一種太陽能路燈用太陽能電池板的太陽跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池板的控制，特別涉及太陽能路燈用的太陽能電池板的追日方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能路燈以太陽能作為主要能源，輔助風(fēng)力發(fā)電作為補(bǔ)充，同時(shí)連接公共電網(wǎng)，將自身多余的電量送到電網(wǎng)，當(dāng)自身發(fā)電量不足時(shí)從電網(wǎng)取電。這種路燈可用于城鎮(zhèn)、廣場(chǎng)、學(xué)校、公園、街道、草坪的照明。
[0003]對(duì)于太陽能電池板，陽光照射到電池板表面的入射角是光伏系統(tǒng)能效的一個(gè)決定因素。對(duì)于固定式太陽能電池板而言，一天中大部分時(shí)間，陽光都是傾斜地照在太陽能電池板上。只有當(dāng)陽光垂直照射在電池板上時(shí)才會(huì)獲得最大的能源產(chǎn)出。因此，理想的解決方案是將光伏電池板安裝在能夠精確跟隨太陽運(yùn)行軌跡而移動(dòng)的追蹤系統(tǒng)中。采用這種方式，太陽能電池板的發(fā)電量比固定式系統(tǒng)的發(fā)電量高出35%以上。
[0004]當(dāng)太陽直射到太陽能電池板時(shí)，轉(zhuǎn)換效率最高。有兩個(gè)因素影響照射角度，一個(gè)是太陽的高度角，一個(gè)是太陽能電池板的方位角。對(duì)于地球上的某個(gè)地點(diǎn)，太陽高度角是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角，專業(yè)上講太陽高度角是指某地太陽光線與通過該地與地心相連的地表切線的夾角。太陽高度角簡稱高度角。
[0005]在生物界，向日葵已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了太陽的跟蹤。向日葵從發(fā)芽到花盤盛開之前這一段時(shí)間是向日的，其葉子和花盤在白天追隨太陽從東轉(zhuǎn)向西，不過并非即時(shí)的跟隨，植物學(xué)家測(cè)量過，其花盤的指向落后太陽大約12度，即48分鐘。太陽下山后，向日葵的花盤又慢慢往回?cái)[，在大約凌晨3點(diǎn)時(shí)，又朝向東方等待太陽升起。
[0006]太陽相對(duì)地球的運(yùn)行規(guī)律:
春分日和秋分日，太陽從正東方升起，正午到達(dá)子午線，方向正南，然后從正西日投，日夜時(shí)段平分。
[0007]夏至日，太陽從東北方升起，正午到達(dá)子午線，方向正南，然后從西北日投，此日在一年中晝間時(shí)段最長，夜間時(shí)段最短，正午是太陽高度角最大。
[0008]東至日，太陽從東南方升起，正午到達(dá)子午線，方向正南，然后從西南日投，此日在一年中晝間時(shí)段最短，夜間時(shí)段最長，正午是太陽高度角最小。
[0009]北京在夏至日太陽初升時(shí)的方位角大致為東偏北31°，在冬至日太陽初升時(shí)的方位角大致為東偏南31°。
[0010]目前，太陽跟蹤系統(tǒng)主要采取以下幾種方式:
1、壓差式太陽跟蹤器:采光板南北放置，其傾角可按不同季節(jié)通過手動(dòng)調(diào)節(jié)。在采光板周邊設(shè)有一組空氣管作為時(shí)角的跟蹤傳感器。當(dāng)太陽偏移時(shí)，兩根空氣管受太陽的照射不同，管內(nèi)產(chǎn)生壓差。當(dāng)壓差達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，壓差執(zhí)行器就發(fā)出跟蹤信號(hào)，用壓力為0.1Mpa的自來水作為跟蹤動(dòng)力來帶動(dòng)采光板跟蹤太陽。當(dāng)采光板對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，管內(nèi)壓力平衡，壓差執(zhí)行器停止跟蹤。其主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單、制作費(fèi)用低、跟蹤器的跟蹤靈敏度高。這種跟蹤器在實(shí)際中應(yīng)用范圍很廣，但是存在機(jī)構(gòu)剛度低、工作空間受限制的缺點(diǎn)，而且一般只用于單軸跟蹤。另外，不能完成自動(dòng)對(duì)太陽往返于南北回歸線之間的運(yùn)動(dòng)跟蹤，只能每隔一段時(shí)間重新對(duì)準(zhǔn)陽光。因此，跟蹤精度特別低，尚需要人為干涉，無法達(dá)到自動(dòng)跟蹤太陽。
