專利名稱：一種光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)及控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光伏控制系統(tǒng)，本發(fā)明涉及光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制技術及方法。
背景技術：
光伏發(fā)電是一種潔凈無污染的可再生能源，發(fā)展前景非常廣闊，光伏發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術。然而它也存在著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多光伏電池板陣列基本上都是固定的，未采用隨動系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)存在無法保持太陽光始終垂直于電池板的缺點， 其最大功率跟蹤(MPPT)只是采用純算法控制來實現，光伏發(fā)電受自然條件及日照的影響比較大，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電效率較低。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)的缺陷和不足之處，可歸結為以下幾個方面
第一、光照強度隨時間、天氣等條件的變化差異很大，對系統(tǒng)發(fā)電量有很大的影響?，F有的太陽能最大功率點跟蹤(MPPT)控制技術多采用單純的控制算法來實現，而光伏電池本身是固定的，從而使得光伏電池接收的太陽輻射度與太陽光入射角是被動的。使得系統(tǒng)發(fā)電量無法最大化。第二、隨動系統(tǒng)多采用單軸隨動系統(tǒng)，跟蹤效率低。第三、已有的隨動系統(tǒng)未對太陽輻射與環(huán)境亮度作比較校核，自動隨動系統(tǒng)的準確性較低、可靠性較差，容易因季節(jié)變化而產生累積誤差。第四、已有的隨動系統(tǒng)基本上采用被動式跟蹤控制，即采用利用這兩個獨立的光傳感器感測太陽輻射強度，并利用獲得的兩個信號差值對電池板的位置進行調整，直至太陽光直射太陽電池板。被動式跟蹤控制思路簡單，控制器設計容易，但是一般的光敏傳感器都具有較寬的感光角度，由于陽光的散射，使這種方式對太陽光角度的偏離并不敏感。另外，隨動系統(tǒng)是安裝在戶外，光敏元件常被灰塵遮蓋，將使光敏元件感光能力減弱，導致系統(tǒng)動作遲鈍， 起始跟蹤的偏差角度變大或者當兩個光敏元件被污染的程度不同時，它們的輸出將形成一個固有的偏差，這將導致太陽電池板無法準確跟蹤太陽位置。

發(fā)明內容
為了克服現有技術的不足，提高太陽能利用率，本發(fā)明設計了一種結構簡單、成本低廉、免維護、具廣泛應用價值的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，可實現各種天氣狀況下的太陽跟蹤，精度較高，并能使太陽能電池板始終對準太陽，保持最大的發(fā)電效率。本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案如下面所描述
一種光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，包括分別與單片機控制系統(tǒng)連接的時鐘電路、雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)以及光電檢測裝置，其中，所述雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)包括連接電池板支架的第一跟蹤部件以及第二跟蹤部件，所述電池板以及光電檢測裝置設置在電池板支架上面，并且，所述單片機控制系統(tǒng)分別控制并驅動第一跟蹤部件以及第二跟蹤部件， 帶動上述電池板以及光電檢測裝置在垂直方向和水平方向上運動。
進一步地，優(yōu)選的結構是，所述光電檢測裝置包括光電光敏傳感器以及光電編碼電路，并且，所述光電光敏傳感器和電池板面互相平行。 進一步地，優(yōu)選的結構是，所述第一跟蹤部件包括第一電動馬達與電動推桿，所述第二跟蹤部件包括第二電動馬達和回轉驅動系統(tǒng)，并且，第一跟蹤部件控制電池板在垂直方向上(Γ90 運動，第二跟蹤部件控制電池板在水平面上360 旋轉。進一步地，優(yōu)選的結構是，所述第一電動馬達與第二電動馬達連接單片機控制系統(tǒng)，并且，在第一電動馬達、第二電動馬達與單片機控制系統(tǒng)之間設置有馬達驅動器。進一步地，優(yōu)選的結構是，所述第一電動馬達與電動推桿之間以及第二電動馬達和回轉驅動系統(tǒng)之間都分別設置有減速機構。進一步地，優(yōu)選的結構是，所述減速機構為渦輪減速機構或者行星減速器。進一步地，優(yōu)選的結構是，所述回轉驅動機構包括轉動軸、在轉動軸上固定的大齒輪以及小齒輪，第二電動馬達通過行星減速機構、聯軸機構與上述齒輪連接。