽(yáng)能電池 板追日系統(tǒng)追日運(yùn)轉(zhuǎn)。而要圓滿完成上述進(jìn)程，太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)的控制方法流程是 必不可少的。從圖5、圖6所知，所述的控制方法流程包括如下步驟第一步5. 1、初始化系 統(tǒng)，第二步5. 2、采集立方體各個(gè)面的電壓，第三步5. 3、根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算獲得調(diào)整角度的參數(shù)，第四步5. 4、調(diào)整二維步進(jìn)電機(jī)直至朝向角度達(dá)到最佳位置。其中，第一步初始 化系統(tǒng)指包括串口的初始化、電機(jī)引腳初始化、ADC模塊的初始化。此處串口的主要作用是 測(cè)試調(diào)試，是將系統(tǒng)的狀態(tài)及獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦，以便判斷程序或硬件是否穩(wěn)定運(yùn)行。第二步指采集電池板立方體各個(gè)面的電壓；將獲得上下左右四面的電壓，第三步 指隨后計(jì)算左右兩面的差值和上下兩面的差值，即為兩面的光強(qiáng)之差。將兩者相比較即可 知道是前后面的光強(qiáng)之差較大，還是左右兩面的光強(qiáng)差較大，作為調(diào)整角度的參考。第四步 指本系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先處理差值較大的哪一維，即如果水平方向即采集的左右AD數(shù)據(jù)之差，相 對(duì)上下方向的差值較大的話，或首先調(diào)整水平方向至一個(gè)合適的位置，隨后再進(jìn)行仰角的 調(diào)整。圖6給出了追日系統(tǒng)控制方法實(shí)施例角度調(diào)整流程步驟示意圖。即上電初始化以后， 首先獲取5個(gè)面的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的電壓6. 1，計(jì)算上下兩面電壓差及左右兩面電壓差6. 2，判斷 上下兩面電壓是否均大于最小光強(qiáng)的電壓，若光強(qiáng)太弱就沒(méi)必要調(diào)整，且上下面電壓差大 于左右兩面壓差6.3 ；如果是，調(diào)整一次仰角即往光強(qiáng)的那面旋轉(zhuǎn)一定角度6. 4。如果否，回 到上一步；繼續(xù)判斷左右兩面電壓是否均大于最小光強(qiáng)的電壓，若光強(qiáng)太弱就沒(méi)必要調(diào)整， 且左右面壓差大于上下兩面壓差6. 5。如果是，調(diào)整一次水平角即往光強(qiáng)的那面旋轉(zhuǎn)一定角 度6. 6 ；如果否，回到6. 1步。整個(gè)過(guò)程是通電之后初始化、隨后采集立方體各面光強(qiáng)、進(jìn)行 對(duì)比、根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整一次，隨后再采集、對(duì)比、調(diào)整。一直循環(huán)，直到調(diào)整到最佳位置后 停止調(diào)整。所述的控制方法流程封裝在FLASHR0M中，在CPU指令下負(fù)責(zé)程序配置及狀態(tài)的調(diào)
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權(quán)利要求
一種太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，主要由太陽(yáng)能電池板(1)、主控電路板(2)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及U型支架(3)構(gòu)成，其特征是在太陽(yáng)能電池板(1)上設(shè)置有光照強(qiáng)度采集立方體(1.2)；電路板(2)上設(shè)有單片機(jī)模塊電路(2.1)、光耦隔離電路(2.2)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(2.3)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及U型支架(3)上設(shè)有水平電機(jī)(3.1)、仰角電機(jī)(3.2)以及太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)控制方法，包括初始化流程，采集立方體各個(gè)面的電壓流程，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算獲得調(diào)整角度的參數(shù)流程，調(diào)整二維步進(jìn)電機(jī)直至朝向角度達(dá)到最佳位置流程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，其特征是所述的光 照強(qiáng)度采集立方體(1. 2)由5個(gè)面的太陽(yáng)能電池板單元(1. 22)構(gòu)成，每個(gè)面均有正負(fù)極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，其特征是所述光 照強(qiáng)度采集立方體(1.2)的5個(gè)負(fù)極共同連接至單片機(jī)模塊電路(2. 1)AD的接地部分 (6GND)，5個(gè)正極分別連接至單片機(jī)的AD接口(1_5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，其特征是所述單片 機(jī)模塊電路(2. 1)通過(guò)信號(hào)輸出口 J4與光耦隔離電路(2. 2)信號(hào)輸入口 J1連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，其特征是所述光耦 隔離電路(2. 2)通過(guò)數(shù)據(jù)線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(2. 3)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，其特征是所述的控 制方法包括如下流程(1)初始化系統(tǒng)；(2)采集立方體各個(gè)面的電壓；(3)根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算獲得調(diào)整角度的參數(shù)；(4)調(diào)整二維步進(jìn)電機(jī)直至朝向角度達(dá)到最佳位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法，其特征是所述的控 制方法流程封裝在FLASHR0M中，在CPU指令下負(fù)責(zé)程序配置及狀態(tài)的調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光照方向的一種太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)及其控制方法。主要由太陽(yáng)能電池板、主控電路板、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及U型支架構(gòu)成，在太陽(yáng)能電池板上設(shè)置有光照強(qiáng)度采集立方體；電路板上設(shè)有單片機(jī)模塊電路、光耦隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及U型支架上設(shè)有水平電機(jī)、仰角電機(jī)以及太陽(yáng)能電池板追日系統(tǒng)控制方法，包括初始化流程，采集立方體各個(gè)面的電壓流程，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算獲得調(diào)整角度的參數(shù)流程，調(diào)整二維步進(jìn)電機(jī)直至朝向角度達(dá)到最佳位置流程。該系統(tǒng)太陽(yáng)角度定位精確，完全不受地域的限制，自適應(yīng)性強(qiáng)。試驗(yàn)證明效果十分顯著；為普及推廣太陽(yáng)能清潔能源提供了一個(gè)新的應(yīng)用平臺(tái)。
文檔編號(hào)G05D3/12GK101859152SQ20101020551
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者劉生, 寧愛(ài)華, 楊憲澤, 牟銳 申請(qǐng)人:西南民族大學(xué)