[0011]2、控放式太陽跟蹤器:控放式自動(dòng)跟蹤裝鉻對(duì)太陽方位角進(jìn)行單向跟蹤，操作時(shí)，在集熱裝置西側(cè)安放一偏重，作為太陽采光板向西轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，采光板的轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能來源于偏重的勢(shì)能，其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，可以不用外接電源，使收集到的能源充分轉(zhuǎn)化利用。但是該機(jī)構(gòu)只能做成單軸跟蹤器，不能適應(yīng)野外惡劣的工作環(huán)境，特別是大風(fēng)會(huì)對(duì)裝置造成影響。
[0012]3、機(jī)械式跟蹤器:這是一種被動(dòng)式的跟蹤裝置，可以有單軸和雙軸兩種形式。這種跟蹤裝鉻通過電機(jī)以恒定的速度帶動(dòng)太陽能采光板運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的運(yùn)行軌跡的跟蹤。1997年美國研制出了單軸太陽跟蹤器，能完成東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率提高了 15%。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、便于制造，并且該裝置的控制系統(tǒng)也十分簡單，但是該裝鉻跟蹤精度不高，需要人為進(jìn)行干涉，不能完全達(dá)到自動(dòng)跟蹤太陽的要求。
[0013]4、光電傳感器跟蹤裝置:光電管的安裝靠近遮光板。通過調(diào)整遮光板的位置，使遮光板對(duì)準(zhǔn)太陽、硅光電池處于陰影區(qū)；當(dāng)太陽西移時(shí)，遮光板的陰影偏移，光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整角度，使追蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽完成跟蹤。其優(yōu)點(diǎn)是光電跟蹤靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，不需要人為干涉，可以完全自動(dòng)跟蹤太陽。但是該種機(jī)構(gòu)易受天氣的影響，如果在稍長時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，則太陽光線往往不能照射到太陽能電池板上，導(dǎo)致跟蹤裝置無法對(duì)準(zhǔn)太陽，甚至?xí)璉起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)。
[0014]5、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng):視日運(yùn)動(dòng)軌跡系統(tǒng)根據(jù)跟蹤系統(tǒng)的軸數(shù)可分為單軸和雙軸兩種。單軸跟蹤一般采用3種方式:一是傾斜布置東西跟蹤；二是焦線南北水平布置，東西跟蹤；三是焦線東西水平布置，南北跟蹤。這3種方式都是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向或東西向跟蹤。雙軸跟蹤可以分為兩種方式:極軸式全追蹤和高度角一方位角式全追蹤。在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠跟蹤太陽，從而獲得最多的太陽能。全跟蹤(即雙軸跟蹤)就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計(jì)的。視日運(yùn)行軌跡跟蹤方法是通過計(jì)算機(jī)計(jì)算太陽運(yùn)行軌跡，并自動(dòng)跟蹤其軌跡來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的跟蹤。在天文學(xué)上，太陽的觀測(cè)位置是可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦汇t和時(shí)間來確定的，計(jì)算機(jī)就根據(jù)這一信息來確定太陽的觀測(cè)位置。其優(yōu)點(diǎn)是通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算使跟蹤裝置可以全天跟蹤，而不需要人為地干預(yù)和幫助。另外，采用視日運(yùn)行軌跡跟蹤方法還需要完成日出時(shí)間和日落時(shí)間的計(jì)算。在日出前，跟蹤裝置按照一定的運(yùn)行軌跡到達(dá)預(yù)定的位置等待日出；在日落后，跟蹤裝置又需要按原路線返回到日出前位置。
