一种太阳能跟踪装置及控制方法与流程

本发明涉及太阳能发电的新能源技术领域，具体是一种光伏跟踪装置以及控制系统。

背景技术：

随着现代工业的发展，传统能源被过度的利用并且造成了很严重的污染，新型能源的有效开发就显得尤为重要。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，越来越受到人们的重视，其中光伏发电最受瞩目。

太阳能光伏发电技术是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能转化为电能的发电技术，具有就地产生、不产生环境污染、寿命长、可靠性高等优点。光伏并网电站和光伏建筑集成设计在上世纪80年代随着高新科技的发展取得了很大的进步。但是光伏发电也有需要大力改进的地方，比如光能转化率不是很高，占地面积大，电能不稳定等，这就要我们优化设计电站，开发完善的监控技术等改进措施。

现在市场上常用的都是将太阳能光伏板固定在某一个位置，这样太阳能的利用率很低，在光伏太阳能发电应用中使用同步电机光伏跟踪系统，驱动光伏支架不断调整太阳能光伏板的位置，令太阳能光伏板时刻保持最佳的角度接受太阳光照射，进而能够提高发电量，早已经成为业界的共识。公开号CN 102075117A虽然提供了一种跟踪装置以及给出了控制方法，但是其控制系统没有反馈调节，当一个角度出现即使是偶然的错误，接下来整个过程都会一直错下去。本发明提供了一种全新的方法，全新的机械结构，实现对太阳的跟踪，同时本系统给出基于地理经纬度的具体控制方法。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的跟踪方法不可靠的不足，本发明提出了一种太阳能跟踪装置。

本发明包括光伏板、高度角旋转轴、高度角旋转组件、高度角电机、支撑轴、方位角组件、方位角主动轮、方位角电机、方位角从动轮、高度角主动轮、高度角从动轮、高度角传感器和方位角传感器。其中：所述方位角组件套装在所述支撑轴上，并位于该支撑轴的底板上表面；方位角从动轮套装所述支撑轴上，并使该方位角从动轮位于所述方位角组件的上方。所述方位角电机固定在所述支撑轴的底板上表面，方位角主动轮套装在该方位角电机的输出轴上，并使该方位角主动轮与所述方位角从动轮啮合。高度角旋转组件的壳体固定在所述支撑轴的顶端端面，并使所述壳体的中心线与所述支撑轴的中心线相互垂直。所述高度角旋转组件中的高度角旋转轴的两端端面分别安装有光伏板。高度角从动轮套装在所述高度角旋转轴上。所述高度角电机安装在所述支撑轴上并位于高度角旋转组件的下方；所述高度角电机输出轴上安装有高度角主动轮，并使该高度角主动轮与所述高度角从动轮啮合。高度角传感器安装在所述光伏板下表面的一侧；所述方位角传感器固定在所述支撑轴的底板上表面一侧。

所述方位角组件包括方位角组件壳体、两个方位角圆柱滚子轴承和方位角推力球轴承，并且所述方位角圆柱滚子轴承和方位角推力球轴承自上至下依次安装在方位角组件壳体内。

所述高度角旋转组件包括高度角套筒、两个圆柱滚子轴承和轴端弹性挡圈；所述两个圆柱滚子轴承分别安装在所述高度角套筒两端的内表面，并通过轴端弹性挡圈定位。

所述支撑轴的下部有径向凸出的凸台，形成了该支撑轴的轴肩；所述轴间的直径略小于方位角组件壳体的内径，并且当所述方位角组件壳体与支撑轴装配后，该轴间位于所述方位角组件壳体内的上端。

所述方位角传感器距底板中心的距离为150mm。

本发明还提出了一种所述太阳能跟踪装置的跟踪控制方法，具体过程是：

步骤1，确定太阳的位置。所述太阳的位置包括太阳的高度角和方位角。

其中：h为高度角、A为方位角、δ为赤纬角、为当地的纬度、t为时角。

通过公式(1)和公式(2)分别得到太阳的高度角和太阳的方位角。

步骤2，确定跟踪时段与跟踪时长。

所述确定跟踪时段与跟踪时长根据时区确定跟踪时段。所述的跟踪时段根据太阳在该时区的方位角确定。当所述太阳的方位角在51°～93°之间为第一时段，所述太阳的方位角在-85°～51°之间为第二时段，所述太阳的方位角在-108°～-85°之间为第三时段。

