CN103926937B - 一种高效太阳能自动追踪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效太阳能自动追踪方法及装置。所述方法：首先判断外界天气情况，若为晴天，则采用光电检测追踪模式，实现太阳能自动追踪，若为阴天或光照不足，则采用太阳角追踪模式，即根据实时时间，计算出太阳高度角和方位角，并根据计算到的太阳高度角和方位角实现太阳能自动追踪。本发明方法将光电检测追踪方法和太阳角追踪方法相结合，它能够使太阳能电池板随着太阳高度角和方位角的变化而变化，使其始终保持与太阳光线垂直，从而提高太阳能电池的效率；本方法结合装置不仅提高太阳能追踪装置的灵敏度，同时不容易受到天气和其他光源的干扰，具有较高的稳定度，误差较小。

Description

一种高效太阳能自动追踪方法及装置

技术领域

本发明涉及光伏应用领域，具体是一种综合太阳角追踪和光电检测追踪相结合的高效太阳能自动追踪方法，特别是一种高效太阳能自动追踪方法及装置。

背景技术

太阳无时无刻不在向宇宙释放能量，虽然其中只有极微小的部分到达地球。即便如此，每分钟地球表面接受到的太阳辐射能量仍高达千瓦，相当于60亿吨标准煤。由于太阳辐射的供给可以说是源源不断的，所以太阳能相对而言可以说是取之不尽，用之不竭。利用太阳能发电，不会造成环境污染，利用清洁能源替代传统的化石能源是维持可持续发展道路的最佳选择。太阳能的开发和利用受到越来越多国家的重视，我国的光伏设备制造业已逐渐形成规模，为光伏产业的发展提供了强大的支撑。然而，目前对太阳能的利用还十分有限，性价比较高的多晶硅电池的平均出厂效率在16%左右。

发明内容

本发明的目的在于提供一种最大程度的将太阳能转化为电能，提高太阳能的利用率的高效太阳能自动追踪方法及装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高效太阳能自动追踪方法，包括如下步骤，

步骤S01：判断外界天气情况，若为晴天，则进入步骤S02，若为阴天或光照不足，则转入步骤S03；

步骤S02：采用光电检测追踪模式，实现太阳能自动追踪；

步骤S03：采用太阳角追踪模式，即根据实时时间，计算出太阳高度角和方位角，并根据计算到的太阳高度角和方位角实现太阳能自动追踪。

在本发明实施例中，所述光电检测追踪模式具体如下，

步骤S21：提供一光电太阳能方位检测电路，该光电太阳能方位检测电路与单片机控制模块和太阳能光伏阵列，所述光电太阳能方位检测电路包括5个光敏二极管，以该些光敏二极管其中的第一光敏二极管为中心，呈十字排布在一圆盘上表面，所述圆盘放置于一顶部具有透光孔的中空圆柱罩内，每个光敏二极管与其相邻的光敏二极管均保持一定的间隙；

步骤S22：判断第一光敏二极管是否受到光照，若是，保持所述太阳能光伏阵列朝向，并延时预定时间重新执行步骤S22；若否，直接进入步骤S23；

步骤S23：分别判断位于第一光敏二极管四个方向上的第二至第五二极管是否受到光照，若是，调整所述太阳能光伏阵列朝向，并延时预定时间重新执行步骤S22；若否，直接重新执行步骤S22。

