专利名称：一种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及太阳能光伏发电技术，特别涉及一种用于跟踪太阳运行及辐射角度的
太阳能电池板全天候自适应双轴跟踪系统及其方法，可以广泛的用于地面独立光伏电站及 大型并网光伏电站。
背景技术：
在全球气候变暖，生态环境的恶化以及随着社会经济高速发展所带来的常规能源 资源短缺和环境污染的紧迫形势下，加快可再生能源的开发利用成为解决能源和环境问题 的重要途径和措施。太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利 用潜力，太阳能光伏发电作为一种可持续的能源替代方式，近年来受到了各国政府的重视 和支持，得到了迅速发展。 但是由于太阳能密度低，具有间歇性和空间分布不断变化的特点，固定式太阳能 电池板无法跟随太阳位置的变化，无法保证太阳光始终垂直太阳能电池板，光电转换效率 低，因此太阳能跟踪系统应运而生。由于单轴跟踪只是在方位角跟踪太阳，高度角作季节性 调整，而双轴跟踪是在方位角和高度角2个方向跟踪太阳轨迹，因此双轴跟踪系统的效果 优于单轴跟踪系统。据测算，在太阳能光发电中，相同条件下，双轴自动跟踪发电设备要比 固定发电设备的发电量提高40 50%左右。因此在太阳能利用中，进行全天候、自适应跟 踪是非常必要的。常用的太阳能跟踪控制方法主要有匀速控制方法、光强控制方法以及时 空控制方法等，采用电子控制系统和机械系统相结合的方式进行太阳的跟踪定位。但是这 类跟踪系统成本较高，能耗较大，且具有一定的局限性，没有防积雪覆盖以及利用雨水清洗 组件等功能尤其是在恶劣天气(如大风、雨、雪等)及环境条件下，不能有效的自动进行跟 踪控制，在恶劣天气条件下由于跟踪系统反应不及时甚至会造成太阳能电池阵列的损坏； 另外常规的跟踪系统不能及时监测太阳能阵列跟踪控制效果和自动识别太阳能方阵故障 及遮挡物，在一定程度上影响了太阳能的利用效率，限制了太阳能跟踪系统的推广和应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统及其控制方
法，该系统和方法能耗低，可以在恶劣天气条件下进行高效高精度的跟踪，并且具有跟踪控
制效果的实时监测、故障及遮挡物分析、防积雪覆盖和利用雨水清洗组件等功能。 —种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统，其特征在于包括图像识别模块、控制电
路模块、机械传动跟踪控制模块、传感器和光伏阵列，其中图像识别模块由摄像机串接计算
机构成，控制电路模块微处理器构成，机械传动跟踪控制模块包括风速仪、第一、第二变频
器、第一、第二电机和第一、第二调速机构，摄像机采集光伏阵列的图像信息，接计算机的输
出端接微处理器的输入端，微处理器的第一输出端依次串接第一变频器、第一电机和第一
调速机构后与光伏阵列中太阳电池方阵垂直轴相连，微处理器的第二输出端依次串接第二
变频器、第二电机和第二调速机构后与光伏阵列中太阳电池方阵水平轴相连，风速仪和传
3感器设置于光伏阵列中，风速仪的输出端接计算机的输入端，传感器的输出端接微处理器 的输入端。 所述的一种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统，其特征在于所述传感器为光敏传 感器等。 所述的一种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统，其特征在于所述图像识别模块中
的摄像机还与电站安防系统共用，所述电站安防系统还包括监控中心，所述摄像机的输出
端分别接监控中心和计算机的输入端，计算机的输出端接监控中心的输入端。 所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统，其特征在于所述微处理器与第一
电机之间串接第一变频器，所述微处理器与第二电机之间串接第二变频器。 所述的一种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统的控制方法，其特征是摄像机实时
采集光伏阵列的图像信息，并将所述图像信息传送至计算机中进行图像分析和图像识别获
得天气信息，结合风速仪得到的风速信息进行分析处理在恶劣天气条件下，采用微处理器
依次通过控制第一变频器、第一电机和第一调速机构后调节与光伏阵列中太阳电池方阵垂
直轴，同时采用微处理器依次通过控制第二变频器、第二电机和第二调速机构后调节光伏
阵列中太阳电池方阵水平轴，采取保护措施；可以根据天气信息调整，通过微处理器依次通
过控制第一变频器、第一电机、第一调速机构以及第二变频器、第二电机、第二调速机构分
别调节光伏阵列中太阳电池方阵垂直轴和水平轴，从而调整光伏阵列的姿态，实现防积雪