[0015]大型的太陽能發(fā)電機(jī)構(gòu)基本上都采用第5種方式。但該方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置完成跟蹤。
[0016]對(duì)于太陽能路燈來說，配套的設(shè)備不可能太復(fù)雜，如何在獲得最大的太陽能轉(zhuǎn)換效率和降低設(shè)備的復(fù)雜度之間取得平衡，是一個(gè)需要解決的技術(shù)問題。
[0017]目前，一定范圍內(nèi)的太陽能路燈通過有線或無線方式已經(jīng)組成局域網(wǎng)，特別是通過連接路燈間的電力線聯(lián)網(wǎng)，并且，為了實(shí)現(xiàn)集中控制，各局域網(wǎng)還可以連接到控制中心。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]為了在太陽能路燈上充分利用太陽能，考慮太陽能路燈本身的特點(diǎn)，提出了本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種太陽能路燈用太陽能電池板的太陽跟蹤控制方法，多個(gè)太陽能路燈各自配套太陽能電池板、電力線通信模塊以及包括處理器的控制板，路燈間通過電力線連接，關(guān)鍵在于:在每個(gè)變壓器工作范圍內(nèi)，至少設(shè)置一個(gè)太陽能路燈作為局域網(wǎng)主站，其他太陽能路燈作為終端站；每個(gè)太陽能路燈的太陽能電池板配套設(shè)置方位角和俯仰角調(diào)節(jié)的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)；作為局域網(wǎng)主站的太陽能路燈的控制板上設(shè)置GPS模塊和存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)當(dāng)前地點(diǎn)的全年太陽初升、落日時(shí)間以及每天太陽初升時(shí)太陽的方位角；
太陽能電池板的太陽跟蹤控制方法包括以下步驟:
A、根據(jù)太陽能路燈安裝位置的經(jīng)緯度安裝調(diào)整聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)整的原則是當(dāng)太陽能電池板轉(zhuǎn)到東、西向時(shí)，太陽能電池板與垂直方向的夾角設(shè)置為0°?5。，正午時(shí)太陽能電池板與垂直方向的夾角設(shè)置為該地春分時(shí)的太陽高度角±10° ;
B、局域網(wǎng)主站通過GPS模塊取得當(dāng)前時(shí)間；
C、局域網(wǎng)主站將當(dāng)前時(shí)間減去存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的當(dāng)天太陽初升時(shí)間，然后再加上15分鐘，當(dāng)結(jié)果為30分鐘的倍數(shù)時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)向局域網(wǎng)中的終端站發(fā)送角度旋轉(zhuǎn)命令，主站將太陽能電池板自東向西轉(zhuǎn)7.5° ；
D、如果取得的當(dāng)前時(shí)間等于存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的當(dāng)天太陽落日時(shí)間，通過網(wǎng)絡(luò)向局域網(wǎng)中的終端站發(fā)送復(fù)位命令，復(fù)位命令中包含第二天太陽初升時(shí)太陽的方位角，主站將太陽能電池板轉(zhuǎn)到第二天太陽初升時(shí)太陽的方位角位置；
F、網(wǎng)絡(luò)終端站收到角度旋轉(zhuǎn)命令時(shí)，將太陽能電池板自東向西轉(zhuǎn)7.5° ；
E、網(wǎng)絡(luò)終端站收到復(fù)位命令時(shí)，將太陽能電池板轉(zhuǎn)到第二天太陽初升時(shí)太陽的方位角位置。
[0020]一定區(qū)域范圍內(nèi)，具體到在太陽能路燈組成的局域網(wǎng)范圍內(nèi)，太陽的高度角和方位角大致是一樣的，因此可以在此范圍內(nèi)統(tǒng)一調(diào)整太陽能電池板的角度。采用局域網(wǎng)主站或控制中心統(tǒng)一控制，可以簡化其他作為終端站的太陽能路燈的功能。
[0021]根據(jù)安裝地點(diǎn)的經(jīng)緯度將該地的全年太陽初升、落日時(shí)間以及每天太陽初升時(shí)太陽的方位角存儲(chǔ)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間每半小時(shí)來調(diào)整一次方位角，調(diào)整角度為7.5°，節(jié)省存儲(chǔ)空間，控制方