進一步地，優(yōu)選的結構是，還設置有限位機構，所述限位機構限制雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)的極限位置，并在雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)到達極限位置的時候，輸送信號給上述單片機控制系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還公開了一種光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的控制方法，包括下列步驟(a)通過太陽視日運動軌跡跟蹤，將系統(tǒng)帶入一個預定的足夠小的范圍內，再啟動光電跟蹤或視日運動軌跡跟蹤；(b)開機后光電檢測電路檢測白天還是黑夜；當檢測為黑夜時系統(tǒng)停止運行；若檢測為白天，系統(tǒng)進行初始化；(c)初始化完成后進入視日運動軌跡跟蹤，使其到達光電跟蹤的視場范圍內，再根據光電傳感器的檢測結果啟動光電跟蹤或視日運動軌跡跟蹤。進一步地，優(yōu)選的方法是，所述跟蹤是采取主動跟蹤的形式，并且，所跟蹤的兩個參數是太陽高度角以及太陽方位角。本發(fā)明在采取了上述技術方案的有益效果如下面所描述
第一，本發(fā)明采用主動式跟蹤控制方法，避免被動式跟蹤系統(tǒng)的缺陷，通過跟蹤太陽高度角以及太陽方位角的方式，能夠充分地使得太陽光入射角增大，從而使得光伏電池接收輻射能增加，進而光伏電池最大輸出功率增加。第二，本發(fā)明所采取的驅動系統(tǒng)是雙軸主動式太陽隨動系統(tǒng)，可實現各種天氣狀況下的太陽跟蹤，精度較高，并能使太陽能電池板始終對準太陽，保持最大的發(fā)電效率。第三，本發(fā)明公開的控制方法，能夠自動檢測晝夜，并應用了主動式跟蹤控制方法，使得該自動隨動系統(tǒng)的準確性高、可靠性強，在晴天檢測過程中能實時讀取正確的時間和角度數據，消除因季節(jié)變化而產生的積累誤差。


通過下面結合附圖對其示例性實施例進行的描述，本發(fā)明上述特征和優(yōu)點將會變得更加清楚和容易理解。
圖1是本發(fā)明光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的結構框圖2是本發(fā)明光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的第一跟蹤部件示意圖； 圖3是本發(fā)明光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的第二跟蹤部件示意圖。圖4是本發(fā)明光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的控制方法的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。圖1是本發(fā)明光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的結構框圖。如圖所示，本發(fā)明公開的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，包括分別與單片機控制系統(tǒng)連接的時鐘電路、雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)23以及光電檢測裝置，其中，所述雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)23包括連接電池板支架16的第一跟蹤部件21以及第二跟蹤部件22，電池板以及光電檢測裝置設置在電池板支架16上面，并且，單片機控制系統(tǒng)(例如，PLC或MCU 控制器1)分別控制并驅動第一跟蹤部件21以及第二跟蹤部件22，帶動上述電池板以及光電檢測裝置在垂直方向和水平方向上運動。圖2是本發(fā)明光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的第一跟蹤部件示意圖。如圖1、 圖2所示，第一跟蹤部件21包括第一電動馬達4以及電動推桿18，電動推桿18包括推桿 9、絲桿7以及軸承及軸承座6、連接桿10以及推桿內管8，上述推桿9能夠在推桿內管8之中實現前后移動，并且，在連接桿10的一端連接有接桿11，上述接桿11又與放置有電池板以及光電檢測裝置的電池板支架16連接在一起。并且，由于電動推桿6的不斷前后移動，可以帶動電池板在(Γ90 的垂直方向上進行活動。另外，為了緩沖第一電動馬達4對電動推桿18之間的動力，在第一電動馬達4和軸承及軸承座6之間設置有渦輪減速機構5，通過軸承及軸承座6，使摩擦力減小，以降低調整太陽高度角的第一電動馬達4的調整功率；并且，通過渦輪減速機構5，進行一定的轉速比調整，能夠達到降低第一電動馬達4的調整功率的技術效果。圖3是本發(fā)明光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的第二跟蹤部件示意圖。如圖1、圖3所示，第二跟蹤部件22，具體包括第二電動馬達3以及回轉驅動機構 19，并且，回轉驅動機構19包括大齒輪13以及小齒輪14，并且，還包括有轉動軸12，其中， 轉動軸12連接電池板支架16，并且，通過轉動軸12的轉動，實現電池板在水平方向上的 360°旋轉，借此，實現在太陽水平角方向上的采集。并且，轉動軸12上固定的大齒輪13以及小齒輪14形成一個齒輪減速機構，并且， 在第二電動馬達3與小齒輪14之間設置有行星減速器15，上述第二電動馬達3可通過行星減速器15以及聯軸機構與轉動軸連接，并同時，通過行星減速器15與齒輪減速機構控制第二電動馬達3的調整功率。繼續(xù)對上述機構進行描述，光電檢測裝置包括光電光敏傳感器M以及光電編碼電路，并且，光電光敏傳感器M和電池板面互相平行，一般地，太陽的高度角和方位角的跟蹤太陽都是采用光電光敏傳感器M和光電編碼方式進行采集和處理的，上述數據又可以輸送到單片機控制系統(tǒng)(單片機控制器1)之中去，以便于下一步的操作。