覆盖，清理遮挡物，雨水清洗组件。 所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统的控制方法，其特征在于所述图像 识别模块中计算机控制摄像机识别光伏阵列上面的遮挡物或者跟踪运动故障，并且通过控 制电机动作或者实施报警，通知现场人员进行处置。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是将图像采集、图像识别与图像处理系 统、微处理器电子控制系统与机械系统相结合，通过微处理器内置太阳位置计算程序控制 电机动作，准确跟踪太阳的方位角和高度角；通过摄像机采集的光伏阵列场的图像信息识 别雨、雪天气，结合风速仪监测风速信息，实时分析天气状况，根据天气状况，自动分析风 速、雪量、雨水速度和角度等信息，当风速较大会影响到太阳能电池板的安全时，通过微处 理器系统及时控制跟踪系统动作采取保护措施；当积雪覆盖太阳能电池组件时，及时控制 跟踪系统动作倾覆组件上的积雪；根据雨水速度和角度智能控制跟踪系统动作调整最佳角 度以最利于雨水对太阳能组件的冲刷和清洗。通过摄像机采集的光伏阵列场的图像信息识 别太阳能电池板的姿态，以实时监测跟踪系统控制效果并及时发现光伏阵列故障；通过摄 像机采集的光伏阵列场的图像信息识别光伏阵列的遮挡情况，及时发现太阳能电池板上的 遮挡异物，发出警报通知相关人员；将摄像机的图像监测与光伏电站的安防系统相结合甚 至替代安防系统中的摄像设备，起到防盗作用，同时降低成本。 本发明的有益成果是在精确跟踪太阳运行方位角和高度角的同时提高光伏阵列在 全天候特别是在恶劣天气条件下的自适应能力，增强故障和遮挡物的自动识别效率，并可以 起到防盗作用，大大提高了光伏电站的太阳能利用效率，增强了光伏电站的安全性和可靠性。
图1是本发明的系统原理框图。
具体实施例方式
为使本发明的实质特征和有益效果更易于理解，以下结合实例及附图对其进行详 细说明。 图1示出了本发明的双轴太阳能跟踪系统的原理流程图。如图所示，本发明一种 全天候自适应双轴太阳能跟踪系统，其特征在于包括图像识别模块、控制电路模块、机械传 动跟踪控制模块、传感器5、光伏阵列14和电站安防系统16，其中图像识别模块由摄像机1 串接计算机2构成，控制电路模块微处理器3构成，机械传动跟踪控制模块包括风速仪4、第 一、第二变频器6、9、第一、第二电机7、10和第一、第二调速机构8、11，电站安防系统16由 摄像机1的串接监控系统15构成，摄像机1采集光伏阵列14的图像信息，接计算机2的输 出端接微处理器3的输入端，微处理器3的第一输出端依次串接第一变频器6、第一电机7 和第一调速机构8后与光伏阵列14中太阳电池方阵垂直轴12相连，微处理器3的第二输 出端依次串接第二变频器9、第二电机IO和第二调速机构11后与光伏阵列14中太阳电池 方阵水平轴13相连，风速仪4和传感器5设置于光伏阵列14中，风速仪4的输出端接计算 机2的输入端，传感器5的输出端接微处理器3的输入端。 双轴跟踪可以分为两种方式极轴式全跟踪和地平坐标系全跟踪(即高度角_方 位角式全跟踪)，本发明采用的为后者高度角-方位角式全跟踪方式。本发明的双轴跟踪系 统的机械结构由电机驱动，采用电机齿轮传动机构带动光伏阵列转动实现方位角跟踪(水 平方向上)，同时采用电机推杆机构推动光伏阵列翻转实现高度角跟踪(垂直方向上)，可 以使电池板在水平方向上的360°和垂直方向上的0 90°之间自由旋转。
由于太阳的运行轨迹是与时间、季节、当地经纬度等诸多复杂因素有关的，因此在 微处理器(3)内置时钟芯片和太阳位置计算程序，将上述相关的数据预先输入到微处理器 中通过程序查表并进行太阳方位角和高度角的计算，得出给定时间太阳的位置，然后计算 出跟踪装置所应处的位置，通过串口送到处理器发出指令控制第一电机7转动，由于第一 电机7转速较高，首先通过第一变频器6变频降速，然后在第一电机7后增加第一调速机构 8，第一调速机构8通过齿轮传动机构带动太阳电池方阵垂直轴12转动实现方位角跟踪；同 时微处理器3通过串口送到处理器发出指令控制第二电机10转动，第二电机10首先通过 第二变频器9变频降速，然后通过第二调速机构ll进一步降速，通过推杆机构推动太阳电 池方阵水平轴12动作实现高度角跟踪，从而准确跟踪太阳的方位角和高度角。传感器5用 于检测光伏阵列是否对准太阳，当太阳光偏离垂直照射传感器时，传感器能检测出当前太 阳偏离传感器的方位，同时在传感器相应方位的输出端，会有信号输出，信号反馈给微处理 器，进行方位矫正以实现精确的控制。微处理器3内置时钟芯片在夜间时，通过处理器发出 指令控制第一电机7和第二电机10动作，使太阳能电池板回归初始位置。
摄像机1可以实时采集光伏阵列14的图像信息，并将其传送至计算机2中进行图 像分析和图像识别，获得雨、雪等天气信息，结合风速仪4得到的风速信息，将这些天气信 息进行分析计算，根据实时天气条件，判断风速，通过微处理器3及时控制跟踪系统动作采 取保护措施；判断积雪覆盖太阳能电池组件的程度，通过微处理器3及时控制跟踪系统动 作倾覆组件上的积雪；根据雨水速度和角度通过微处理器3控制跟踪系统动作调整最佳角 度以最利于雨水对太阳能组件的冲刷和清洗，以保护光伏阵列的安全和高效可靠的运行；计算机2也可以将图像处理的相应结果输入至监控中心15，供电站安防系统16使用。
