一种移动无人船太阳能电池板自动跟随控制方法与流程

本发明涉及太阳能发电领域，具体涉及一种移动无人船太阳能电池板自动跟随控制方法。

背景技术：

随着能源危机日益严重，具有清洁性和经济性等优点的太阳能，是替代化石能源最合适的选择之一。近年来，如何提高太阳能系统的利用效率越来越受到关注。太阳能系统吸收能量的多少很大程度上取决于其太阳能接收板的角度和姿态。目前，在移动无人船航向多变以及太阳能电池板的价格仍然居高不下的情况下，提出具有实用价值的太阳能自动跟踪方法，来降低光伏发电系统成本、提高太阳能发电系统效率，是该领域迫切需要解决的问题。

太阳能电池板发电过程为：当太阳能电池板受到阳光照射时，光与半导体相互作用产生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集，由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载，完成发电。太阳能自动跟踪系统主要包括信号接收系统、控制系统和执行机构三部分。系统工作时，先由信号接收系统接受光照信号，经控制系统计算或判断太阳位置信息，而后输出控制信号，再经过执行机构的具体控制，使工作平台转向期望的对准位置，完成对太阳的跟踪动作。传统的太阳能自动跟踪方法有：光电跟踪系统、基于数字图像处理的跟踪系统和混合跟踪系统。这些方法在实现对太阳的跟踪时，耗费功率、算法复杂、鲁棒性差，而且对于移动状态和阴雨天状态下的太阳能跟踪效果差，还必须加装各类传感器，会对整体输出功率产生影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种一种移动无人船太阳能电池板自动跟随控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种移动无人船太阳能电池板自动跟随控制方法，其特征在于，包括：

初始化步骤：初始化太阳能电池板姿态为输出功率最大的姿态；

太阳能电池板调节步骤：每x时间段内，通过视日跟踪法计算出使太阳能电池板保持正对太阳的姿态时太阳能电池板需要转动的方向及角度的积分量，通过方向和角度的积分量来驱使电机动作，使太阳能电池板自动跟随太阳运动；

抗干扰步骤：通过读取比较太阳能电池板实时发电功率，判定太阳能电池板是否收到外界干扰，如果出现外界干扰，通过变步长功率比较的方法，将太阳能电池板的姿态调整至最优姿态。

作为优选方式，x时间段设定为一刻钟。

作为优选方式，初始化步骤具体为：

日照时间判断步骤：判断当前时间是否在日照区间内；

水平调节步骤：若当前时间不在日照时间内，自动跟随系统不动作；若当前时间在日照时间内，自动跟随系统动作，此时自动跟随系统按照动作模式一进行动作；自动跟随系统动作模式一：固定太阳能电池板俯仰轴y，使水平旋转轴x动作单位量，通过比较mppt控制器所检测的太阳能电池板动作前后的输出功率p(t-1)和p(t)，来确定x轴使功率增大的动作方向，该动作方向称为正确的动作方向；

最优姿态调整步骤：在x轴正确的方向上按当前动作量继续动作，如果输出功率增大，x轴动作方向与动作量不变；当出现功率下降时，朝反方向按x1个当前动作量继续动作，当再次出现功率下降时，设定下降前的功率值对应的姿态为x轴的最优姿态；

在y轴正确的方向上按当前动作量继续动作，如果输出功率增大，y轴动作方向与动作量不变；当出现功率下降时，朝反方向按y1个当前动作量继续动作，当再次出现功率下降时，设定下降前的功率值对应的姿态为y轴的最优姿态。

作为优选方式，x1为十分之一；y1为十分之一。

作为优选方式，本发明还包括自动跟随系统是否工作的判断步骤：比较通过mppt控制器检测到当前最优姿态功率值p(l)和所使用太阳能电池板平均功率值p(a)，若p(l)≥a*p(a)则为非阴雨天，自动跟随系统正常工作，若p(l)<a*p(a)则为阴雨天，自动跟随系统不工作；a为比例系数，其值的范围为0.2-0.4。

作为优选方式，a取0.3。

作为优选方式，太阳能电池板调节步骤具体为：

定义各参数：

1)太阳赤纬δ：是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线的夹角，以年为周期，在+23°26′与-23°26′之间移动，一年内任何一天的赤纬角可用如下公式计算：

式中，n为一年中的天数，从1月1日开始计算；

2)太阳时角ω：从观测点天球子午图沿天赤道量至太阳所在时图的角距离，计算公式为：

ω＝15×(st-12)(2)