時鐘電路包括一個電子時鐘2，其連接上述單片機控制器1，并且，電子時鐘2輸送時間數據給單片機控制器1，借此，能夠較好地控制該系統(tǒng)的運轉以及對太陽光能量的采集與處理。另外，在本發(fā)明系統(tǒng)中還設置有一個限位機構(例如，限位開關20)，該限位開關 20限制上述雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)23的(第一跟蹤部件21和第二跟蹤部件22)的極限位置，在雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)23達到極限位置時把信號送由單片機進行判斷，從而能起到檢測保護作用。并且，上述單片機送出方位角和高度角電機的正反轉控制信號，經控制驅動電路分別驅動方位角和高度角這兩個電動馬達，這樣就構成了方位角和高度角的第一和第二跟蹤機構。下面對上述光伏陣列最大功率點跟蹤(MPPT)隨動系統(tǒng)及控制方法原理進行一個簡單的描述
圖4是本發(fā)明光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的控制方法的示意圖。首先，光伏電池接收的太陽輻射度與太陽光入射角(太陽光與光伏電池平面的夾角)有關，入射角增加，光伏電池接收輻射能增加，進而光伏電池最大輸出功率增加。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，使用太陽能跟蹤器，使得太陽光入射角增大，進而光伏電池最大輸出功率增大，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量。其次，光伏電池方陣隨動系統(tǒng)采用地平坐標系，地平坐標隨動系統(tǒng)以地平面為參照系，跟蹤的是兩個參數太陽高度角(太陽射線與地平面的夾角)和太陽方位角(太陽射線在地面上的投影與正南方向的夾角)。再次，本發(fā)明采用主動式跟蹤控制方法，避免被動式跟蹤系統(tǒng)的缺陷。一般地，首先，控制器1從電子時鐘2中讀取當前時間，根據已設定好的經度、緯度等地理參數，計算出當前太陽位置。然后控制器1根據當前太陽的位置，向馬達驅動器17發(fā)出驅動信號，驅動電機經過減速機構等機械裝置，分別驅動電動推桿18和回轉驅動機構19，帶動太陽電池板移動旋轉到特定位置，最后，通過光電旋轉編碼器測量太陽電池板的位置并反饋給控制器1?？刂破?將反饋回來的太陽電池位置與所計算得出的太陽位置相比較，當二者相吻合時，控制結束，反之，繼續(xù)驅動電機，直至到達目標位置。主動式跟蹤方式避免了被動式跟蹤方式出現的一系列問題，能夠準確地跟蹤太陽位置。其中，本發(fā)明實施例中，所述第一電動馬達4和第二電動馬達3可以選取三相異步電動機，馬達驅動器17可以選取變頻器。當然，上述機構如果有其他能夠實現類似功能的部件，也可以替換為其他的電動元件。另外，本發(fā)明在控制方法上，通過采用光電跟蹤與太陽視日運動軌跡跟蹤相結合的方法來可加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，步驟如下
SOOl 通過太陽視日運動軌跡跟蹤，將系統(tǒng)帶入一個預定的足夠小的范圍內，再啟動光電跟蹤或視日運動軌跡跟蹤。S002 開機后光電檢測電路檢測白天還是黑夜；當檢測為黑夜時系統(tǒng)停止運行； 若檢測為白天，系統(tǒng)進行初始化。S003 初始化完成后進入視日運動軌跡跟蹤，使其到達光電跟蹤的視場范圍內，再根據光電傳感器的檢測結果啟動光電跟蹤或視日運動軌跡跟蹤。該隨動系統(tǒng)晴天時按光電檢測跟蹤方式跟蹤；陰天時系統(tǒng)自動轉入視日運動軌跡跟蹤方式繼續(xù)跟蹤；當陰天過后出現晴天時，系統(tǒng)又自動轉入光電跟蹤模式跟蹤。這種主動式跟蹤方式提高了光伏跟蹤器的精度。本太陽自動隨動系統(tǒng)能自動檢測晝夜，并應用了主動式跟蹤控制方法，使得該自動隨動系統(tǒng)的準確性高、可靠性強，在晴天檢測過程中能實時回存正確的時間和角度數據，消除因季節(jié)變化而產生的積累誤差。在陰天時能自動轉動到以前晴天時的位置。即使是在天氣變化比較復雜的情況下，系統(tǒng)也能正常工作，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用效率。而且可從電池板直接獲取電能，而無需另外輸入能量，本系統(tǒng)也可用于其它太陽能利用裝置。本發(fā)明的主要的技術效果總結如下