在本发明实施例中，所述太阳角追踪模式具体如下，

步骤S31：读取实时时间及当期位置经纬度，并根据该实时时间及经纬度计算太阳高度角和方位角；

步骤S32：根据太阳高度角和方位角以及太阳能光伏阵列的长度，计算出太阳能光伏阵列在该时刻太阳高度角水平方向的偏移高度和太阳方位角水平方向的偏移高度；

步骤S33：延时预定时间后，计算预定时间后时刻的太阳高度角水平方向的偏移高度和太阳方位角水平方向的偏移高度；

步骤S34：根据预定时间前后两个时刻的偏移高度差，计算出太阳能光伏阵列需调整角度，以保证太阳能光伏阵列与太阳光照的角度垂直。

在本发明实施例中，所述太阳高度角和方位角的计算方法如下：

设一年365天对应区间为[0,π]，取日角： ，取为年的日期序列，1月1日为1，12月31日为365，则赤尾弧度为：

太阳实角为：，式中单位为度，15表示每小时相当于15°时角。

真太阳时=地方时+时差=北京时+经度订正+时差=北京时+（当地经度-12060+时差）；

时差（弧度）=

时差（小时）=时差（弧度）12

设太阳高度角和方位角分别为和，地理纬度为，则

由此可知，只要时间和经纬度一定，就能通过以上公式计算出相应的太阳高度角和方位角。

本发明还提供了一种高效太阳能自动追踪装置，包括连接至单片机控制模块的用于判断天气情况的光电检测追踪模块；所述单片机控制模块还连接有太阳角追踪模块；若为晴天，则启用所述光电检测追踪模块，采用光电检测追踪模式，实现太阳能自动追踪；若为阴天或光照不足，则启用所述太阳角追踪模块，采用太阳角追踪模式，实现太阳能自动追踪；所述单片机控制模块还经一电机模块连接至太阳能光伏阵列，该太阳能光伏阵列还连接至光电检测追踪模块；所述光电检测追踪模块包括阴晴天检测电路和光电太阳能方位检测电路。

在本发明实施例中，所述阴晴天检测电路包括第一光敏二极管、第一运放及第一至第四电阻；所述第一光敏二极管负端接至电源正极，所述第一光敏二极管正端接至所述第一运放的同相输入端，所述第一光敏二极管的正端还经第一电阻连接至地；所述第一运放的反相输入端经第二电阻、第三电阻连接至地，所述第一运放的反相输入端还经第四电阻连接至电源正极；所述第一运放的输出端连接至单片机，该第一运放的VCC端与电源正极连接，该第一运放的VEE端与地连接。

在本发明实施例中，所述光电太阳能方位检测电路包括5个光敏二极管，该些光敏二极管以第二光敏二极管为中心，呈十字分布在一圆盘上表面，每个光敏二极管与其相邻的光敏二极管均保持一定的间隙；所述圆盘放置于一顶部具有透光孔的中空圆柱罩内。

在本发明实施例中，所述光电太阳能方位检测电路还包括第二至第五运放及第五至第九电阻；所述第二至第六光敏二极管的负端均连接至电源正极，所述第二至第六光敏二极管的正端还别经第五至第九电阻连接至地；所述第二光敏二极管的正端连接至第二运放的同相输入端；所述第三光敏二极管的正端连接至第二运放的反相输入端；所述第四光敏二极管的正端连接至第三运放的反相输入端；所述第五光敏二极管的正端连接至第四运放的反相输入端；所述第六光敏二极管的正端连接至第五运放的反相输入端；所述第二运放的同相输入端与第三运放的同相输入端、第四运放的同相输入端和第五运放的同相输入端连接。

在本发明实施例中，所述单片机控制模块包括单片机及四组电机驱动电路；所述第一电机驱动电路包括一二极管、第一至第二三极管、一继电器及第十至第十二电阻；所述单片机的一引脚经第十电阻连接至电源正极，该引脚还经第十一电阻连接至第一三极管基极；所述第一三极管的集电极与第十二电阻的一端、第二三极管的基极连接，所述第十二电阻的另一端连接至电源正极，所述第二三极管的集电极经二极管连接至电源正极，所述第二三极管的集电极还经继电器连接至电源正极，所述第一至第二三极管的发射极均连接至地；所述第二至第四电机驱动电路均与第一电机驱动电路相同。

在本发明实施例中，所述的电机模块为直流电机。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.调整光伏整列的角度使其始终垂直于太阳光照，以此提高光伏阵列吸收光能的效率；

2.采用光电检测追踪和太阳角追踪相结合的追踪方式，以此提高追踪的效率。

附图说明

图1为本发明方法控制流程示意图。

图2为本发明光电检测追踪流程图。

图3为分布5个光敏二极管的圆盘。

图4为顶部有透光孔的中空圆柱罩。

图5为本发明太阳角追踪流程图。

图6为本发明的结构示意图。

图7是阴晴天检测电路。

图8是光电太阳能方位检测电路。

图9是单片机控制模块电路。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种高效太阳能自动追踪方法，包括如下步骤，