所述的跟踪时长根据太阳高度角变化的速度确定。设定在所述三个时段的跟踪时长分别为15min、10min、15min。

步骤3，确定光伏板的位置信息，所述光伏板的位置信息包括该光伏板的高度角和方位角。通过采集所述方位角传感器的电信号和高度角传感器的电信号，确定光伏板的位置信息。

步骤4，第一时段第一次跟踪太阳。

采集第一时段的方位角电信号和高度角电信号，开始第一时段的第一次跟踪。具体是：

分别采集方位角传感器的电信号和高度角传感器的电信号，并将采集到的方位角电信号和高度角电信号分别传输至下位机；采集时长均为15min。

将采集到的该时刻的方位角电信号和高度角电信号转化成为数字信号，将所得到的高度角数字信号与通过公式(1)得到的该时刻的太阳高度角进行对比；同时将所得到的方位角数字信号与通过公式(2)得到的该时刻的太阳方位角进行对比，分别得到所述太阳能跟踪装置高度角与太阳的高度角的差值和太阳能跟踪装置方位角与太阳的方位角的差值。

步骤5，第一时段第一次跟踪控制。根据得到的所述太阳能跟踪装置高度角与太阳的高度角的差值和太阳能跟踪装置方位角与太阳的方位角的差值，实施对太阳的跟踪控制：

当太阳能跟踪装置高度角与太阳的高度角的差值φ>0.5°时，将差值转换成电信号传给DSP控制器18，DSP控制器将电信号转换成对应PWM数以及占空比；启动高度角电机，并通过该高度角电机带动齿轮转动，从而带动高度角旋转轴旋转，实现光伏板高度角的改变，即使其与太阳的高度角保持一致。

当太阳能跟踪装置方位角与太阳的差值φ>0.5°时，将差值转换成电信号传给DSP控制器18，DSP控制器将电信号转换成对应PWM数以及占空比，启动方位角电机，并通过该方位角电机带动齿轮转动，从而带动高度角旋转轴旋转，实现光伏板方位角的改变，即使其与太阳的方位角保持一致。

跟踪控制中，所有的高度角和方位角值通过无线传输模块传给上位机，并在上位机模块上进行实时显示具体光伏板高度角和方位角值以及调整后的值。

至此，完成了第一时段、第一次对太阳的跟踪及跟踪控制。

重复所述第一时段、第一次对太阳的跟踪的过程，逐次完成第一时段的跟踪全过程。

步骤6，各时段的跟踪

当完成第一时段的跟踪过程后，重复所述第一时段的跟踪过程，依次完成第二时段和第三时段的跟踪。

当实施第二时段的跟踪时，将所述跟踪时长调整为10min。

当实施第三时段的跟踪时，将所述跟踪时长调整为15min。

至此，完成各时段对太阳的跟踪过程。

本发明提供了一种跟踪装置和控制系统，解决了目前市场上太阳能利用率低和跟踪控制没有反馈的问题。

本发明能够增加太阳能利用率，提高光伏发电的效率，节省光伏发电的成本，节约能源，提高光伏发电的普及率，为新能源的利用以及减少化石燃料的使用做出贡献，同时本发明能够避免跟踪控制中出现的偶然错误。

本发明通过高度角传感器和方位角传感器提供光伏板角角度数据，通过用户输入当地的时间以及经纬度信息，选择自动跟踪，从而实现对太阳的跟踪，达到最有效利用太阳能的目的。对于如何获取当地太阳高度角和方位角，本发明采用国际通用的通过地理经度和纬度计算高度角和方位角的方法。

本发明中，方位角电机与方位角主动轮相连，方位角从动轮与支撑轴相连。高度角电机与高度角主动轮相连，高度角从动轮与高度角旋转轴相连。方位角电机通过方位角主动轮带动方位角从动轮从而带动支撑轴，进而实现光伏板方位角的改变。高度角电机通过高度角主动轮带动高度角从动轮从而带动高度角旋转轴，进而实现光伏板高度角的改变。

