本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，具體是一種自動(dòng)跟隨太陽光的光伏板控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)，全球環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，加上各個(gè)領(lǐng)域新型技術(shù)對低碳、環(huán)保、節(jié)能的迫切需要，形成了一輪太陽能利用的新高潮。太陽能作為一種新能源，在能源發(fā)展中與常規(guī)能源相比占有相當(dāng)突出的優(yōu)勢：

第一，它是人類可以利用的最豐富的能源：地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題，尤其對交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島及邊遠(yuǎn)地區(qū)具有重要的價(jià)值；

第二，無污染性：人類比以往更強(qiáng)烈的認(rèn)識(shí)到，社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)是相互聯(lián)系的一個(gè)整體部分，環(huán)境與發(fā)展不能相互脫離。利用太陽能做能源，真正意義上實(shí)現(xiàn)低碳、環(huán)保、節(jié)能，這在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天顯得尤為可貴。

第三，經(jīng)濟(jì)性：隨著太陽能利用技術(shù)的發(fā)展，太陽能利用的成本已經(jīng)大大下降。

鑒于以上原因，專家們研究預(yù)測一致認(rèn)為：21世紀(jì)人類最清潔，最廉價(jià)的能源就是太陽能。

目前人類利用太陽能有三大技術(shù)領(lǐng)域，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲(chǔ)能技術(shù)。

人類對于再生性能源的需求在石化原料日漸耗盡的今天備受重視，太陽能利用是個(gè)滔滔不絕的絕佳能源替代方案，因?yàn)槊刻焯柾渡涞降厍虮砻娴哪芰看笥诘厍蛩璧囊蝗f倍以上。太陽能電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)與研究，提高了太陽能電池板的發(fā)電效率，達(dá)到了低成本、高精度、使用靈活的要求，對大規(guī)模使用太陽能發(fā)電，合理利用新能源具有重要的意義。

太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。然而它也存在著間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前，很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。據(jù)實(shí)驗(yàn)，在太陽能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35％，因此在太陽能利用中，進(jìn)行太陽光實(shí)時(shí)跟蹤是十分必要的。由于太陽能利用受地形、地勢、位置、云雨等自然條件的影響很大，傳統(tǒng)太陽能電池的成本較高而轉(zhuǎn)化成電能的效率又太低，得不到普及利用。自動(dòng)跟隨太陽光的智能型太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)正是為了解決太陽能轉(zhuǎn)換效率低的問題，為了更大程度的利用太陽能。陽光照射的角度不固定，想達(dá)到最大的集熱效果，太陽能集熱板應(yīng)和太陽光線保持垂直。所以，本設(shè)計(jì)是一套以單片機(jī)為控制核心的太陽能自動(dòng)追蹤機(jī)械控制系統(tǒng)，能夠隨著太陽光照射方向的變化而使太陽能板始終與太陽能光線垂直。具體要求為結(jié)構(gòu)簡單、成本低、不但能在晴天時(shí)正常追蹤太陽，當(dāng)突然出現(xiàn)陰天時(shí)也能自動(dòng)追蹤。本設(shè)計(jì)的追蹤精度較高，可保持最大的太陽能利用率，且具有低成本，免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，有較好推廣應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種自動(dòng)跟隨太陽光的光伏板控制系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種自動(dòng)跟隨太陽光的光伏板控制系統(tǒng)，包括單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、X軸電動(dòng)機(jī)、Y軸電動(dòng)機(jī)、狀態(tài)信息顯示模塊和太陽能電池板裝置，所述單片機(jī)分別連接狀態(tài)信息顯示模塊和驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路還分別通過X軸電動(dòng)機(jī)和Y軸電動(dòng)機(jī)連接太陽能電池板裝置。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述單片機(jī)采用AT89C51。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述單片機(jī)負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽高度角和方位角的計(jì)算，并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的步數(shù)，將數(shù)據(jù)送給驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)接收上位機(jī)送來的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明具有跟蹤精度高、運(yùn)行可靠、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為自動(dòng)跟隨太陽光的光伏板控制系統(tǒng)的電路原理框圖；

