太阳能双轴自动跟踪系统及跟踪方法与流程

本发明属于太阳能跟踪领域。
背景技术：
：随着太阳能在很多应用(如热能存储系统和发电系统)中作为重要的可再生能源，太阳能在快速发展。这些系统使用反光镜或光伏模块的收集器收集太阳能。在一天中，固定不动的收集器收集到的太阳能，要小于可实现的最大值。这是由于收集器的静态布局限制了它们能够接触到太阳辐射的区域。如果太阳能收集器安装在一个可以像向日葵一样自动跟踪太阳的跟踪器上，那么它可以收集到更多的能源。通常，单轴跟踪器可以跟踪太阳的东西向的运动，而双轴跟踪器又可以跟踪太阳的高度角。通过实验研究，我们调查了不同类型的太阳能跟踪系统的性能，包括开环型和闭环型系统。开环型跟踪系统的跟踪器可以根据计算特殊的太阳跟踪公式，确定太阳方位并决定两个跟踪轴的旋转角，以达到太阳能收集器指向太阳的目的。然而，及时在多云并且没有可见太阳光可以追踪的情况下，这种自动系统也会工作，因此它会浪费储能而没有任何收获。当太阳能跟踪器使用时钟机制时，并在使用预存参数计算太阳方位角的条件下，也会出现同样的问题。另一备选方案是，将已存方位的太阳辐射的准确入射角制作成数据库，并令其不停地设置太阳收集器方位。由于存在数据存储介质和时钟准确度的要求，通常这种系统既昂贵又复杂。开环类型的系统更简单经济，但是它不能弥补系统中的干扰和准确率低的缺陷。另一方面，对于闭环追踪来说，太阳追踪器通常能够检测到照在光传感器的太阳直射，并将其作为反馈信号来确定太阳收集器正在一直追踪太阳并保持其在正确的太阳辐射角度，已达到太阳辐射量的最大值。闭环追踪机制比开环追踪机制的跟踪出错率更低。但是，闭环追踪机制在雾天和多云天气条件下不可靠。很多研究者已经提出了使用数值优化方案来提高太阳追踪系统的准确性。这些方案的典型的例子包括模糊逻辑算法和自适应神经模糊控制方案。现有工作提出了使用交流天线电机和电源电子控制电路使直流转换为交流的闭环追踪机制，并解决了天气条件相关的问题。然而，这会导致系统内更多的耗能。技术实现要素：本发明是为了解决现有的太阳能闭环追踪系统的追踪的准确性和系统耗能无法兼得的问题，本发明提供了一种太阳能双轴自动跟踪系统及跟踪方法。太阳能双轴自动跟踪系统，它包括惠斯通电桥传感器、微型控制器、1号驱动器、1号直流驱动电机、方位角旋转器、2号驱动器、2号直流驱动电机和高度角旋转器；所述的惠斯通电桥传感器通过圆板固定在太阳能电池板的边框上，惠斯通电桥传感器的3个光敏电阻LDR沿圆板周向均匀分布，惠斯通电桥传感器的3个光敏电阻LDR与太阳能电池板在同一平面内，且惠斯通电桥传感器的3个光敏电阻LDR采集的电压信号均发送至微型控制器；微型控制器对接收的3个电压信号进行处理，并根据处理结果控制1号驱动器和2号驱动器，且1号驱动器用于驱动1号直流驱动电机转动，1号直流驱动电机转动带动方位角旋转器转动，从而控制太阳能电池板的方位角，2号驱动器用于驱动2号直流驱动电机转动，2号直流驱动电机转动带动高度角旋转器转动，从而控制太阳能电池板的高度角。所述的3个光敏电阻LDR分别定义为第一光敏电阻LDR、第二光敏电阻LDR和第三光敏电阻LDR，第三光敏电阻LDR距地面的高度大于第一及第二光敏电阻LDR距地面的高度，且面朝圆板时，第一及第二光敏电阻LDR分别位于圆板的左半部和右半部。太阳能双轴自动跟踪系统，还包括高度角测量标尺和方位角测量标尺，高度角测量标尺用于测量太阳能电池板的高度角，方位角测量标尺用于测量太阳能电池板的方位角。所述的微型控制器对接收的3个电压信号进行处理的具体过程为：微型控制器实时检测3个光敏电阻LDR检测到的电压值，当3个光敏电阻LDR检测到的电压值不相同时，控制方位角旋转器和高度角旋转器带动太阳能电池板转动，直至3个光敏电阻LDR检测到的电压值相同。所述的微型控制器采用ATmega32L型微处理器实现。所述的微型控制器内嵌入有Code-visionAVR软件。