CN113885585A - 一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置及方法，属于太阳能发电技术领域。本发明公开的自动跟踪太阳装置包括：底座(1)、控制模块(2)、底柱(3)、第一减速电机(4)、第一端盖(5)、变向节(6)、第二减速电机(7)、第二端盖(8)、太阳能光伏板(9)、球光伏电池(10)。固定在底柱(3)上的第一减速电机(4)通过变向节(6)连接到装在光伏板上的第二电机(7)。本发明通过机械臂式机构，使光伏板具有M向旋转和N向偏摆，实现了与地球同运动状态跟踪，相比于转底盘式俯仰跟踪机构，其运动轨迹小，低耗电。采用太阳光伏板(9)感光控制，即便在长时间和短时间出现云彩导致的光伏板受光不均匀的情况下，也能分别避免跟踪失误和不停的耗电寻找光源，有助于提高光伏发电效率。

Description

一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置及方法，属于太阳能发电技术领域。

背景技术

减少碳排放以实现碳达峰和碳中和，对应对化石能源的日趋枯竭、生态环境的污染以及全球变暖有着重要的意义，可以有效的促进人类社会和经济的可持续发展，而大力发展非化石和可再生能源发电是实现碳中和的关键所在。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源，已经在世界范围内得到了广泛的关注。太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，发展前景非常广阔，已成为未来全球解决能源危机的重要途径之一，从而吸收了众多国内外学者投身提高光伏发电的效率研究当中。

提高太阳能利用率主要从两方面考虑：其一是提高太阳能光伏发电的转化效能；其二是太阳能采集的最大化。后者研究太阳能采集过程的最大化，由于太阳光照强度存在随时间不断变化的问题，为了提高太阳光的利用效率，常利用太阳光跟踪装置收集太阳光。

目前，常用的两种跟踪方式是视日跟踪和光电跟踪。视日跟踪是根据光伏电站所在的位置，通过天文学计算方法得到该位置不同时间太阳光的方位角和高度角，进而参与整个系统的控制，如授权号为ZL200510043491.9的“按时间控制全自动跟踪太阳的方法及装置”发明专利，根据地球围绕太阳运转的基本规律，计算出当地当日的太阳时与赤纬角，并由此计算出自日出到日落每间隔一定时间段太阳的仰角与方位及其所需跟踪运行时间，同时，还计算出当日和次日跟踪运行的关系，从而使当日日落后，自动返回至次日日出的方位，虽然视日跟踪看似简单，但是，由于机械传动机构在实际使用过程中误差的堆积，会导致跟踪角度与理论出现偏差，从而影响实际跟踪效果；光电跟踪是利用传感器采集的信息实时计算太阳光的位置，常用的是阵列光敏二极管方式，譬如专利号为CN106843286B的发明专利，单片机通过接收光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的单位空间向量的值以获知太阳光垂直入射方向，并向太阳方位角调整机构和太阳高度角调整机构发送执行信号，但有一个缺点就是受天气的影响较大，如果在稍长一段时间内出现乌云遮住太阳的情况，由于没有光照，光敏管上没有电信号产生，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误操作，光感应系统结构复杂易损坏，并且在有云彩时，因不停寻找光源造成用电量大，而云彩移开时，需时间调准跟踪，不仅影响设备的发电量，而且增加了工作过程中的耗电量。

而在实现自动跟踪的过程中，降低跟踪系统的耗电量也能提高太阳能利用率。在双轴跟踪系统中，转底盘式俯仰跟踪机构(发明专利CN112542989A)采用俯仰跟踪和方位角跟踪，在固定在地球表面之后，在一天白昼的跟踪过程中，并没有让光伏板与地球同运动模式运动，自身旋转轴的与地心轴机会相互垂直，这增加自动跟踪的运动轨迹，从而增加耗电量。

综上所述，目前还未有很好方式权衡的两种跟踪方式的利弊问题以及自动跟踪的运动模式还需要进一步的改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置及方法，旨在权衡自动跟踪太阳光的光伏发电系统的两种跟踪方式的利弊问题以及进一步的改进自动跟踪的运动模式。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

