一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法技术方案

本发明专利技术属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏发电技术。本发明专利技术包括：(1)对系统主要器件型号进行选择并设计光电跟踪电路；(2)计算太阳高度角和方位角；(3)判断光强方位；(4)陀螺仪加速度计姿态解算。本发明专利技术系统跟踪原理采用开环程控视日运动轨迹跟踪和闭环光电式跟踪相结合的两极跟踪方式，能够使系统适应不同的天气情况进行自适应调整从而尽量有效的利用太阳能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源发电
，尤其涉及一种太阳能光伏发电技术。
技术介绍
随着世界现有能源的短缺以及生态环境的恶化，风能、水能和太阳能等可再生能源的开发已经受到世界各国的广泛关注，越来越多的学者加入到了可再生能源技术的相关研究中。在几种可再生能源中太阳能最具有可再生、可持续的特征，因为太阳能是取之不尽，用之不竭的。与化石燃料相比，太阳能储存量十分巨大，可以被广泛利用。另外太阳能还具有其他独有特点，其一，太阳能分布范围极其广泛，只要有合适的太阳能利用设备，几乎在地球上每个角落都可以收集和使用太阳能；其二，太阳能是非常清洁而且无污染的可再生能源，不会产生类似因过度使用化石能源而引起的环境污染问题。目前太阳能发电主要有两种形式：一种是聚焦型太阳能热发电，另一种是太阳能光伏发电。其中，太阳能光伏发电可直接将太阳能转换成电能，是一种不需要燃料且无污染的高新技术，已经成为一个更具活力的重要研究领域。但是由于光伏板的转换效率最高在25％左右，导致太阳能的利用率比较低下，所以提高太阳能的利用率对于太阳能利用有着重大意义。世界上许多发达国家都在研究如何能够提高太阳能的利用率从而使太阳能光伏发电得到更加广泛的应用，研究思路大概有三种：第一，从增大太阳能密度入手，例如使用聚光技术提高单位面积内光伏板的光照强度。第二，从提高太阳能光伏板的转化效率入手，研究新型的太阳能光伏材料提高太阳能转化效率。第三，从提高太阳能发电的可利用效率入手，采取合适的逆变电路和控制方法使得太阳能光伏发电的可利用效率增大。本专利技术是从上述三种思路中的第一种思路入手，通过跟踪太阳光提高单位面积内光伏板的光照强度从而提高太阳能利用效率。现今，太阳能光伏板在安装方法上绝大多数采用角度固定形式或者单轴跟踪形式，在跟踪原理上单一的反馈光伏板姿态角度构成单闭环控制，使得太阳能接收转化效率受到很大影响。本专利技术设计了一种能够从两个自由度上自动跟踪太阳光线的伺服跟踪系统，并且可以反馈当前光照强度的方位和光伏板的姿态角度信息进而构成双闭环控制，能够大幅度提升太阳能资源的接收效率，为太阳能的利用和开发进行探索。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对当前普遍对太阳能光伏板的安装方法和跟踪原理不利于对太阳能接收，导致转换效率低的缺点进行改进，提供一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法，包括如下步骤：(1)对系统主要器件型号进行选择并设计光电跟踪电路，电路以当前时刻电路所处环境的太阳光作为输入；(2)计算太阳高度角和方位角；依据系统所在位置的经纬度、日期和时间经过天文学公式计算得到太阳的高度角和方位角，经由单片机计算处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达到相应的角度；(3)判断光强方位；依据(1)中的光电跟踪电路的输出信号判断光照强度强弱的方位，经由单片机处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达向着光照强度强的方位进行移动；(4)陀螺仪加速度计姿态解算；陀螺仪加速度计将光伏板姿态角度信号送到单片机，经过计算处理得到当前光伏板的角度信息。系统安装方法采用双轴跟踪的形式。系统采用开环程控视日运动轨迹跟踪和闭环光电式跟踪相结合的两极跟踪方式。系统将光伏板姿态角度信号反馈回单片机，系统构成双闭环控制；本专利技术的有益效果在于：(1)系统跟踪原理采用开环程控视日运动轨迹跟踪和闭环光电式跟踪相结合的两极跟踪方式，能够使系统适应不同的天气情况进行自适应调整从而尽量有效的利用太阳能。(2)考虑当前时刻的光伏板的姿态角度信息，将信息反馈给单片机构成闭环控制，进一步提高识别的准确率。附图说明图1太阳能光伏板角度控制系统硬件总体结构；图2上下(左右)方向光跟踪电路图；图3太阳能光伏板角度控制系统原理框图；图4软件总体流程图；图5计算太阳高度角和太阳方位角软件流程图；图6判断光强方位子程序流程图；图7陀螺仪姿态解算子程序流程图；图8陀螺仪加速度计与蓝牙模块互传串口助手截图；图9根据光强方位输出的两路PWM波。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：系统选用STM32单片机作为控制器，舵机作为执行机构，光电跟踪电路和陀螺仪加速度计相结合构成检测反馈电路，形成闭环控制系统，可以提高对太阳光跟踪的精度。