采用所述的太阳能双轴自动跟踪系统实现的自动跟踪方法，该方法的具体过程为：步骤一、开始，声明变量和微型控制器输入输出端，通过微型控制器的ADC信道接收模拟电压信号；步骤二、微型控制器实时检测第一至第三光敏电阻LDR获得的电压值，判断3个电压值是否相等，结果为是，执行步骤一，结果为否，则执行步骤二一和步骤二二；步骤二一：判断第一光敏电阻LDR获得的电压值与第二光敏电阻LDR获得的电压值是否相同，结果为是，执行步骤一，结果为否，执行步骤三一；步骤二二：判断第三光敏电阻LDR获得的电压值与第二光敏电阻LDR获得的电压值是否相同，结果为是，执行步骤一，结果为否，执行步骤三二；步骤三一：判断第一光敏电阻LDR获得的电压值是否大于第二光敏电阻LDR获得的电压值，结果为是，微型控制器输出第一方位角控制信号，通过控制1号驱动器使1号直流驱动电机带动方位角旋转器转动，从而控制太阳能电池板在水平方向上顺时针转动，结果为否，微型控制器输出第二方位角控制信号，通过控制1号驱动器使1号直流驱动电机带动方位角旋转器转动，从而控制太阳能电池板在水平方向上逆时针转动；步骤三二：判断第三光敏电阻LDR获得的电压值是否大于第二光敏电阻LDR获得的电压值，结果为是，微型控制器输出第一高度角控制信号，通过控制2号驱动器使2号直流驱动电机带动高度角旋转器转动，从而控制太阳能电池板相对于地面的夹角逐渐变小，结果为否，微型控制器输出第二高度角控制信号，通过控制2号驱动器使2号直流驱动电机带动高度角旋转器转动，从而控制太阳能电池板相对于地面的夹角逐渐变大。本发明带来的有益效果是，本发明太阳能双轴自动跟踪系统是在简单的机械结构的基础上利用惠斯通电桥传感器采集电压信号，并加以智能控制进行设计和改进而来，追踪太阳能的准确性高，耗能低，且分析了这种基于本发明微型控制器的跟踪系统性能的一些参数，例如太阳能电池板收到的太阳能辐射，每时最大电功率，效率增益，短路电流，开路电压和填充因数。相比于固定光伏系统，参数性能分析确定了应用本发明跟踪系统的太阳能电池板在收集太阳能能量方面提升了5％以上。相对于固定光伏系统，本发明所述的太阳能双轴自动跟踪系统的最大功率和效率分别平均增加了5.0423W/时和28.87％。本发明所述跟踪方法，流程简单，通过简单的判断条件实现，运行量小，提升了微型控制器的处理效率。附图说明图1为本发明所述的太阳能双轴自动跟踪系统的原理示意图；附图标记13为支撑架；图2为本发明所述的太阳能双轴自动跟踪系统的其中一种结构示意图；图3为惠斯通电桥传感器的原理示意图；图4为圆板与惠斯通电桥传感器的3个光敏电阻LDR的相对位置关系图；图5为本发明所述的采用太阳能双轴自动跟踪系统实现的自动跟踪方法的流程图；图6为固定光伏系统和太阳能双轴自动跟踪系统的MHEP和功率增益的曲线图；图7为固定光伏模型和双轴跟踪系统的ISC、VOC的对照图；图8为固定光伏系统和双轴跟踪系统的填充因数的曲线图。具体实施方式具体实施方式一：参见图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述的太阳能双轴自动跟踪系统，它包括惠斯通电桥传感器1、微型控制器2、1号驱动器3、1号直流驱动电机4、方位角旋转器5、2号驱动器6、2号直流驱动电机7和高度角旋转器8；所述的惠斯通电桥传感器1通过圆板12固定在太阳能电池板11的边框上，惠斯通电桥传感器1的3个光敏电阻LDR沿圆板12周向均匀分布，惠斯通电桥传感器1的3个光敏电阻LDR与太阳能电池板11在同一平面内，且惠斯通电桥传感器1的3个光敏电阻LDR采集的电压信号均发送至微型控制器2；微型控制器2对接收的3个电压信号进行处理，并根据处理结果控制1号驱动器3和2号驱动器6，且1号驱动器3用于驱动1号直流驱动电机4转动，1号直流驱动电机4转动带动方位角旋转器5转动，从而控制太阳能电池板11的方位角，2号驱动器6用于驱动2号直流驱动电机7转动，2号直流驱动电机7转动带动高度角旋转器8转动，从而控制太阳能电池板11的高度角。本实施方式，双轴跟踪系统需要调节两个自由度：方位角和高度角。本发明所述太阳能双轴自动跟踪系统使用惠斯通电桥传感器1，实现了两个自由度完全相同的控制电路。惠斯通电桥传感器1为现有器件，惠斯通电桥传感器1内包括3个光敏电阻LDR，如果有一个光敏电阻LDR比其它的光敏电阻LDR获得更多的光强，在微型控制器2的模数转换信道中，节点电压差会被视为模拟信号。微型控制器2将会处理这个数据并产生一个逻辑信号来激励电机，然后移动太阳能电池板11带动惠斯通电桥传感器1转动使其抵达光敏传感器接收到相同光照的位置。