所述的一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置，包括底座、控制模块、底柱、第一减速电机、第一端盖、变向节、第二减速电机、第二端盖、太阳能光伏板、球光伏电池；所述底座上有四个螺钉孔，所示变向节由两个相互垂直的圆柱体连接而成，所述减速电机由减速机和电机组成，固定在所述底柱上的第一减速电机通过变向节连接到装在太阳能光伏板上的第二减速电机，使得太阳能光伏板具有M向和N向两个自由度的运动模式；所述底柱包括空心柜体和柜门，所述控制模块存放在空心柜体内部，并用柜门密封；所述减速电机安装在与变向节相连接的圆柱壳体内部，并用端盖密封；

所述变向节为空心壳体结构，与其连接的第一减速电机和第二减速电机的连接轴为空心连接轴，两者内部装穿有连接太阳能光伏板、球光伏电池以及两个电机的电线；

所述的一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置的控制系统，其特征在于，所述嵌入式系统内部包括寻优算法，电机控制算法以及前馈算法，所述球光伏电池和太阳能光伏板作为输入通过导线与控制模块中的嵌入式系统相连，所述嵌入式系统输出的信号通过导线与第一和第二减速电机相连。

所述的一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置的方法是：由光伏电池产生的电流I∝ES，其中E为光照强度，S为感光面积，设太阳能光伏板的面积为A，球光伏电池感光面积为固定值单位一，光照强度由太阳能光伏板当前时刻的产生的经I/V转换和滤波电路转化成的标准电压V₂(t_i)作为反馈量，第一减速电机前一时刻的转动度数为a，第二减速电机前一时刻的转动度数为β，后一时刻的V₂(t_i+1)作为输入指令，球光伏电池后一时刻的标准电压V₁(t_i+1)作为前馈量，前后两测量时刻的时间差Δt＝t_i+1-t_i；

寻优逻辑是太阳能光伏板在两个自由度上独立寻优，所述一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置及方法的M向为东西走向，模拟地球的自传，即变向节为东西方向的定点旋转，跟踪太阳光方向时，调整所述变向节在黄道平面的投影跟太阳光平行，再通过第二减速电机调整太阳能光伏板与黄道平面垂直，从而使太阳能光伏板正对太阳光，如果采用变向节为南北方向偏摆，在夏季和冬季时由于存在地轴与黄道平面存在的倾斜角，会使太阳能光伏板的法向量与太阳光存在不大于23°26′的夹角，太阳能光伏板发电效率未达到最大。当采用第一减速电机先寻优的模式，寻优逻辑是：

步骤1：设定阈值e，f，其中f为小于1的实验调整系数，可增加控制的鲁棒性，太阳能光伏板的面积为A，并将太阳能光伏板正对日出的光线的初始位置，此时电机反向旋转角度设置为θ₁＝0，θ₂＝0；

步骤2：嵌入式系统获取当前时刻由太阳能光伏板产生的经I/V转换和滤波电路转化成的标准电压V₂(t_i)，V₁(t_i)，以及前一时刻的α和β；

步骤3：如果单位面积太阳能光伏板产生的信号V₂(t_i)/A＜f*V₁(t_i)，则说明太阳能光伏板并没有正对太阳光，如果V₂(t_i)＞E，则说明太阳光照强度已经高于太阳能光伏板所能利用的程度，任意一个为真时，第一减速电机旋转前一时刻的转动度数α，并执行步骤4；

步骤4：存储后一时刻V₂(t_i+1)，和两个时刻的时间差Δt，并赋值θ₁＝θ₁+α，通过连续测量运动前后的两个时刻的标准电压，防止了在短时间出现云彩导致的光伏板电压的突变现象，从而避免了电机不停寻找光源造成的大耗电量；

步骤5：如果两个都不满足，并且V₂(t_i)＜E，则说明太阳光照强度已经低于太阳能光伏板(9)所能利用的程度，需要进行跟踪器的收尾工作，第一减速电机反向旋转一天当中满足V₂(t_i)＞E的旋转度数θ₁，第二减速电机反向旋转一天当中满足V₂(t_i)＞E的旋转度数B，最终回到一天的初始位置附近，所述初始位置会随着太阳南北回归运动的变化而变化，从而减少电机耗电，最后延迟时间t_h后返回步骤2；