本发明的电机、齿轮结构、电机驱动器以及其他电子设备安装在一铝制外箱内，使这些器件避免外界干扰。

当遭遇恶劣天气时，本发明能通过调整角度使光伏板落在上面的雪或雨水以最快速度滑落。当某些地方遇到大风天气时，可以远程控制光伏板，以最有利风通过的角度，尽量减少对光伏板的伤害。

本发明控制系统中的高度角传感器固定在光伏板固定架下面，方位角传感器固定在支撑轴上。其余电子设备都固定封闭在一个箱子内部，避免外接干扰。开始工作时，由传感器导出的数据显示在上位机和下位机上，操作者可以根据当地的地理位置经纬度以及当地的时间在程序中进行设置，选择自动跟踪。操作者也可以随时在上位机或者下位机输入数据，手动控制调节所述机械结构。用户只需输入某地的时间，系统就会提供该地太阳高度角和方位角，从而确定光伏跟踪的高度角和方位角。进一步地，本发明不是时时对太阳进行跟踪，而是经过对地理高度角和方位角进行了详细的研究，总结其随时间变化的特点，提出了基于地理经纬度的间断跟踪方法。进一步地，本发明将现场数据通过无线传输设备连接上位机，实现现场和远程控制。

本发明能够克服现有技术中存在的跟踪可靠性差的不足，并能够增加太阳能利用率，提高光伏发电的效率，节省光伏发电的成本，节约能源，提高光伏发电的普及率，为新能源的利用以及减少化石燃料的使用做出贡献。

本发明的有益效果是：

1)装置结构简单，材料主要是铝合金、钢材，来源广泛，易于实现规模化生产。

2)本发明高度角的变化采用主动轮带动从动轮运动，在空间上可以实现高度角可300度变化，适用于任何地区，尤其是高纬度地区。

3)本发明利用水平旋转和垂直旋转相结合来实现对太阳的跟踪，简化了控制结构，且利用标准轴承件，简化了加工程序，降低了结构的费用，易于普及推广。

4)本发明对于太阳高度角方位角区段的划分，极大地简化了对太阳高度角方位角的繁杂处理。

5)本发明使用了高度角和方位角的反馈调节，避免因一次跟踪错误，从而一直错下去的问题。图6和图7给出了本发明实验的跟踪误差，从图中可以看出本发明跟踪精度很高。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

附图2为机械部分的结构示意图；

附图3为图2中的A-A向视图。

附图4为图2中的B-B向视图。

附图5为本发明的控制过程流程图

附图6为实施例的高度角误差图。

附图7为实施例的方位角误差图。

图中：1.光伏板；2.光伏板固定架；3.高度角旋转轴；4.高度角旋转组件；5.支撑轴；6.方位角主动轮；7.方位角电机；8.底板；9.方位角传感器；10.方位角组件；11.方位角从动轮；12.高度角电机底座；13.高度角电机；14.高度角主动轮；15.高度角从动轮；16.高度角传感器；17.电机驱动器；18.DSP控制器；19.下位机；20.无线传输模块；21.上位机；22.方位角圆柱滚子轴承；23.方位角推力球轴承；24.轴肩；25.方位角组件壳体；26.高度角套筒；27.高度角圆柱滚子轴承；28.轴端弹性挡圈。