微型控制器2可生成跟踪方位角和高度角逻辑的，并驱动电机根据照在光敏电阻LDR上的影子进行顺时针或逆时针的旋转。如果三个光敏电阻LDR被太阳照射的量相同，那么在微型控制器的模数转换信道收到的模拟电压信号是相同的，微型控制器就不会再产生任何逻辑信号来驱动电机。作为直流电机驱动器可使用的场效应管用来放大电流级别，在齿轮驱传动将低转矩转换为高转矩后，微型控制器2会产生逻辑信号激励驱动电流，并驱动直流电机获得所需速度。图2是本发明所述的太阳能双轴自动跟踪系统的其中一种结构示意图，本发明所述太阳能双轴自动跟踪系统的不仅仅是图2中的一种结构。具体实施方式二：参见图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的太阳能双轴自动跟踪系统的区别在于，所述的3个光敏电阻LDR分别定义为第一光敏电阻LDR、第二光敏电阻LDR和第三光敏电阻LDR，第三光敏电阻LDR距地面的高度大于第一及第二光敏电阻LDR距地面的高度，且面朝圆板12时，第一及第二光敏电阻LDR分别位于圆板12的左半部和右半部。本实施方式，在本发明中，只需要三个光敏电阻LDR用来跟踪方位角和高度角。这三个光敏电阻LDR置于一个圆板12上，通过正交矩形金属板使其互相间隔120°空间旋转角。三个光敏电阻LDR足以提供这个天空的视角并实现双轴跟踪。每个光敏电阻LDR都位于一系列的1kΩ电阻中，并使用三个光敏电阻LDR和三个电阻形成惠斯通电桥电路。具体实施方式三：参见图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的太阳能双轴自动跟踪系统的区别在于，还包括高度角测量标尺9和方位角测量标尺10，高度角测量标尺9用于测量太阳能电池板11的高度角，方位角测量标尺10用于测量太阳能电池板11的方位角。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的太阳能双轴自动跟踪系统的区别在于，所述的微型控制器2对接收的3个电压信号进行处理的具体过程为：微型控制器2实时检测3个光敏电阻LDR检测到的电压值，当3个光敏电阻LDR检测到的电压值不相同时，控制方位角旋转器5和高度角旋转器8带动太阳能电池板11转动，直至3个光敏电阻LDR检测到的电压值相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一所述的太阳能双轴自动跟踪系统的区别在于，所述的微型控制器2采用ATmega32L型微处理器实现。具体实施方式六：参见图1和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的太阳能双轴自动跟踪系统的区别在于，所述的微型控制器2内嵌入有Code-visionAVR软件。Code-visionAVR软件可以用来编写操作代码并录入微型控制器2。操作控制逻辑可以用C语言编写并可以使用十六进制Code-visionAVR转换。可用PROTEUS7专业版对其进行仿真并测试了操作逻辑代码。具体实施方式七：参见图5说明本实施方式，采用具体实施方式二所述的太阳能双轴自动跟踪系统实现的自动跟踪方法，该方法的具体过程为：步骤一、开始，声明变量和微型控制器2输入输出端，通过微型控制器2的ADC信道接收模拟电压信号；步骤二、微型控制器2实时检测第一至第三光敏电阻LDR获得的电压值，判断3个电压值是否相等，结果为是，执行步骤一，结果为否，则执行步骤二一和步骤二二；步骤二一：判断第一光敏电阻LDR获得的电压值与第二光敏电阻LDR获得的电压值是否相同，结果为是，执行步骤一，结果为否，执行步骤三一；步骤二二：判断第三光敏电阻LDR获得的电压值与第二光敏电阻LDR获得的电压值是否相同，结果为是，执行步骤一，结果为否，执行步骤三二；步骤三一：判断第一光敏电阻LDR获得的电压值是否大于第二光敏电阻LDR获得的电压值，结果为是，微型控制器2输出第一方位角控制信号，通过控制1号驱动器3使1号直流驱动电机4带动方位角旋转器5转动，从而控制太阳能电池板11在水平方向上顺时针转动，结果为否，微型控制