一种自动跟随太阳光的光伏板控制系统的制作方法

本发明涉及一种控制系统，具体是一种自动跟随太阳光的光伏板控制系统。

背景技术：

随着20世纪70年代的能源危机，全球环境污染日趋严重，加上各个领域新型技术对低碳、环保、节能的迫切需要，形成了一轮太阳能利用的新高潮。太阳能作为一种新能源，在能源发展中与常规能源相比占有相当突出的优势：

第一，它是人类可以利用的最丰富的能源：地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛及边远地区具有重要的价值；

第二，无污染性：人类比以往更强烈的认识到，社会的可持续发展与生态环境保护是相互联系的一个整体部分，环境与发展不能相互脱离。利用太阳能做能源，真正意义上实现低碳、环保、节能，这在环境污染日趋严重的今天显得尤为可贵。

第三，经济性：随着太阳能利用技术的发展，太阳能利用的成本已经大大下降。

鉴于以上原因，专家们研究预测一致认为：21世纪人类最清洁，最廉价的能源就是太阳能。

目前人类利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。

人类对于再生性能源的需求在石化原料日渐耗尽的今天备受重视，太阳能利用是个滔滔不绝的绝佳能源替代方案，因为每天太阳投射到地球表面的能量大于地球所需的一万倍以上。太阳能电池自动跟踪系统的开发与研究，提高了太阳能电池板的发电效率，达到了低成本、高精度、使用灵活的要求，对大规模使用太阳能发电，合理利用新能源具有重要的意义。

太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前，很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。据实验，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35％，因此在太阳能利用中，进行太阳光实时跟踪是十分必要的。由于太阳能利用受地形、地势、位置、云雨等自然条件的影响很大，传统太阳能电池的成本较高而转化成电能的效率又太低，得不到普及利用。自动跟随太阳光的智能型太阳能系统设计正是为了解决太阳能转换效率低的问题，为了更大程度的利用太阳能。阳光照射的角度不固定，想达到最大的集热效果，太阳能集热板应和太阳光线保持垂直。所以，本设计是一套以单片机为控制核心的太阳能自动追踪机械控制系统，能够随着太阳光照射方向的变化而使太阳能板始终与太阳能光线垂直。具体要求为结构简单、成本低、不但能在晴天时正常追踪太阳，当突然出现阴天时也能自动追踪。本设计的追踪精度较高，可保持最大的太阳能利用率，且具有低成本，免维护等优点，有较好推广应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自动跟随太阳光的光伏板控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自动跟随太阳光的光伏板控制系统，包括单片机、驱动电路、X轴电动机、Y轴电动机、状态信息显示模块和太阳能电池板装置，所述单片机分别连接状态信息显示模块和驱动电路，驱动电路还分别通过X轴电动机和Y轴电动机连接太阳能电池板装置。

作为本发明进一步的方案：所述单片机采用AT89C51。

作为本发明再进一步的方案：所述单片机负责任意时刻太阳高度角和方位角的计算，并运用软件计算出当前状况下俯仰与水平方向的步进电动机运行的步数，将数据送给驱动电路，单片机接收上位机送来的数据，驱动电动机的运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有跟踪精度高、运行可靠、实用性强等特点。

附图说明

图1为自动跟随太阳光的光伏板控制系统的电路原理框图；

图2为自动跟随太阳光的光伏板控制系统中太阳高度角和方位角的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～2，本发明实施例中，一种自动跟随太阳光的光伏板控制系统，包括单片机、驱动电路、X轴电动机、Y轴电动机、状态信息显示模块和太阳能电池板装置，所述单片机分别连接状态信息显示模块和驱动电路，驱动电路还分别通过X轴电动机和Y轴电动机连接太阳能电池板装置；所述单片机采用AT89C51；所述单片机负责任意时刻太阳高度角和方位角的计算，并运用软件计算出当前状况下俯仰与水平方向的步进电动机运行的步数，将数据送给驱动电路，单片机接收上位机送来的数据，驱动电动机的运行。

本发明的工作原理是：本设计系统研究的是为地平坐标系的双轴自动跟踪系统，因此采用双坐标电动机控制，双坐标电动机控制就是在X轴方向控制1台电动机，在Y轴方向控制1台电动机。这2台电动机同时驱动同一个对象，使太阳能电池板在一个平面上以任意曲线运动。

机械部分主要是顶部太阳能电池板、电机控制装置和底座。顶部太阳能电池板的中部固定一个控制机构，与控制机构相接触的是一个电动机(Y轴电机)。该电机可以使顶部太阳能电池板在竖直方向上360度转动。另一个电动机(X轴电机)可以使转轴在水平方向上360度转动，从而带动太阳能板在水平方向上360度转动。因此，通过控制这两个电机的转动，就可以控顶部太阳能电池板在三维面上任意转动。控制部分主要由AT89C51单片机系统构成。这样我们通过单片机来控制两电机的转动，就可以实现顶部太阳能电池板跟随太阳一起转动，从而提高太阳能电池板的太阳能转换效率。