式中，st为太阳真时，以24小时计；

3)太阳高度角θs：从观测者所在地和太阳中心的联线与地平面所夹的角度，计算公式为：

sinθs＝sinφsinδ+cosφcosδcosω(3)

式中，φ为地理纬度，δ为太阳赤纬，ω为太阳时角；

4)太阳方位角φs：以目标物的北方向为起始方向，以太阳光的入射方向在地平面上的投影为终止方向，按顺时针所测量的角度，计算公式为：

式中，δ为太阳赤纬，θs为太阳高度角，φ为地理纬度；

步骤21：通过日期信息，结合公式(1)计算出当天的太阳赤纬δ；

步骤22：通过具体的时刻信息，运用公式(2)，计算出此时的太阳时角ω；

步骤23：通过定位模块传输的经纬度信息、步骤21计算得到的太阳赤纬δ和步骤22计算得到的太阳时角ω，运用公式(3)可以得到太阳的太阳高度角θs；

步骤24：通过步骤21计算得到的太阳赤纬δ、步骤23计算得到的太阳的太阳高度角θs和定位模块传输的维度信息，运用公式(4)可以计算得到太阳的太阳方位角φs；

步骤25：通过太阳高度角θs和太阳方位角φs，从而太阳能电池板最优姿态的俯仰角为太阳高度角的补角、水平角为太阳方位角的组角，得知太阳能电池板接收最大太阳能的姿态，将此姿态信号通过ad转换，送入控制器进行存储、积分，当时间间隔到达一刻钟时，使控制器输出驱动脉冲，驱动电机带动传动装置工作，调整电池板的姿态至吸收太阳能最大的姿态。

作为优选方式，定位模块为北斗模块bdm910。

作为优选方式，控制器采用控制器ax7050。

作为优选方式，抗干扰步骤具体过程为：

步骤31：通过mppt太阳能控制器，实时监测每x时间段太阳能电池板的功率；当出现外部干扰时，即功率值下降超过当前时刻功率值的m％时，开始对其姿态进行修正。

步骤32：修正方法：固定俯仰轴y即俯仰角调整电机y，控制器输出驱动脉冲，驱动水平旋转调整电机x，促使水平旋转轴x向视日法方向动作，动作量为干扰前一个小时的动作积分量，记此时功率值为p(t1)，与出现干扰后的功率值p(t0)作比较，如果p(t1)>p(t0)，控制器继续输出驱动脉冲，驱动水平旋转调整电机x，使水平旋转轴x朝正向动作，且动作量不变；如果p(t1)＜p(t0)，控制器输出反向驱动脉冲，驱动水平旋转轴x，使装置水平旋转轴x朝反向动作，动作量不变。

控制器输出驱动脉冲使水平旋转轴继续朝上一步动作方向动作，动作量不变，记录每次动作后的功率值p(t)，与前一个动作后功率值p(t-1)作比较，如果p(t)>p(t-1)，动作方向与动作量不变；如果p(t)＜p(t-1)，朝当前动作方向的反向动作，动作量调整为x1。

控制器继续输出驱动脉冲使水平旋转轴继续朝上一步动作方向动作，动作量为x1，如果p(t)>p(t-1)，动作方向与动作量不变；如果p(t)＜p(t-1)，控制器输出驱动脉冲使水平旋转轴朝与当前动作相反的方向，动作一个当前动作量，取动作后的姿态作为水平旋转轴x的最优姿态。

固定水平旋转轴x即水平旋转调整电机x控制器输出驱动脉冲，驱动俯仰角调整电机y，促使俯仰轴y向视日法方向(干扰前动作的方向)动作，动作量为干扰前一个小时的动作积分量，，记录每次动作后的功率值p(t)，与前一个动作后功率值p(t-1)作比较，如果p(t)>p(t-1)，动作方向与动作量不变；如果p(t)＜p(t-1)，朝当前动作方向的反向动作，动作量调整为y1。

控制器继续输出驱动脉冲使俯仰轴继续朝上一步动作方向动作，动作量为y1，如果p(t)>p(t-1)，动作方向与动作量不变；如果p(t)＜p(t-1)，控制器输出驱动脉冲使俯仰轴朝与当前动作相反的方向，动作一个当前动作量，取动作后的姿态作为俯仰轴y的最优姿态。