器2输出第二方位角控制信号，通过控制1号驱动器3使1号直流驱动电机4带动方位角旋转器5转动，从而控制太阳能电池板11在水平方向上逆时针转动；步骤三二：判断第三光敏电阻LDR获得的电压值是否大于第二光敏电阻LDR获得的电压值，结果为是，微型控制器2输出第一高度角控制信号，通过控制2号驱动器6使2号直流驱动电机7带动高度角旋转器8转动，从而控制太阳能电池板11相对于地面的夹角逐渐变小，结果为否，微型控制器2输出第二高度角控制信号，通过控制2号驱动器6使2号直流驱动电机7带动高度角旋转器8转动，从而控制太阳能电池板11相对于地面的夹角逐渐变大。验证试验：为了证明本发明所述的太阳能双轴自动跟踪系统具有良好性能，我们将其与固定光伏系统(即：37°固定倾角的太阳能电池系统)进行比较分析，在如下同等条件下进行试验。要求在平均环境温度为27℃的条件下记录结果，研究以下参数来固定光伏系统(即：37°固定倾角的太阳能电池系统)和本发明所述太阳能双轴自动跟踪系统的相对性能：1)太阳能电池板接收到的太阳辐射；2)每小时的最大电功率(Pmax)和效率增益(ηgain)；3)短路电流(ISC)和开路电压(VOC)；4)填充因数(FF)；(1)太阳能电池板接收到的太阳辐射比较固定光伏系统的辐射是通过保持总辐射表指向南向37°和平行于固定光伏系统的平面获得的。测试地点纬度是22.3°N，固定光伏系统在三月的理想倾斜角是纬度+15°(≈37°)。因此实验选择在37°倾角上进行。双轴跟踪系统接受的辐射可以通过保持日射强度计指向太阳方位角和高度角获得，并使其平面与跟踪系统保持批平行。固定光伏系统获得的辐射值(IF)和双轴跟踪系统的辐射值(IT)由表1给出。最后一列的辐射增益(IG)，表明增益在11AM至1PM时间段内与双轴跟踪系统无关，这是因为太阳方位角在这段时间非常小。因此固定光伏系统与太阳能双轴自动跟踪系统获得的太阳能辐射几乎相同。在其余的光照时间里增益是很重要的，因为太阳辐射太阳光线不在垂直于固定光伏系统的平面上。记录到在早上8:00辐射增益最大为221.19W/m2，在下午1:00辐射增益最小为2.33W/m2。表1固定光伏系统和太阳能双轴自动跟踪系统接收到的辐射量时间IF(W/m2)ITIG(W/m2)6:00AM58.2104.7746.577:00AM174.6349.24174.628:00AM349.2570.43221.199:00AM640.27710.1269.810:00AM704.3733.4129.011:00AM791.6803.2511.612:00PM805.588093.421:00PM803.25805.582.332:00PM582.0675.2093.133:00PM2914651744:00PM116.4296.85180.455:00PM17.46110.5993.13(2)每小时最大电功率和效率增益的比较为了研究两种实验装置的每小时最大电功率(MHEP)的输出量和效率增益，在同一天每小时记录V-I特性。MHEP由V-I特性中V和I最大功率点的乘积计算得到。获得的固定光伏系统和双轴跟踪系统的MHEP值和跟踪系统的相对功率增益如图6所示。由图可知，由于在早晚电池温度较低，双轴跟踪系统相对固定光伏系统的功率增益更大。对于晶体硅电池，当电池升温，MPP(最大功率点)会略有上升并指向V-I特性左侧，且温度每升高1℃最大功率会降低0.5％。在早上7:00和下午4:00双轴跟踪系统的光伏面接收到的光照更高，电池温度低，所以我们记录到其峰值增益为9.94W和9.51W。从早上11:00到中午12:00双轴跟踪系统的功率增益与固定光伏系统相差不大。Pmax的增益最小，在中午12点位0.16W，这是因为在中午左右接收到的光照增益也是比较小的并且电池温度很大。瞬时效率η的变化可以由辐射量和最大电功率输出(Pmax)组成的函数表示，上式中，S表示太阳能电池板的表面积(0.28m2)，I是附带辐射，Pmax是每小时获得的最大电功率，Vm和Im分别是最大功率点的电压和电流，ηgain是双轴跟踪系统相对于固定光伏系统的效率增益，ητ是双轴跟踪系统的效率，ηF是固定光伏系统的效率。附带辐射量可由表1获得。