具体实施方式

本实施例是一种太阳能跟踪装置，包括光伏板1、光伏板固定架2、高度角旋转轴3、高度角旋转组件4、高度角电机13、支撑轴5、方位角组件10、方位角主动轮6、方位角电机7、方位角从动轮11、高度角主动轮14、高度角从动轮15、高度角传感器16和方位角传感器9。其中：所述方位角组件10通过轴承套装在所述支撑轴5上，并位于该支撑轴的底板上表面；方位角从动轮11套装并固定在所述支撑轴上，并使该方位角从动轮位于所述方位角组件的上方。所述方位角电机7固定在所述支撑轴的底板上表面，方位角主动轮6套装在该方位角电机的输出轴上，并使该方位角主动轮6与所述方位角从动轮11啮合。高度角旋转组件4的壳体焊接固定在所述支撑轴5的顶端端面，并使所述壳体的中心线与所述支撑轴的中心线相互垂直。所述高度角旋转组件中的高度角旋转轴3的两端端面分别固定有光伏板固定架2。高度角从动轮15套装在所述高度角旋转轴上，并位于所述高度角旋转组件壳体的一端。所述光伏板1安放在所述光伏板固定架2上，并与所述光伏板固定架焊接。高度角传感器16安装在所述光伏板1下表面的一侧；所述方位角传感器9固定在所述支撑轴的底板上，并位于该底板上表面一侧；所述方位角传感器距底板中心的距离为150mm；将该方位角传感器与下位机19通过RS485数据总线连接，以实现电信号的传输；将所述方位角传感器9通过导线与支撑轴5相连，以获得所述光伏板1的方位角电信号信息。通过所述高度角传感器16获得光伏板1当前的方位角高度角电信号信息；将该高度角传感器与下位机19通过RS485数据总线连接，以实现电信号的传输。

下位机19上连接有无线传输模块20，其通过无线方式与上位机系统21相连，所有的高度角和方位角值都会通过无线传输模块20传给上位机21，并在上位机模块上进行实时显示具体光伏板高度角和方位角值以及调整后的值。

所述高度角电机13通过高度角电机底座12安装在所述支撑轴上并位于高度角旋转组件4的下方；所述高度角电机输出轴上安装有高度角主动轮14，并使该高度角主动轮与所述高度角从动轮15啮合。

所述方位角组件10包括方位角组件壳体25、方位角圆柱滚子轴承22和方位角推力球轴承23。所述的方位角组件壳体为中空回转体。在该方位角组件壳体内自上至下依次安装有方位角推力球轴承23和两个方位角圆柱滚子轴承22。

所述高度角旋转组件4包括高度角套筒26、两个圆柱滚子轴承27和轴端弹性挡圈28。所述两个圆柱滚子轴承27分别安装在所述高度角套筒26两端的内表面，并通过轴端弹性挡圈28定位。

所述支撑轴5的下部有径向凸出的凸台，形成了该支撑轴的轴肩24；所述轴间的直径略小于方位角组件壳体25的内径，并且当所述方位角组件壳体与支撑轴装配后，该轴间位于所述方位角组件壳体内的上端。该支撑轴的下端端面固定有底板28。

本实施例中，光伏板1通过焊接固定在光伏板固定架2，光伏板固定架2通过焊接与高度角旋转轴3焊接在一起。高度角旋转轴3穿过高度角旋转组件4。高度角旋转组件4通过焊接与支撑轴5固定在一起。高度角电机13通过螺栓连接固定在高度角电机底座12上，高度角电机底座12通过焊接固定在支撑轴5上，高度角主动轮14通过过盈配合与高度角电机轴13连接在一起，高度角从动轮15与高度角旋转轴通过过盈配合固定在一起，工作时高度角电机13通过高度角主动轮14带动高度角从动轮15，进而带动高度角旋转轴3上下摆动，从而达到控制光伏板1高度角的目的。方位角电机8通过焊接方式固定在底板7上，方位角组件10通过焊接固定在底板8上，方位角主动轮6通过过盈配合与方位角电机轴7连接在一起，方位角从动轮11与支撑轴5通过过盈配合固定在一起，方位角电机7通过方位角主动轮6带动方位角从动轮11，从而带动支撑轴5旋转，进而带动光伏板1往复转动，达到改变光伏板1方位角的目的。底板8可以通过螺钉或者其他方式根据用户需要固定在地面上。