圖2為自動(dòng)跟隨太陽光的光伏板控制系統(tǒng)中太陽高度角和方位角的關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參閱圖1～2，本發(fā)明實(shí)施例中，一種自動(dòng)跟隨太陽光的光伏板控制系統(tǒng)，包括單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、X軸電動(dòng)機(jī)、Y軸電動(dòng)機(jī)、狀態(tài)信息顯示模塊和太陽能電池板裝置，所述單片機(jī)分別連接狀態(tài)信息顯示模塊和驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路還分別通過X軸電動(dòng)機(jī)和Y軸電動(dòng)機(jī)連接太陽能電池板裝置；所述單片機(jī)采用AT89C51；所述單片機(jī)負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽高度角和方位角的計(jì)算，并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的步數(shù)，將數(shù)據(jù)送給驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)接收上位機(jī)送來的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

本發(fā)明的工作原理是：本設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究的是為地平坐標(biāo)系的雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，因此采用雙坐標(biāo)電動(dòng)機(jī)控制，雙坐標(biāo)電動(dòng)機(jī)控制就是在X軸方向控制1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，在Y軸方向控制1臺(tái)電動(dòng)機(jī)。這2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一個(gè)對象，使太陽能電池板在一個(gè)平面上以任意曲線運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械部分主要是頂部太陽能電池板、電機(jī)控制裝置和底座。頂部太陽能電池板的中部固定一個(gè)控制機(jī)構(gòu)，與控制機(jī)構(gòu)相接觸的是一個(gè)電動(dòng)機(jī)(Y軸電機(jī))。該電機(jī)可以使頂部太陽能電池板在豎直方向上360度轉(zhuǎn)動(dòng)。另一個(gè)電動(dòng)機(jī)(X軸電機(jī))可以使轉(zhuǎn)軸在水平方向上360度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)太陽能板在水平方向上360度轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，通過控制這兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以控頂部太陽能電池板在三維面上任意轉(zhuǎn)動(dòng)。控制部分主要由AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。這樣我們通過單片機(jī)來控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)頂部太陽能電池板跟隨太陽一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而提高太陽能電池板的太陽能轉(zhuǎn)換效率。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理為X、Y軸2個(gè)電動(dòng)機(jī)分別對高度角和方位角2個(gè)方向進(jìn)行控制。跟蹤器的方位軸垂直地平面，控制水平方向；另一根與方位軸垂直稱為俯仰軸，控制垂直方向。工作時(shí)，太陽跟隨器根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)的位置通過方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角來改變水平方向，從而使太陽光線與接受平臺(tái)垂直，以達(dá)到跟蹤的目的。

太陽每天東升西落，任意時(shí)刻太陽的位置可以用視位置精確表示。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤就是利用控制單元根據(jù)相應(yīng)的公式和參數(shù)計(jì)算出白天時(shí)太陽的實(shí)時(shí)位置，然后發(fā)出指令給電動(dòng)機(jī)去驅(qū)動(dòng)太陽跟蹤裝置，以達(dá)到對太陽實(shí)時(shí)跟蹤的目的。太陽視位置用太陽高度角和太陽方位角兩個(gè)角度作為坐標(biāo)表示。太陽高度角指太陽中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮骄€的夾角。太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。系統(tǒng)采用水平方位電動(dòng)機(jī)和俯仰方向電動(dòng)機(jī)來追蹤太陽的方位角和高度角，從而可以實(shí)時(shí)追蹤太陽的裝置。為了提高太陽能電池板對光能的采集效率，需要盡可能的保持太陽光垂直照射到太陽能電池板上。從高度角和方位角兩個(gè)物理量是可以描述太陽的這種位置變化的，太陽能電池板對高度角和方位角的跟蹤就能保證陽光垂直照射電池板，但是在一般情況下還需要光電傳感器反饋來對跟蹤的誤差進(jìn)行修正，以提高自動(dòng)跟蹤的精度。單片機(jī)負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽高度角和方位角的計(jì)算，并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的步數(shù)，將數(shù)據(jù)送給跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，單片機(jī)接收上位機(jī)送來的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位、水平方位的調(diào)整、俯仰方向的調(diào)整的功能。

太陽在天球上的位置可由太陽高度角αs和太陽方位角γs來確定。請參閱圖2。

(1)太陽高度角αs又稱太陽高度、太陽俯仰角，是指太陽光線與地表水平面之間的夾角(0≤αs≤900)，可由(1)式計(jì)算得出：

(2)太陽方位角γs是指太陽光線在水平面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可由(2)式確定：