机械结构的工作原理为X、Y轴2个电动机分别对高度角和方位角2个方向进行控制。跟踪器的方位轴垂直地平面，控制水平方向；另一根与方位轴垂直称为俯仰轴，控制垂直方向。工作时，太阳跟随器根据太阳运动的位置通过方位轴转动改变方位角来改变水平方向，从而使太阳光线与接受平台垂直，以达到跟踪的目的。

太阳每天东升西落，任意时刻太阳的位置可以用视位置精确表示。视日运动轨迹跟踪就是利用控制单元根据相应的公式和参数计算出白天时太阳的实时位置，然后发出指令给电动机去驱动太阳跟踪装置，以达到对太阳实时跟踪的目的。太阳视位置用太阳高度角和太阳方位角两个角度作为坐标表示。太阳高度角指太阳中心直射到当地的光线与当地水平线的夹角。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。系统采用水平方位电动机和俯仰方向电动机来追踪太阳的方位角和高度角，从而可以实时追踪太阳的装置。为了提高太阳能电池板对光能的采集效率，需要尽可能的保持太阳光垂直照射到太阳能电池板上。从高度角和方位角两个物理量是可以描述太阳的这种位置变化的，太阳能电池板对高度角和方位角的跟踪就能保证阳光垂直照射电池板，但是在一般情况下还需要光电传感器反馈来对跟踪的误差进行修正，以提高自动跟踪的精度。单片机负责任意时刻太阳高度角和方位角的计算，并运用软件计算出当前状况下俯仰与水平方向的步进电动机运行的步数，将数据送给跟踪系统驱动器，单片机接收上位机送来的数据，驱动电动机的运行。系统具有实现复位、水平方位的调整、俯仰方向的调整的功能。

太阳在天球上的位置可由太阳高度角αs和太阳方位角γs来确定。请参阅图2。

(1)太阳高度角αs又称太阳高度、太阳俯仰角，是指太阳光线与地表水平面之间的夹角(0≤αs≤900)，可由(1)式计算得出：

(2)太阳方位角γs是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角，可由(2)式确定：

(1)式和(2)式中各角度单位均为度，其中为当地纬度角；δ为太阳赤纬角；τ为时角，即用角度表示的时间。

注意：太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负。太阳能发电地点的地理经纬度通过GPS等精密导航仪器可以方便获得。而赤纬角和时角的计算需要通过时间确定。

太阳赤纬角δ是日地中心的连线与赤道面间的夹角，每天均处在变化之中。δ可由(3)式确定。

δ＝23.45×sin[360/365×(284+n)] (3)

(3)式中，n为一年中的日期序号，从1月1号开始起数，n＝1，每往后加一天，n＝n+1，比如我们在此输入165(天)，就相当于今年的6月12日，输入286(天)，就相当于今年的10月13日，其他以此类推。以此可计算出，春分和秋分时δ＝0°，夏至时δ＝23.442°，冬至时δ＝-23.442°。

时角τ的计算相对复杂。由于真正的太阳在黄道上的运动不是匀速的，而是时快时慢，因此，真太阳日的长短也就各不相同。日常生活中的钟表时间采用的是“平太阳时”，即太阳沿着周年运动的平均速率，在工程计算中，若直接采用钟表时间计算，就会存在时差问题(“真太阳时”与“平太阳时”之差)，因此必须采用真太阳时(t0)，否则在实际计算中无法到达精度要求。为了得到准确的真太阳时(t0)，可以根据定时标准来校正时差值，我国区域的时差确定如(4)式：

t0＝(120-longitude)/15-e/60 (4)

(4)式中，longitude为光伏发电地点的地理经度，中国地区的北京标准时间的经度为120°，e为时差，可由(5)式和(6)式计算得出：

β＝360/365×(n-1) (5)

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

因为每24小时地球自转1圈，所以每15°为1h，且正午时，时角τ＝0°，上午τ>0°，下午τ<0°。可由(7)式计算出时角τ：

τ＝15×(12+t0-t) (7)

(7)式中t为北京时间。

其中，当太阳在正南方向时，(2)式中的方位角γs＝0°，正南以西γs>0°，正南以东γs<0°。为了有效跟踪太阳的位置，除了要计算出太阳的实时位置外，还需要知道具体某天的日出时角τ1、日落时角τ2。由于日出日落时太阳高度角αs＝0°，由(1)式可计算出：

根据时角τ上午τ>0°，下午τ<0°，得到日出时角τ1和日落时角τ2如(9)式和(10)式所示。

计算出日出时角，日落时角后，由(7)式可得出日出时间t1和日落时间t2。

程序实现太阳跟随系统实时跟踪太阳，当直射到太阳能电池板的光线变弱时，程序会自动改变电池板的方向、位置去得到最大的强度的太阳光。当任意一个光线传感器检测到的光强低于阈值时，单片机就会通过驱动电路启动X轴和Y轴电机进行组合运动，以调整太阳能电池板的朝向。当两个传感器都检测到阈值以上的光线时电机就会停止运动，从而实现太阳能电池板对光线的跟随功能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。