本实施例还提出了一种利用所述太阳能跟踪装置，是基于太阳与地球之间相对位置的变化跟踪太阳的控制方法。

本实施例的第一时段第一次跟踪具体过程是：

步骤1，确定太阳的位置。所述太阳的位置包括太阳的高度角和方位角。

其中：h为高度角、A为方位角、δ为赤纬角、为当地的纬度、t为时角。

通过公式(1)得到所述太阳的高度角。

通过公式(2)得到所述太阳的方位角。

步骤2，确定跟踪时段与跟踪时长。

首先确定所在地区的时区，并根据确定的时区确定跟踪时段。

所述的跟踪时段根据太阳在该时区的方位角确定。当所述太阳的方位角在51°～93°之间为第一时段，所述太阳的方位角在-85°～51°之间为第二时段，所述太阳的方位角在-108°～-85°之间为第三时段。

所述的跟踪时长根据太阳高度角变化的速度确定。设定在所述三个时段的跟踪时长分别为15min、10min、15min。

本实施例以西安地区6～9月为例进行跟踪太阳。西安的经度为108.9，纬度为34.3；确定的跟踪时段为三段，分别是8:00～11:00时、11:00～15:00时和15:00～18:00时，并且第一时段的跟踪时长为15min，即从8:00开始第一次跟踪，8:15第二次跟踪，依次进行下去，到11:00为止；第二时段的跟踪时长为10min，即从11:00开始第一次跟踪，11:10第二次跟踪，依次进行下去，到15:00为止；第三时段的跟踪时长为15min，即从15:00开始第一次跟踪，15:15第二次跟踪，依次进行下去，到18:00为止。

步骤3，确定光伏板的位置信息，所述光伏板的位置信息包括该光伏板的高度角和方位角。通过采集所述方位角传感器9的电信号和高度角传感器16的电信号，确定光伏板的位置信息。

步骤4，第一时段第一次跟踪太阳。

采集第一时段的方位角电信号和高度角电信号，开始第一时段的第一次跟踪。具体是：

分别采集方位角传感器9的电信号和高度角传感器16的电信号，并通过RS485数据总线将采集到的方位角电信号和高度角电信号分别传输至下位机19；采集时长均为15min。

将采集到的该时刻的方位角电信号和高度角电信号转化成为数字信号，将所得到的高度角数字信号与通过公式(1)得到的该时刻的太阳高度角进行对比；同时将所得到的方位角数字信号与通过公式(2)得到的该时刻的太阳方位角进行对比，分别得到所述太阳能跟踪装置高度角与太阳的高度角的差值和太阳能跟踪装置方位角与太阳的方位角的差值。

步骤5，第一时段第一次跟踪控制。根据得到的所述太阳能跟踪装置高度角与太阳的高度角的差值和太阳能跟踪装置方位角与太阳的方位角的差值，实施对太阳的跟踪：

当太阳能跟踪装置高度角与太阳的高度角的差值φ>0.5°时，将差值转换成电信号传给DSP控制器18，DSP控制器将电信号转换成对应PWM数以及占空比，启动高度角电机13，并通过该高度角电机带动齿轮转动，从而带动高度角旋转轴3旋转，实现光伏板1高度角的改变，即使其与太阳的高度角保持一致。

当太阳能跟踪装置方位角与太阳的差值φ>0.5°时，将差值转换成电信号传给DSP控制器18，DSP控制器将电信号转换成对应PWM数以及占空比，启动方位角电机13，并通过该方位角电机带动齿轮转动，从而带动高度角旋转轴3旋转，实现光伏板1方位角的改变，即使其与太阳的方位角保持一致。

跟踪控制中，所有的高度角和方位角值通过无线传输模块20传给上位机21，并在上位机模块上进行实时显示具体光伏板高度角和方位角值以及调整后的值。

至此，完成了第一时段、第一次对太阳的跟踪及跟踪控制。图6给出了本实例一次跟踪的实现。

重复所述第一时段、第一次对太阳的跟踪的过程，逐次完成第一时段的跟踪全过程。

步骤6，各时段的跟踪

当完成第一时段的跟踪过程后，重复所述第一时段的跟踪过程，依次完成第二时段和第三时段的跟踪。

当实施第二时段的跟踪时，将所述跟踪时长调整为10min。

当实施第三时段的跟踪时，将所述跟踪时长调整为15min。

至此，完成了对太阳三个时段的跟踪过程。