步骤S01：判断外界天气情况，若为晴天，则进入步骤S02，若为阴天或光照不足，则转入步骤S03；

步骤S02：采用光电检测追踪模式，实现太阳能自动追踪；

步骤S03：采用太阳角追踪模式，即根据实时时间，计算出太阳高度角和方位角，并根据计算到的太阳高度角和方位角实现太阳能自动追踪。

本发明还提供了一种高效太阳能自动追踪装置，包括连接至单片机控制模块的用于判断天气情况的光电检测追踪模块；所述单片机控制模块还连接有太阳角追踪模块；若为晴天，则启用所述光电检测追踪模块，采用光电检测追踪模式，实现太阳能自动追踪；若为阴天或光照不足，则启用所述太阳角追踪模块，采用太阳角追踪模式，实现太阳能自动追踪；所述单片机控制模块还经一电机模块连接至太阳能光伏阵列，该太阳能光伏阵列还连接至光电检测追踪模块；所述光电检测追踪模块包括阴晴天检测电路和光电太阳能方位检测电路。

所述阴晴天检测电路包括第一光敏二极管、第一运放及第一至第四电阻；所述第一光敏二极管负端接至电源正极，所述第一光敏二极管正端接至所述第一运放的同相输入端，所述第一光敏二极管的正端还经第一电阻连接至地；所述第一运放的反相输入端经第二电阻、第三电阻连接至地，所述第一运放的反相输入端还经第四电阻连接至电源正极；所述第一运放的输出端连接至单片机，该第一运放的VCC端与电源正极连接，该第一运放的VEE端与地连接。

所述光电太阳能方位检测电路包括5个光敏二极管，以该些光敏二极管其中的第二光敏二极管为中心，呈十字型分布在一圆盘上表面，每个光敏二极管与其相邻的光敏二极管均保持一定的间隙；所述圆盘放置于一顶部具有透光孔的中空圆柱罩内。

所述光电太阳能方位检测电路还包括第二至第五运放（在本发明中采用集成4个运放的LM423）及第五至第九电阻；所述第二至第六光敏二极管的负端均连接至电源正极，所述第二至第六光敏二极管的正端还别经第五至第九电阻连接至地；所述第二光敏二极管的正端连接至第二运放的同相输入端；所述第三光敏二极管的正端连接至第二运放的反相输入端；所述第四光敏二极管的正端连接至第三运放的反相输入端；所述第五光敏二极管的正端连接至第四运放的反相输入端；所述第六光敏二极管的正端连接至第五运放的反相输入端；所述第二运放的同相输入端与第三运放的同相输入端、第四运放的同相输入端和第五运放的同相输入端连接。

所述单片机控制模块包括单片机及四组电机驱动电路；所述第一电机驱动电路包括一二极管、第一至第二三极管、一继电器及第十至第十二电阻；所述单片机的一引脚经第十电阻连接至电源正极，该引脚还经第十一电阻连接至第一三极管基极；所述第一三极管的集电极与第十二电阻的一端、第二三极管的基极连接，所述第十二电阻的另一端连接至电源正极，所述第二三极管的集电极经二极管连接至电源正极，所述第二三极管的集电极还经继电器连接至电源正极，所述第一至第二三极管的发射极均连接至地；所述第二至第四电机驱动电路均与第一电机驱动电路相同；所述的电机模块为直流电机。

为让本领域技术人员更了解本发明，以下为本发明的具体实施例。

如图1所示，一种高效太阳能自动追踪方法，其实现过程如下，

第一步：判断外界天气情况，若为晴天，则进入第二步，若为阴天或光照不足，则转入第三步；

第二步：采用光电检测追踪模式，实现太阳能自动追踪；

如图2所示，所述光电检测追踪模式具体如下，

①：提供一光电太阳能方位检测电路（如图3-图4所示），该光电太阳能方位检测电路与单片机控制模块和太阳能光伏阵列，所述光电太阳能方位检测电路包括5个光敏二极管，以该些光敏二极管其中的第二光敏二极管D0为中心，呈十字型排布在一圆盘上表面，所述圆盘放置于一顶部具有透光孔的中空圆柱罩内，每个光敏二极管与其相邻的光敏二极管均保持一定的间隙；