(1)式和(2)式中各角度單位均為度，其中為當(dāng)?shù)鼐暥冉?；δ為太陽赤緯角；τ為時(shí)角，即用角度表示的時(shí)間。

注意：太陽赤緯與地理緯度都是北緯為正，南緯為負(fù)。太陽能發(fā)電地點(diǎn)的地理經(jīng)緯度通過GPS等精密導(dǎo)航儀器可以方便獲得。而赤緯角和時(shí)角的計(jì)算需要通過時(shí)間確定。

太陽赤緯角δ是日地中心的連線與赤道面間的夾角，每天均處在變化之中。δ可由(3)式確定。

δ＝23.45×sin[360/365×(284+n)] (3)

(3)式中，n為一年中的日期序號，從1月1號開始起數(shù)，n＝1，每往后加一天，n＝n+1，比如我們在此輸入165(天)，就相當(dāng)于今年的6月12日，輸入286(天)，就相當(dāng)于今年的10月13日，其他以此類推。以此可計(jì)算出，春分和秋分時(shí)δ＝0°，夏至?xí)rδ＝23.442°，冬至?xí)rδ＝-23.442°。

時(shí)角τ的計(jì)算相對復(fù)雜。由于真正的太陽在黃道上的運(yùn)動(dòng)不是勻速的，而是時(shí)快時(shí)慢，因此，真太陽日的長短也就各不相同。日常生活中的鐘表時(shí)間采用的是“平太陽時(shí)”，即太陽沿著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率，在工程計(jì)算中，若直接采用鐘表時(shí)間計(jì)算，就會(huì)存在時(shí)差問題(“真太陽時(shí)”與“平太陽時(shí)”之差)，因此必須采用真太陽時(shí)(t0)，否則在實(shí)際計(jì)算中無法到達(dá)精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽時(shí)(t0)，可以根據(jù)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)來校正時(shí)差值，我國區(qū)域的時(shí)差確定如(4)式：

t0＝(120-longitude)/15-e/60 (4)

(4)式中，longitude為光伏發(fā)電地點(diǎn)的地理經(jīng)度，中國地區(qū)的北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的經(jīng)度為120°，e為時(shí)差，可由(5)式和(6)式計(jì)算得出：

β＝360/365×(n-1) (5)

e＝0.0172+0.4281×cosβ-7.3615×sinβ-3.3495×cos(2β)-9.3619×sin(2β) (6)

因?yàn)槊?4小時(shí)地球自轉(zhuǎn)1圈，所以每15°為1h，且正午時(shí)，時(shí)角τ＝0°，上午τ>0°，下午τ<0°?？捎?7)式計(jì)算出時(shí)角τ：

τ＝15×(12+t0-t) (7)

(7)式中t為北京時(shí)間。

其中，當(dāng)太陽在正南方向時(shí)，(2)式中的方位角γs＝0°，正南以西γs>0°，正南以東γs<0°。為了有效跟蹤太陽的位置，除了要計(jì)算出太陽的實(shí)時(shí)位置外，還需要知道具體某天的日出時(shí)角τ1、日落時(shí)角τ2。由于日出日落時(shí)太陽高度角αs＝0°，由(1)式可計(jì)算出：

根據(jù)時(shí)角τ上午τ>0°，下午τ<0°，得到日出時(shí)角τ1和日落時(shí)角τ2如(9)式和(10)式所示。

計(jì)算出日出時(shí)角，日落時(shí)角后，由(7)式可得出日出時(shí)間t1和日落時(shí)間t2。

程序?qū)崿F(xiàn)太陽跟隨系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤太陽，當(dāng)直射到太陽能電池板的光線變?nèi)鯐r(shí)，程序會(huì)自動(dòng)改變電池板的方向、位置去得到最大的強(qiáng)度的太陽光。當(dāng)任意一個(gè)光線傳感器檢測到的光強(qiáng)低于閾值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)通過驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)X軸和Y軸電機(jī)進(jìn)行組合運(yùn)動(dòng)，以調(diào)整太陽能電池板的朝向。當(dāng)兩個(gè)傳感器都檢測到閾值以上的光線時(shí)電機(jī)就會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池板對光線的跟隨功能。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。