双轴跟踪系统相对于固定光伏系统的效率增益由表2描述。在早上7:00和下午4:00双轴跟踪系统相对于固定光伏系统有更多的日照，所以，其各自的最大效率增益是59.6％和76.96％。在上午11:00和中午12:00双轴跟踪系统相对于固定光伏系统有最小功率增益，分别是1.02％和0.04％，这是由于收到的辐射增益最小并且电池温度较高。在一天中的Pmax和ηgain的参数有很大的提高，这说明跟踪系统相对于固定光伏系统的性能更优越。表2双轴跟踪系统相对于固定光伏系统的效率增益(3)短路电流(Isc)和开路电压(Voc)的对比太阳能电池板的电池温度会因环境温度和太阳照射量的改变而改变。只有一小部分照射在电池板上的太阳辐射才能转化为电能，剩余的入射能量会被反射、吸收和转化为热能。对于晶体硅电池，温度每升高1℃，VOC下降大约0.27％，ISC升高大约0.05％。对于下面的太阳能电池板的等效模型，VOC和ISC可以表示为：上式中，GT,ref、IL,ref和TC,ref分别是标准测试条件下的日射量(1000W/m2)、太阳能电池板产生的光子流和电池温度，VOC和ISC分别是太阳能电池板的开路电压和短路电流，I0是反向饱和电流，I是日射量，IL是太阳能电池板产生的光电流，TC是电池温度，μI,SC是短路电流电路的温度系数。由公式3可得，VOC与ISC是非线性相关的，因此也与GT非线性相关。然而，根据公4，ISC是直接与成正比的。在本次研究中，分别记录了两种装置的VOC和ISC每小时的变化量并展示了对比分析。固定光伏系统和双轴跟踪之间的VOC和ISC的对比如图7所示。从上午11:00到下午1:00，由于电池温度的升高，跟踪系统获得的VOC与固定光伏系统的相同；在整个记录期间，跟踪系统的ISC更高，这是因为跟踪系统可以收到更多的日照量。在夜间和早上几个小时中，跟踪系统的VOC高出很多。由于VOC同时也收到接收辐射量的影响公式3和公式4，所以在早上和晚上，固定光伏系统接收到的辐射量很小，相对于跟踪系统，其VOC是非常低的。双轴跟踪系统与固定光伏系统在早上7:30和下午4:00的短路电流(ISC)与其他时间段有最大不同，因为此时辐射量最大。在上午11点至中午12点ISC差值最小，是因为此时间段两种系统接收的辐射量差值较小。对于光伏系统性能分析来说，VOC和ISC是非常重要的参数。在理想条件下，如果光伏电池的串联损耗和并联损耗忽略不计，那么VOC和ISC的乘积等于电池可用最大电功率。然而，从图6和图7我们看到，在中午12:00记录到的Pmax和VOC与ISC的乘积分别是20W和37.4W。(4)填充因数的比较填充因数(FF)表示有V-I特性形成的两块矩形区域的比率。在实验期间，太阳能电池的效率被内电阻间的功率损耗削减了。这些损耗是由并联电阻(Rsh)和串联(RS)电阻造成的。对于理想光伏电池来说，Rsh应该是无求大的并且不会为电流提供可用支路，RS应该为零并且不会造成电压降。Rsh的降低和RS的增大都会降低最大功率(Pmax)，并导致填充因数(FF)的降低。太阳能电池板的填充因数可以表示为:填充因数以小时单位计算，对于固定南向太阳能电池板和跟踪系统，它的变化曲线如图8所示。从早上6:00到下午3:00固定光伏系统的FF值更高，但是，这个时间段跟踪系统的Pmax、VOC和ISC更高(如图6和图7所示)。在此时间段，相比于固定光伏系统，双轴跟踪系统的电池温度更高因为太阳能电池板(11)接收到的太阳辐射更高。相对于固定光伏系统来说，这会导致双轴跟踪系统的串流电阻的增大和并联电阻的减小。因此，双轴跟踪系统的最大功率点(对应的Vm和Im)略有上升并指向V-I特性的左边，导致公式5的分子减小。因为串联损耗和并联损耗更高，相比于固定光伏系统，双轴跟踪系统的填充因数会更低。这说明，由于高温条件下填充因数降低，光伏板的性能在低温条件下更好一些。在中午12:00，这两种装置的填充因数几乎相同(0.53)。从图8可以清楚地看到，固定光伏系统的FF值变化更大，最大0.63最小0.38，但是跟踪系统的FF值在0.55附近，变化范围限制在0.52至0.6之间。这进一步证实了相对于固定光伏系统，双轴跟踪系统在一整天的性能都更稳定更有提高。当前第1页1 2 3