②：判断第二光敏二极管D0是否受到光照，若是，保持所述太阳能光伏阵列朝向，并延时预定时间（15分钟）重新执行步骤②；若否，直接进入步骤③；

③：分别判断位于第二光敏二极管四个方向上的第三至第六二极管D1-D4是否受到光照，若是，调整所述太阳能光伏阵列朝向，并延时预定时间（15分钟）重新执行步骤②；若否，直接重新执行步骤②；

如图2、图8及图9所示，上述步骤③具体过程为：

a、判断D1是否受到光照（由步骤②及图8可知，D0不受到光照，故而运放U2-U5的同相输入端均为低电平），若是（此时因D1受到光照，U2的反相输入端为高电平），通过与单片机连接的电机驱动电路（如图9所示为与单片机连接的电机驱动电路，且四组电机驱动电路均与图中所示电机驱动电路相同，下面不再进行描述），控制电机模块（该电机模块包括电机A和电机B）中的电机A正转，并重新执行步骤②；若否（此时因D1未受到光照，U2的反相输入端为低电平），进入步骤b；

b、判断D3是否受到光照，若是，通过与单片机连接的电机驱动电路，控制电机模块中的电机A反转，并重新执行步骤②；若否，进入步骤c；

c、判断D2是否受到光照，若是，通过与单片机连接的电机驱动电路，控制电机模块中的电机B正转，并重新执行步骤②；若否，进入步骤d；

d、判断D4是否受到光照，若是，通过与单片机连接的电机驱动电路，控制电机模块中的电机B反转，并重新执行步骤②；若否，直接进入步骤②；

第三步：采用太阳角追踪模式，即根据实时时间，计算出太阳高度角和方位角，并根据计算到的太阳高度角和方位角实现太阳能自动追踪。

如图5所示，所述太阳角追踪模式具体如下，

（1）：读取实时时间及当期位置经纬度，并根据该实时时间及经纬度计算太阳高度角和方位角；

（2）：根据太阳高度角和方位角以及太阳能光伏阵列的长度，计算出太阳能光伏阵列在该时刻太阳高度角水平方向的偏移高度和太阳方位角水平方向的偏移高度；

（3）：延时预定时间（15分钟）后，计算预定时间（15分钟）后时刻的太阳高度角水平方向的偏移高度和太阳方位角水平方向的偏移高度；

（4）：根据预定时间（15分钟）前后两个时刻的偏移高度差，计算出太阳能光伏阵列需调整角度，以保证太阳能光伏阵列与太阳光照的角度垂直。

上述太阳高度角和方位角的计算方法如下：

设一年365天对应区间为[0,π]，取日角：，取为年的日期序列，1月1日为1，12月31日为365，则赤尾弧度为：

太阳实角为：，式中单位为度，15表示每小时相当于15°时角。

真太阳时=地方时+时差=北京时+经度订正+时差=北京时+（当地经度-12060+时差）；

时差（弧度）=

时差（小时）=时差（弧度）12

设太阳高度角和方位角分别为和，地理纬度为，则

由此可知，只要时间和经纬度一定，就能通过以上公式计算出相应的太阳高度角和方位角。利用C51语言的函数功能，经度和纬度以定义常量的方式出现在程序中，由时钟芯片读取即时时间，计算出该时刻所对应的太阳角度值。再结合预设模型，通过太阳能光伏阵列的长度，计算出太阳能光伏阵列在该时刻太阳高度角及方位角分别偏移水平方向的高度，延时15分钟后，利用同样的方法计算出对应两个方向上的偏移高度，通过这两个时刻变化的高度差就可以计算出需要电机转动的时间，以此保证光伏整列始终与太阳光照的角度垂直。