第一，本發(fā)明設計的主動式光伏隨動系統(tǒng)的結構設計合理，其成本與固定支架基本相當，但卻可以有效提高發(fā)電量20%-40%，是一條降低光伏發(fā)電成本的有效途徑。第二，本發(fā)明設計的隨動控制機構能耗低，是一種較為理想的光伏二軸跟蹤機構。 隨動系統(tǒng)的日均自耗電量小于系統(tǒng)發(fā)電量的1%。第三，本發(fā)明設計的跟蹤精度控制精度高，通過試驗樣機的運行，主動式雙軸控制方法系統(tǒng)跟蹤的實際誤差在0.3度以內。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，其特征在于，包括分別與單片機控制系統(tǒng)連接的時鐘電路、雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)以及光電檢測裝置，其中，所述雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)包括連接電池板支架的第一跟蹤部件以及第二跟蹤部件，一電池板以及所述光電檢測裝置設置在所述電池板支架上面，并且，所述單片機控制系統(tǒng)分別控制并驅動第一跟蹤部件以及第二跟蹤部件，帶動所述電池板以及光電檢測裝置在垂直方向和水平方向上運動。
2.根據權利要求1所述的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，其特征在于，所述光電檢測裝置包括光電光敏傳感器以及光電編碼電路，并且，所述光電光敏傳感器和電池板面互相平行。
3.根據權利要求2所述的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，其特征在于，所述第一跟蹤部件包括第一電動馬達與電動推桿，所述第二跟蹤部件包括第二電動馬達和回轉驅動系統(tǒng)，并且，第一跟蹤部件控制所述電池板在垂直方向上(Γ90°運動，第二跟蹤部件控制所述電池板在水平面上360°旋轉。
4.根據權利要求3所述的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電動馬達與第二電動馬達連接單片機控制系統(tǒng)，并且，在第一電動馬達、第二電動馬達與單片機控制系統(tǒng)之間設置有馬達驅動器。
5.根據權利要求4所述的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電動馬達與電動推桿之間、第二電動馬達和回轉驅動系統(tǒng)之間都分別設置有減速機構。
6.根據權利要求5所述的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，其特征在于，所述減速機構為渦輪減速機構或者行星減速器。
7.根據權利要求6所述的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，其特征在于，所述回轉驅動機構包括轉動軸、在轉動軸上固定的大齒輪以及小齒輪，第二電動馬達通過行星減速機構、聯軸機構與上述齒輪連接。
8.根據權利要求1所述的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)還設置有限位機構，所述限位機構限制雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)的極限位置，并在雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)到達極限位置的時候，輸送信號給所述單片機控制系統(tǒng)。
9.一種如權利要求1至8任一權項所述的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括下列步驟(a)通過太陽視日運動軌跡跟蹤，將系統(tǒng)帶入一個預定的足夠小的范圍內，再啟動光電跟蹤或視日運動軌跡跟蹤；(b)開機后光電檢測電路檢測白天還是黑夜；當檢測為黑夜時系統(tǒng)停止運行；若檢測為白天，系統(tǒng)進行初始化；(c)初始化完成后進入視日運動軌跡跟蹤，使其到達光電跟蹤的視場范圍內，再根據光電傳感器的檢測結果啟動光電跟蹤或視日運動軌跡跟蹤。
10.根據權利要求9所述的光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述跟蹤是采取主動跟蹤的形式，并且，所跟蹤的兩個參數是太陽高度角以及太陽方位
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光伏陣列最大功率點跟蹤隨動系統(tǒng)，包括分別與單片機控制系統(tǒng)連接的時鐘電路、雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)以及光電檢測裝置，其中，所述雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)包括連接電池板支架的第一跟蹤部件以及第二跟蹤部件，所述電池板以及光電檢測裝置設置在電池板支架上面，并且，所述單片機控制系統(tǒng)分別控制并驅動第一跟蹤部件以及第二跟蹤部件，帶動上述電池板以及光電檢測裝置在垂直方向和水平方向上運動。本發(fā)明所采取的驅動系統(tǒng)是雙軸主動式太陽隨動系統(tǒng)，可實現各種天氣狀況下的太陽跟蹤，精度較高，并能使太陽能電池板始終對準太陽，保持最大的發(fā)電效率。此外，本發(fā)明還公開了該系統(tǒng)的控制方法。
文檔編號H02N6/00GK102447422SQ20101050293
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權日2010年10月11日
發(fā)明者楊建中 申請人:上海悅嘉能源科技有限公司