至此，即完成干扰修正，系统继续按照视日跟踪法动作。

本发明的有益效果是：

(1)适用移动和非移动状态下的太阳能电池板，可以使太阳能电池板接收光能最大，并使其输出功率保持最大。

(2)系统完成太阳能自动跟踪时，不需要加装各类传感器，增加系统鲁棒性，节省系统本身电源消耗。

附图说明

图1是本发明一种移动太阳能电池板自动跟随方法的流程图；

图2是本发明一种移动太阳能电池板自动跟随方法的结构框图；

图3是本发明太阳角定义图；

图4是本发明双轴跟踪系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种移动无人船太阳能电池板自动跟随控制方法，包括：

初始化步骤：初始化太阳能电池板姿态为输出功率最大的姿态；

太阳能电池板调节步骤：每x时间段内，通过视日跟踪法计算出使太阳能电池板保持正对太阳的姿态时太阳能电池板需要转动的方向及角度的积分量，通过方向和角度的积分量来驱使电机动作，使太阳能电池板自动跟随太阳运动；

抗干扰步骤：通过读取比较太阳能电池板实时发电功率，判定太阳能电池板是否收到外界干扰，如果出现外界干扰，通过变步长功率比较的方法，将太阳能电池板的姿态调整至最优姿态，即当前输出功率最大的姿态。

在一个优选实施例中，如图1所示，方法步骤为，首先初始化，之后判断日照时间，如果系统工作，通过变步长比较法初始化电池板姿态，之后判断是否为阴雨天，如果不是阴雨天，通过视日跟踪发调整电池板姿态。在系统运行过程中，如果出现干扰，通过变步长比较法修正电池板姿态。

如图2所示，整个系统包括控制器ax7050、北斗模块bdm910、时间芯片ds12c887、光合硅能mppt控制器、电源电路、步进电机、电池板传动轴(双轴)和电池板。如图4所示，电池板安装在双轴上，双轴安装在旋转底座上，通过水平旋转轴可以控制电池板水平旋转任意角度，俯仰轴可以控制电池板与水平面夹角在-60°～+60°之间呈任意角度。

在一个优选实施例中，x时间段设定为一刻钟。

在一个优选实施例中，初始化步骤具体为：

日照时间判断步骤：判断当前时间是否在日照区间内；

水平调节步骤：若当前时间不在日照时间内，自动跟随系统不动作；若当前时间在日照时间内，自动跟随系统动作，此时自动跟随系统按照动作模式一进行动作；自动跟随系统动作模式一：固定太阳能电池板俯仰轴y，使水平旋转轴x动作单位量，通过比较mppt控制器所检测的太阳能电池板动作前后的输出功率p(t-1)和p(t)，来确定x轴使功率增大的动作方向，该动作方向称为正确的动作方向；

最优姿态调整步骤：在x轴正确的方向上按当前动作量继续动作，如果输出功率增大，x轴动作方向与动作量不变；当出现功率下降时，朝反方向按x1个当前动作量继续动作，当再次出现功率下降时，设定下降前的功率值对应的姿态为x轴的最优姿态；

在y轴正确的方向上按当前动作量继续动作，如果输出功率增大，y轴动作方向与动作量不变；当出现功率下降时，朝反方向按y1个当前动作量继续动作，当再次出现功率下降时，设定下降前的功率值对应的姿态为y轴的最优姿态。

在一个优选实施例中，x1为十分之一；y1为十分之一。

在一个优选实施例中，它还包括自动跟随系统是否工作的判断步骤：比较通过mppt控制器检测到当前最优姿态功率值p(l)和所使用太阳能电池板平均功率值p(a)，若p(l)≥a*p(a)则为非阴雨天，自动跟随系统正常工作，若p(l)<a*p(a)则为阴雨天，自动跟随系统不工作；a为比例系数，其值的范围为0.2-0.4。

在一个优选实施例中，a取0.3。

在一个优选实施例中，太阳能电池板调节步骤具体为：

定义各参数：

1)太阳赤纬δ：是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线的夹角，即太阳直射点的纬度值，以年为周期，在+23°26′与-23°26′之间移动，一年内任何一天的赤纬角可用如下公式计算：

式中，n为一年中的天数，从1月1日开始计算；

2)太阳时角ω：从观测点天球子午图沿天赤道量至太阳所在时图的角距离，计算公式为：

ω＝15×(st-12)(2)

式中，st为太阳真时，以24小时计；

3)太阳高度角θs：从观测者所在地和太阳中心的联线与地平面所夹的角度，计算公式为：

sinθs＝sinφsinδ+cosφcosδcosω(3)