如图6所示，为实现上述方法，本发明还提供了一种高效太阳能自动追踪装置，该装置主要由太阳能光伏阵列1、光电检测追踪模块2、太阳角追踪模块3、单片机控制模块4、电机模块5组成；太阳能光伏阵列1直接与光电检测追踪模块2和电机模块5相连，利用光电检测追踪模块2中内置的阴晴天检测电路来判断是天气情况，光照充足的晴天启用光电检测追踪模块2，光照不足的阴天则启动太阳角追踪模块3；光电检测追踪模块2、太阳角追踪模块3与单片机控制模块4相连，两个追踪模块根据各自的追踪方式将电信号传送给单片机控制模块4，在单片机控制模块4内部，单片机根据检测到的电信号来命令控制电路工作，进而控制电机模块5工作调整太阳能光伏阵列1的角度，以达到追踪的目的。

光电检测追踪模块2包括阴晴天检测电路和光电太阳能方位检测电路，阴晴天检测电路如图7所示，电路中用一个2CU101D光敏二极管D来检测太阳光的强弱，后接一组运放U1来做比较电路，运放U1的输出端街道单片机的引脚P0.4上；当太阳光照不足时，电路中的光敏二极管D无法导通，运放U1输出低电平，单片机的引脚P0.4检测到低电平后系统启动太阳角追踪模块3，反之，则启用光电太阳能方位检测电路；光电太阳能方位检测电路的模型如图3、图4所示，5个光敏二极管以D0为中心呈十字分布在一个圆盘上面，每个光敏二极管和相邻的光敏二极管都保持一定的间隙，为了更好的接收太阳光并且避免外界的干扰，将图3的圆盘放入一个顶部有透光孔的中空圆柱罩内；5个光敏二极管的负端连接电源，正端分别连接到LM423的4个同相输入端，D0的正端与LM423的4个同相输入端相连，D1~D4的正端分别与LM423的4个反相输入端相连，这样D0与D1~D4就组成了四组比较电路，再将LM423的4个输出端分别与单片机的P2.0~P2.3端口相连，这样就可以通过P2.0~P2.3的电位来判断太阳方位了，光电太阳能方位检测电路如图8所示。通过这四个端点的电位来判断太阳光照的方向，由单片机控制电动机朝太阳光照的方向转动，直到仅有位于圆盘中央的光敏二极管D0接受到光照为止。

太阳角追踪模块3由单片机从时钟芯片读取时间，通过内设函数计算出太阳角度，再由单片机控制电机按照计算出的轨迹运转，调整太阳能光伏阵列追踪太阳。

单片机控制模块5内由电机驱动电路控制电机转动，电机驱动电路如图9所示；实际的电机驱动电路由4组与上图完全相同的电路组成，四个分支分别由AT89C51单片机的四个引脚P1.4-P1.7接入，四组电路连接四个继电器分别控制两个电动机的正反转动，传动机构由蜗杆传动组成。

这种综合光电检测追踪和太阳角追踪的太阳能追踪装置及时在天气变化较复杂的情况下保证正常运行，以此保证追踪的精度，确保太阳能光伏阵列吸收到最好的太阳光照，提高太阳能光伏阵列的光伏转换效率。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高效太阳能自动追踪方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤S01：判断外界天气情况，若为晴天，则进入步骤S02，若为阴天或光照不足，则转入步骤S03；

步骤S02：采用光电检测追踪模式，实现太阳能自动追踪；

步骤S03：采用太阳角追踪模式，即根据实时时间，计算出太阳高度角和方位角，并根据计算到的太阳高度角和方位角实现太阳能自动追踪；

所述光电检测追踪模式具体如下，

步骤S21：提供一光电太阳能方位检测电路，该光电太阳能方位检测电路与单片机控制模块和太阳能光伏阵列连接，所述光电太阳能方位检测电路包括5个光敏二极管，以该些光敏二极管其中的第二光敏二极管为中心，呈十字型排布在一圆盘上表面，所述圆盘放置于一顶部具有透光孔的中空圆柱罩内，每个光敏二极管与其相邻的光敏二极管均保持一定的间隙；

步骤S22：判断第二光敏二极管是否受到光照，若是，保持所述太阳能光伏阵列朝向，并延时预定时间重新执行步骤S22；若否，直接进入步骤S23；

步骤S23：分别判断位于第二光敏二极管水平垂直的四个方向上的第三至第六二极管是否受到光照，若是，调整所述太阳能光伏阵列朝向，并延时预定时间重新执行步骤S22；若否，直接重新执行步骤S22；

