可接入物联网系统的太阳能定向系统及其工作方法与流程

本发明涉及太阳能板控制系统领域，具体涉及一种可接入物联网系统的太阳能定向系统及其工作方法。

背景技术：

目前应用的太阳能光电板设备，位置固定，只能在中午与太阳能保持垂直，太阳能接受率低下。理论上，只要能保持太阳能光电板法线方向始终指向太阳，可以将采集效率提高25％以上。因此太阳能定向技术有很强应用价值。

当前的太阳能发电装置，由于受到成本和技术制约的影响，一般采用固定式安装太阳能光电板，不具备太阳跟踪能力。而当前已经应用的太阳定向跟踪装置，依靠光电检测技术，采用分区跟踪方式对太阳方位角和高度角进行计算，最后根据结果，结合机电控制技术调整太阳能光电板的角度。这种方法存在的缺点主要是光电传感器价格昂贵，容易故障以及容易受到外界干扰，测量结果误差较大。同时由于算法上大都使用pid调节，算法优化过程复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可接入物联网系统的太阳能定向系统及其工作方法，用以解决现有技术中的太阳定向跟踪装置价格昂贵、测量结果误差大的问题。

本发明一方面提供了一种可接入物联网系统的太阳能定向系统，包括输入电源、stm32控制主板、zigbee通讯模块、主机gps模块、充放电管理模块、太阳能板、角位移传感器、旋转驱动组件，

所述stm32控制主板连接旋转驱动组件，所述stm32控制主板将旋转角度信息输送至旋转驱动组件，所述旋转驱动组件驱动太阳能板旋转实现角度调整；

所述stm32控制主板连接充放电管理芯片，所述充放电管理芯片连接太阳能板，用于控制太阳能板充放电工作；

所述stm32控制主板连接zigbee通讯模块，所述zigbee通讯模块连接主机gps模块，所述主机gps模块通过物联网主机获取太阳能板位置信息，并输送至stm32控制主板；

所述输入电源通过变压芯片连接stm32控制主板和角位移传感器。

所述角位移传感器与stm32控制主板无线通信，所述角位移传感器用于检测太阳能板旋转角度，并将信息输送至stm32控制主板。

进一步的，还包括限位开关，所述限位开关连接输入电源、stm32控制主板和旋转驱动组件，所述限位开关将限位信号输送至stm32控制主板和旋转驱动组件，控制天阳能板的旋转角度。

进一步的，还包括gps模块，所述gps模块以热插拔形式接入stm32控制主板，用于直接获取太阳能板位置信息，并输送至stm32控制主板。

进一步的，还包括光照/雨雪传感器，通过物联网主机获取环境数据信息，并输送至stm32控制主板，stm32控制主板根据环境信息判断太阳能板工作状态。

进一步的，所述旋转驱动组件包括电机一和电机二，所述电机一和电机二分别用于驱动太阳能板在x轴和y轴方向的旋转。

进一步的，所述stm32控制主板为基于cortex-m3内核的stm32f100芯片控制电路。

本发明另一方面提供一种可接入物联网系统的太阳能定向系统的工作方法，包括如下步骤：

(1)主机gps模块通过物联网主机获取到相关位置信息并传输至stm32控制主板；

(2)stm32控制主板接收位置信息，并根据位置信息计算出太阳能板旋转角度，并传输至旋转驱动组件；

(3)旋转驱动组件驱动太阳能板旋转实现角度调整。

进一步的，所述步骤(1)之前还包括：光照/雨雪传感器通过物联网主机获取环境数据信息，并输送至stm32控制主板，stm32控制主板根据环境信息做出判断，在阴霾、雨雪气候下，太阳能定向系统处于休眠状态，不实施角度调节。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：

本系统可以作为一个完全独立运行的系统接入到物联网网络，通过zigbee协议接入无线私有zigbee通信网络，与后台物联网主机通信，从而形成物联网系统的一个独立模块，并通过物联网主机获取位置信息和环境参数，传输至stm32控制主板，stm32控制主板自动计算出太阳方位角和高度角，然后分别驱动两台电机同时运转，自动调整太阳能光电板的角度，达到太阳能的最优利用率；

在阴霾、雨雪气候下，太阳能接受装置几乎没有能量转化效率，因此，可以通过stm32控制主板接收并分析环境参数，特定气候条件下让系统处于休眠状体，不实施调节；

系统自带的gps模块以热插拔形式接入，在因特殊原因导致系统无法接入物联网时提供位置信息，当物联网系统有gps数据传入时，可以省掉该gps模块，节约造价成本；

为了防止超越极限位置，在极限位置安装限位开关，将限位信号输入到以stm32控制主板，作为电机的开关保护信号。

附图说明

图1为本发明可接入物联网系统的太阳能定向系统结构示意图；

图2为本发明旋转驱动组件与太阳能板连接关系示意图；

图3为太阳高度角与方位角示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-电机一，2-电机二，3-太阳能板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例一种可接入物联网系统的太阳能定向系统，包括输入电源、stm32控制主板、zigbee通讯模块、主机gps模块、充放电管理模块、太阳能板、角位移传感器、旋转驱动组件，

所述stm32控制主板连接旋转驱动组件，所述stm32控制主板将旋转角度信息输送至旋转驱动组件，所述旋转驱动组件驱动太阳能板旋转实现角度调整；

所述stm32控制主板连接充放电管理芯片，所述充放电管理芯片连接太阳能板，用于控制太阳能板充放电工作；

所述stm32控制主板连接zigbee通讯模块，所述zigbee通讯模块连接主机gps模块，所述主机gps模块通过物联网主机获取太阳能板位置信息，并输送至stm32控制主板；