式中，φ为地理纬度，δ为太阳赤纬，ω为太阳时角；

4)太阳方位角φs：以目标物的北方向为起始方向，以太阳光的入射方向在地平面上的投影为终止方向，按顺时针所测量的角度，计算公式为：

式中，δ为太阳赤纬，θs为太阳高度角，φ为地理纬度；

太阳高度角θs和太阳方位角φs如图3所示。

步骤21：通过日期信息，结合公式(1)计算出当天的太阳赤纬δ；

步骤22：通过具体的时刻信息，运用公式(2)，计算出此时的太阳时角ω；

步骤23：通过定位模块传输的经纬度信息、步骤21计算得到的太阳赤纬δ和步骤22计算得到的太阳时角ω，运用公式(3)可以得到太阳的太阳高度角θs；

步骤24：通过步骤21计算得到的太阳赤纬δ、步骤23计算得到的太阳的太阳高度角θs和定位模块传输的维度信息，运用公式(4)可以计算得到太阳的太阳方位角φs；

步骤25：通过太阳高度角θs和太阳方位角φs，从而太阳能电池板最优姿态的俯仰角为太阳高度角的补角、水平角为太阳方位角的组角，得知太阳能电池板接收最大太阳能的姿态，将此姿态信号通过ad转换，送入控制器进行存储、积分，当时间间隔到达一刻钟时，使控制器输出驱动脉冲，驱动电机带动传动装置工作，调整电池板的姿态至吸收太阳能最大的姿态。

在一个优选实施例中，定位模块为北斗模块bdm910。

在一个优选实施例中，控制器采用控制器ax7050。

在一个优选实施例中，抗干扰步骤具体过程为：

步骤31：通过mppt太阳能控制器，实时监测每x时间段(比如每一时刻)太阳能电池板的功率；当出现外部干扰时，即功率值下降超过当前时刻功率值的m％(m取20)时，开始对其姿态进行修正。

步骤32：修正方法：固定俯仰轴y即俯仰角调整电机y，控制器输出驱动脉冲，驱动水平旋转调整电机x，促使水平旋转轴x向视日法方向(干扰前动作的方向，以下称视日法动作方向为正向，与视日法相反的方向为反向)动作，动作量为干扰前一个小时的动作积分量，记此时功率值为p(t1)，与出现干扰后的功率值p(t0)作比较，如果p(t1)>p(t0)，控制器继续输出驱动脉冲，驱动水平旋转调整电机x，使水平旋转轴x朝正向动作，且动作量不变；如果p(t1)＜p(t0)，控制器输出反向驱动脉冲，驱动水平旋转轴x，使装置水平旋转轴x朝反向动作，动作量不变。

控制器输出驱动脉冲使水平旋转轴继续朝上一步动作方向动作，动作量不变，记录每次动作后的功率值p(t)，与前一个动作后功率值p(t-1)作比较，如果p(t)>p(t-1)，动作方向与动作量不变；如果p(t)＜p(t-1)，朝当前动作方向的反向动作，动作量调整为x1。

控制器继续输出驱动脉冲使水平旋转轴继续朝上一步动作方向动作，动作量为x1，如果p(t)>p(t-1)，动作方向与动作量不变；如果p(t)＜p(t-1)，控制器输出驱动脉冲使水平旋转轴朝与当前动作相反的方向，动作一个当前动作量，取动作后的姿态作为水平旋转轴x的最优姿态。

固定水平旋转轴x即水平旋转调整电机x控制器输出驱动脉冲，驱动俯仰角调整电机y，促使俯仰轴y向视日法方向(干扰前动作的方向)动作，动作量为干扰前一个小时的动作积分量，，记录每次动作后的功率值p(t)，与前一个动作后功率值p(t-1)作比较，如果p(t)>p(t-1)，动作方向与动作量不变；如果p(t)＜p(t-1)，朝当前动作方向的反向动作，动作量调整为y1。

控制器继续输出驱动脉冲使俯仰轴继续朝上一步动作方向动作，动作量为y1，如果p(t)>p(t-1)，动作方向与动作量不变；如果p(t)＜p(t-1)，控制器输出驱动脉冲使俯仰轴朝与当前动作相反的方向，动作一个当前动作量，取动作后的姿态作为俯仰轴y的最优姿态。

至此，即完成干扰修正，系统继续按照视日跟踪法动作。

本发明的适应性较强，不需要额外增加传感器，节约系统能耗。不需要过于复杂的算法，对于干扰环境具有较好的鲁棒性，特别适合移动无人船移动状态和阴雨天状态下的太阳能跟踪，整体跟踪效果较好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。