控制系统工作时，每隔半个小时，程序会先根据当地的经纬度，日期和时间，经过天文学公式计算得到太阳的高度角和方位角，单片机根据高度角和方位角转换成输出控制信号PWM波给舵机，控制舵机将光伏板运动到相应位置，陀螺仪加速度计会将此刻光伏板姿态角度信号反馈给单片机，形成闭环控制。当舵机角度被控制在允许误差带内时，光电跟踪电路会根据当前光照情况反馈给单片机，形成双闭环控制，并控制舵机进行微小的角度调整，这样能更加精确地跟踪太阳光。本专利技术提出的一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法具体包括以下几个步骤。步骤一：对系统主要器件型号进行选择并设计光电跟踪电路，电路以当前时刻电路所处环境的太阳光作为输入。太阳能光伏板角度控制系统硬件总体结构如图1所示，系统工作时STM32单片机根据当前太阳高度角和方位角控制双轴跟踪模块调整光伏板角度，陀螺仪加速度计通过蓝牙传输模块反馈姿态角度信息给STM32构成单闭环控制。同时，光强方位判断电路反馈给STM32当前光照强度方位构成双闭环控制。并将信息实时显示到上位机模块，如果有必要可以通过手动控制模块控制双轴跟踪模块手动控制光伏板角度。下面对主要部件进行选型及简单的说明。核心控制电路中单片机的选择。该系统采用了控制芯片STM32F103RCT6型单片机，该单片机是基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器。相比于51、52、AVR单片机其功能强大，价格适中，性价比非常高。双轴驱动控制模块的选择。执行机构采用MG996R型模拟舵机搭建的双轴驱动装置，该跟踪装置具有两个自由度，一个绕水平面进行旋转，一个可以进行俯仰动作。这样可以实现对太阳的高度角和俯仰角的跟踪，相比于固定式和单轴跟踪形式，虽然结构稍微复杂，但可以提高对太阳能的转化效率。陀螺仪加速度计的选择。该系统的光伏板姿态角度反馈采用高精度的MPU6050陀螺仪加速度计，STM32单片机通过串口读取MPU6050的输出数据，实现了对光伏板姿态角度的实时反馈，从而形成闭环回路控制，提高了对光伏板角度的控制精度。光伏板是一种在太阳光照射下便会产生直流电的发电装置，几乎全部以半导体材料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。系统使用的陀螺仪加速度计模块，控制芯片如何接收其传送的数据是一个关键问题。本系统为了避免连线造成光伏板运动的不便，采用无线数据传输电路蓝牙互传的方式。这样使得系统方便将光伏板的角度信息传递给上位机或者控制芯片。光电跟踪电路的设计。为了能够更加准确的测量出当前时刻和当前位置相对于太阳能光伏板哪个方位的光照强度更强，设计了一个能够判断光照强度方位的电路。电路原理图如图2所示。两个光敏电阻分为位于两个方位(上下或者左右)进行分压，另外两路分压我们可以人为设定为2.4V和2.6V。当两个方位的光照强度相当时，两个光敏电阻分压值在2.5V左右，那么LM393芯片的输出端口1和7会输出一个高电平和一个低电平；若上方光敏电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对系统主要器件型号进行选择并设计光电跟踪电路，电路以当前时刻电路所处环境的太阳光作为输入；(2)计算太阳高度角和方位角；依据系统所在位置的经纬度、日期和时间经过天文学公式计算得到太阳的高度角和方位角，经由单片机计算处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达到相应的角度；(3)判断光强方位；依据(1)中的光电跟踪电路的输出信号判断光照强度强弱的方位，经由单片机处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达向着光照强度强的方位进行移动；(4)陀螺仪加速度计姿态解算；陀螺仪加速度计将光伏板姿态角度信号送到单片机，经过计算处理得到当前光伏板的角度信息。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能光伏板角度控制系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对系统主要器件型号进行选择并设计光电跟踪电路，电路以当前时刻电路所处环境的太阳光作为输入；(2)计算太阳高度角和方位角；依据系统所在位置的经纬度、日期和时间经过天文学公式计算得到太阳的高度角和方位角，经由单片机计算处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达到相应的角度；(3)判断光强方位；依据(1)中的光电跟踪电路的输出信号判断光照强度强弱的方位，经由单片机处理后分别对控制高度角舵机和方位角舵机发送控制信号，使光伏板达向着...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，牛帅，董泽全，童丽峰，张磊，贲浩然，高菁，郭俊俏，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23