进一步地，摄像机1可以实时采集光伏阵列14的图像信息，并将其传送至计算机 2中进行图像分析和图像识别，获得光伏阵列14中的故障信息(如某些太阳能电池板未能 动作或姿态不正常等)和遮挡物信息(如异物覆盖太阳能电池板等)，通过微处理器3控制 电机动作采取措施消除故障或发出警告通知现场人员进行处置，提高光伏阵列的安全可靠 性。 进一步地，摄像机1也可以实时采集光伏阵列14的图像信息，并与电站安防系统 16相结合或替代安防系统16中的图像采集设备，起到防盗及降低成本的作用。
权利要求
一种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统，其特征在于包括图像识别模块、控制电路模块、机械传动跟踪控制模块、传感器(5)和光伏阵列(14)，其中图像识别模块由摄像机(1)串接计算机(2)构成，控制电路模块微处理器(3)构成，机械传动跟踪控制模块包括风速仪(4)、第一、第二电机(7、10)和第一、第二调速机构(8、11)，摄像机(1)采集光伏阵列(14)的图像信息，接入计算机(2)，计算机(2)的输出端接微处理器(3)的输入端，微处理器(3)的第一输出端依次串接第一电机(7)和第一调速机构(8)后与光伏阵列(14)中太阳电池方阵垂直轴(12)相连，微处理器(3)的第二输出端依次串接第二电机(10)和第二调速机构(11)后与光伏阵列(14)中太阳电池方阵水平轴(13)相连，风速仪(4)和传感器(5)设置于光伏阵列(14)中，风速仪(4)的输出端接计算机(2)的输入端，传感器(5)的输出端接微处理器(3)的输入端。
2. 基于权利要求1所述的一种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统，其特征在于所述图 像识别模块中的摄像机(1)还与电站安防系统(16)共用，所述电站安防系统(16)还包括 括监控中心(15)，所述摄像机(1)的输出端分别接监控中心(15)和计算机(2)的输入端， 计算机(2)的输出端接监控中心(15)的输入端。
3. 根据权利要求1所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统，其特征在于所述微 处理器(3)与第一电机(7)之间串接第一变频器(6)，所述微处理器(3)与第二电机(10) 之间串接第二变频器(9)。
4. 一种基于权利要求1所述的一种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统的控制方法，其 特征是摄像机(1)实时采集光伏阵列(14)的图像信息，并将所述图像信息传送至计算机(2) 中进行图像分析和图像识别获得天气信息，结合风速仪(4)得到的风速信息进行分析 处理在恶劣天气条件下，采用微处理器(3)依次通过控制第一变频器(6)、第一电机(7) 和第一调速机构(8)后调节与光伏阵列(14)中太阳电池方阵垂直轴(12)，同时采用微处理 器(3)依次通过控制第二变频器(9)、第二电机(10)和第二调速机构(11)后调节光伏阵列 (14)中太阳电池方阵水平轴(13)，采取保护措施；可以根据天气信息调整，通过微处理器(3) 依次通过控制第一变频器(6)、第一电机(7)、第一调速机构(8)以及第二变频器(9)、 第二电机(10)、第二调速机构(11)分别调节光伏阵列(14)中太阳电池方阵垂直轴(12) 和水平轴(13)，从而调整光伏阵列(14)的姿态，实现防积雪覆盖，清理遮挡物，雨水清洗组 件。
5. 根据权利要求4所述的一种全天候自适应单轴太阳能跟踪系统的控制方法，其特征 在于所述图像识别模块中计算机(2)控制摄像机(1)识别光伏阵列(10)上面的遮挡物或 者跟踪运动故障，并且通过控制电机(7)动作或者实施报警，通知现场人员进行处置。
全文摘要
本发明公布了一种全天候自适应双轴太阳能跟踪系统及其控制方法，本发明系统图像识别模块、控制电路模块、机械传动跟踪控制模块、传感器和光伏阵列，其中图像识别模块由摄像机串接计算机构成，控制电路模块微处理器构成，机械传动跟踪控制模块包括风速仪、第一、第二变频器、第一、第二电机和第一、第二调速机构。本发明方法通过摄像机采集图像进行分析结合微处理器来精确控制太阳能电池板的姿态，在实现全天候太阳方位角和高度角精确跟踪提高太阳能利用效率的同时可以提高光伏阵列在全天候特别是在恶劣天气条件下的自适应能力，增强光伏电站的故障和遮挡物的自动识别效率，并起到防盗作用，增强了光伏电站的安全性和可靠性。
文档编号H04N7/18GK101718996SQ20091023434
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者刘小宝, 刘爱国, 史君海, 徐永邦, 王芳, 邓霞 申请人:中环光伏系统有限公司