所述太阳角追踪模式具体如下，

步骤S31：读取实时时间及当期位置经纬度，并根据该实时时间及经纬度计算太阳高度角和方位角；

步骤S32：根据太阳高度角和方位角以及太阳能光伏阵列的长度，计算出太阳能光伏阵列在当前时刻太阳高度角水平方向的偏移高度和太阳方位角水平方向的偏移高度；

步骤S33：延时预定时间后，计算预定时间后时刻的太阳高度角水平方向的偏移高度和太阳方位角水平方向的偏移高度；

步骤S34：根据预定时间前后两个时刻的偏移高度差，计算出太阳能光伏阵列需调整角度，以保证太阳能光伏阵列与太阳光照的角度垂直；

所述太阳高度角和方位角的计算方法如下：

设一年365天对应区间为[0,π]，取日角：，取为年的日期序列，1月1日为1，12月31日为365，则赤尾弧度为：

太阳实角为：，式中单位为度，15表示每小时相当于15°时角；

真太阳时=地方时+时差=北京时+经度订正+时差=北京时+（当地经度-12060+时差）；

时差（弧度）=

时差（小时）=时差（弧度）12

设太阳高度角和方位角分别为和，地理纬度为，则

由此可知，只要时间和经纬度一定，就能通过以上公式计算出相应的太阳高度角和方位角。

2.一种高效太阳能自动追踪装置，其特征在于：包括连接至单片机控制模块的用于判断天气情况的光电检测追踪模块；所述单片机控制模块还连接有太阳角追踪模块；若为晴天，则启用所述光电检测追踪模块，采用光电检测追踪模式，实现太阳能自动追踪；若为阴天或光照不足，则启用所述太阳角追踪模块，采用太阳角追踪模式，实现太阳能自动追踪；所述单片机控制模块还经一电机模块连接至太阳能光伏阵列，该太阳能光伏阵列还连接至光电检测追踪模块；所述光电检测追踪模块包括阴晴天检测电路和光电太阳能方位检测电路；所述阴晴天检测电路包括第一光敏二极管、第一运放及第一至第四电阻；所述第一光敏二极管负端接至电源正极，所述第一光敏二极管正端接至所述第一运放的同相输入端，所述第一光敏二极管的正端还经第一电阻连接至地；所述第一运放的反相输入端经第二电阻、第三电阻连接至地，所述第一运放的反相输入端还经第四电阻连接至电源正极；所述第一运放的输出端连接至单片机，该第一运放的VCC端与电源正极连接，该第一运放的VEE端与地连接；所述光电太阳能方位检测电路包括5个光敏二极管，该些光敏二极管以第二光敏二极管为中心，呈十字型分布在一圆盘上表面，每个光敏二极管与其相邻的光敏二极管均保持一定的间隙；所述圆盘放置于一顶部具有透光孔的中空圆柱罩内；所述光电太阳能方位检测电路还包括第二至第五运放及第五至第九电阻；所述第二至第六光敏二极管的负端均连接至电源正极，所述第二至第六光敏二极管的正端还分别经第五至第九电阻连接至地；所述第二光敏二极管的正端连接至第二运放的同相输入端；所述第三光敏二极管的正端连接至第二运放的反相输入端；所述第四光敏二极管的正端连接至第三运放的反相输入端；所述第五光敏二极管的正端连接至第四运放的反相输入端；所述第六光敏二极管的正端连接至第五运放的反相输入端；所述第二运放的同相输入端与第三运放的同相输入端、第四运放的同相输入端和第五运放的同相输入端连接；所述单片机控制模块包括单片机及四组电机驱动电路；所述第一电机驱动电路包括一二极管、第一至第二三极管、一继电器及第十至第十二电阻；所述单片机的一引脚经第十电阻连接至电源正极，该引脚还经第十一电阻连接至第一三极管基极；所述第一三极管的集电极与第十二电阻的一端、第二三极管的基极连接，所述第十二电阻的另一端连接至电源正极，所述第二三极管的集电极经二极管连接至电源正极，所述第二三极管的集电极还经继电器连接至电源正极，所述第一至第二三极管的发射极均连接至地；所述第二至第四电机驱动电路均与第一电机驱动电路相同；所述的电机模块为直流电机。