所述输入电源通过变压芯片连接stm32控制主板和角位移传感器。

所述角位移传感器与stm32控制主板无线通信，所述角位移传感器用于检测太阳能板旋转角度，并将信息输送至stm32控制主板。

优选的，还包括限位开关，所述限位开关连接输入电源、stm32控制主板和旋转驱动组件，所述限位开关将限位信号输送至stm32控制主板和旋转驱动组件，控制天阳能板的旋转角度。

优选的，还包括gps模块，所述gps模块以热插拔形式接入stm32控制主板，用于直接获取太阳能板位置信息，并输送至stm32控制主板。

优选的，还包括光照/雨雪传感器，通过物联网主机获取环境数据信息，并输送至stm32控制主板，stm32控制主板根据环境信息判断太阳能板工作状态。

优选的，如图2所示，所述旋转驱动组件包括电机一1和电机二2，所述电机一1和电机二2分别用于驱动太阳能板3在x轴和y轴方向的旋转。

所述stm32控制主板为基于cortex-m3内核的stm32f100芯片控制电路。

该可接入物联网系统的太阳能定向系统的工作方法，包括如下步骤：

(1)主机gps模块通过物联网主机获取到相关位置信息并传输至stm32控制主板；

(2)stm32控制主板接收位置信息，并根据位置信息计算出太阳能板旋转角度，并传输至旋转驱动组件；

(3)旋转驱动组件驱动太阳能板旋转实现角度调整。

所述步骤(1)之前还包括：光照/雨雪传感器通过物联网主机获取环境数据信息，并输送至stm32控制主板，stm32控制主板根据环境信息做出判断，在阴霾、雨雪气候下，太阳能定向系统处于休眠状态，不实施角度调节。

调整太阳能光电板的角度前，必须计算出太阳当前的高度角和方位角，结合图3所示，本发明的计算原理来源于以下计算过程：

1.赤纬角：

赤道面与太阳光线照射方向的夹角<＝黄道面与赤道面的夹角<＝23度27分(23.45度)；

(太阳光线照射方向：地球中心与太阳中心连线形成的方向)

夏至日(6/21,6/22)当太阳位于北半球的北回归线时，赤纬角为23度27分，春分秋分(3/21,3/22,9/22,9/23)当太阳位于赤道时，赤纬角为0度，冬至(12/22,12/23)当太阳位于南回归线时，赤纬角为-23度27分。

赤纬角粗略的计算公式：

赤纬角δ＝23.45*sin((n-80)/370.0*360)

(n为从元旦起的天数)。

例如：

春分日代入，(n-80)/370.0*360约等于0度，此时赤纬角约为0；

秋分日代入，(n-80)/370.0*360约等于180度，此时赤纬角约为0；

2.太阳时角：

时角按地球自转一周(约24h)相当于太阳在天球图上绕一周360度，这个和经线对应，平均下来，一小时15度，一个经线相隔15度。

时角计算公式为：

时角ω＝15*(t-12)

(t为当地时间)。

例如：

当地中午12点时，时角为0，太阳位于当地经线的正上方；

当地午夜12点时，时角为180，太阳位于当地经线的正下方；

当地时间指真太阳时，北京时间并非当地时间，如果换算的话，新疆区域需要推后1个小时，位于东7区。

3.太阳高度角

太阳光线与地平面的夹角称为太阳高度角，范围[-90度，90度]

一般情况下，在北回归线与北极圈之间，当地时间12点时，太阳高度角最大，24点时，太阳高度角最小。

sin(高度角h)＝cosωcosδcosφ+sinδsinφ

(ω为太阳时角；δ为赤纬角；φ为纬度)

4.太阳方位角

太阳光线在地平面上的投影线与地平面正南方向的夹角称为太阳方位角，范围[-180度,180度]。

一般情况下，在北回归线与北极圈之间，当地时间12点时，太阳高度角为0度，24点时，太阳高度角为180度/-180度。

sin(方位角a)＝(-sinωcosδ)/cosh

(ω为太阳时角；δ为赤纬角；h为高度角)

由上得知，可以将太阳高度角和方位角的计算抽象为：

(h，a)＝f(dt,vx，hy)

(h为太阳高度角；a为太阳方位角；dt为当前时间(含日期)；vx为地理经度；hy为地理纬度。)

通过主机gps模块或系统自带的gps模块提供的经纬度信息，stm32控制主板可以计算出dt、vx、hy，便可计算出太阳高度角和方位角，计算结果与当前太阳能装置的法线方向进行对比，得出差值，输出指令，调节电机转动，达到控制太阳能接受装置调整角度的目的。

综上，本系统可以作为一个完全独立运行的系统接入到物联网网络，通过zigbee协议接入无线私有zigbee通信网络，与后台物联网主机通信，从而形成物联网系统的一个独立模块，并通过物联网主机获取位置信息和环境参数，传输至stm32控制主板，stm32控制主板自动计算出太阳方位角和高度角，然后分别驱动两台电机同时运转，自动调整太阳能光电板的角度，达到太阳能的最优利用率；

在阴霾、雨雪气候下，太阳能接受装置几乎没有能量转化效率，因此，可以通过stm32控制主板接收并分析环境参数，特定气候条件下让系统处于休眠状体，不实施调节；

系统自带的gps模块以热插拔形式接入，在因特殊原因导致系统无法接入物联网时提供位置信息，当物联网系统有gps数据传入时，可以省掉该gps模块，节约造价成本；

为了防止超越极限位置，在极限位置安装限位开关，将限位信号输入到以stm32控制主板，作为电机的开关保护信号。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。