步骤6：如果(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt≥e为真时，则嵌入式系统给第一减速电机(4)的转动度数为正向a*(V₂(t_i+1)-V₂(t_i)-Δt*e)/(Δt*e)，并将V₂(t_i)替换为当前时刻的值，如果(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt≤-e为真时，则嵌入式系统给第二减速电机(7)的转动度数为反向a*(V₂(t_i)-V₂(t_i+1)-Δt*e)/(Δt*e)，并将V₂(t_i)替换为当前时刻的值，无论正反转最后都将旋转的度数赋值给a，并返回步骤4；

步骤7：如果-e＜(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt＜e为真时，第一减速电机寻优结束执行下一步骤；

步骤8：开始第二减速电机寻优，前面步骤和第一减速电机类似，获取电压V₂(t_i)、再控制太阳能光伏板旋转β度，获取V₂(t_i+1)和Δt，根据获得的数据进行逻辑判断后进行第二减速电机的具体旋转度数控制，反复控制电机直到(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt＜e为真时寻优结束，随后延迟时间t_h后返回步骤2；

所述的寻优逻辑也可以采用第二减速电机先寻优第一减速电机后寻优的方法。

与现有技术相比，本发明的优势是：采用光伏板产生的经I/V转化电路转化成的电压信号作为反馈信号，球光伏作为前馈信号的闭环光电跟踪模式，不仅解决了视日跟踪由于机械传动机构在实际使用过程中误差的堆积导致的跟踪角度与理论出现偏差问题，同时传感器非阵列的光敏二极管，局部感光不会影响所获取太阳光方位的误判，所以即便在长时间或短时间出现云彩导致的光伏板受光不均匀的情况下，也能避免控制失误导致的不正对太阳光和不停寻找光源造成的大耗电量，有助于提高太阳能光伏板的发电效率。此外，机械臂式的自动跟踪系统，当固定在地球表面之后，其两个自由度能完全模拟以黄道平面为坐标系下的地球运动状态，即变向节可以模拟地球360°旋转，靠近光伏板的关节模拟地球±23°26′南北偏摆运动，只要与地球反运动就能达到以最小的运动轨迹正对太阳光，从而降低耗电量。

附图说明

图1为本发明的实物图。

图2为本发明的控制结构框图。

图3为本发明的控制逻辑流程图。

图中：1-底座、2-控制模块、3-底柱、31-空心柜体、32-柜门、4-第一减速电机、5-第一端盖、6-变向节、7-第二减速电机、8-第二端盖、9-太阳能光伏板、10-球光伏电池。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中，所述的一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置，包括底座1、控制模块2、底柱3、第一减速电机4、第一端盖5、变向节6、第二减速电机7、第二端盖8、太阳能光伏板9、球光伏电池10；所述底座1上有四个螺钉孔，所示变向节6由两个相互垂直的圆柱体连接而成，所述减速电机由减速机和电机组成，固定在所述底柱3上的第一减速电机4通过变向节6连接到装在太阳能光伏板上的第二减速电机7，使得太阳能光伏板(9)具有M向和N向两个自由度的运动模式；所述底柱(3)包括空心柜体(31)和柜门32，所述控制模块2存放在空心柜体31内部，并用柜门32密封；所述减速电机安装在与变向节相连接的圆柱壳体内部，并用端盖密封；

所述变向节6为空心壳体结构，与其连接的第一减速电机4和第二减速电机7的连接轴为空心连接轴，两者内部装穿有连接太阳能光伏板9、球光伏电池10以及两个电机的电线；

请参阅图2，本发明实施例中，所述的一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置的控制系统，其特征在于，所述嵌入式系统内部包括寻优算法，电机控制算法以及前馈算法，所述球光伏电池10和太阳能光伏板9作为输入通过导线与控制模块2中的嵌入式系统相连，所述嵌入式系统输出的信号通过导线与第一和第二减速电机相连。

请参阅图2和图3，本发明实施例中，所述的一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳的方法是：由光伏电池产生的电流I∝ES，其中E为光照强度，S为感光面积，设太阳能光伏板(9)的面积为A，球光伏电池10感光面积为固定值单位一，光照强度由太阳能光伏板9当前时刻的产生的经I/V转换和滤波电路转化成的标准电压V₂(t_i)作为反馈量，第一减速电机4前一时刻的转动度数为a，第二减速电机7前一时刻的转动度数为β，后一时刻的V₂(t_i+1)作为输入指令，球光伏电池10后一时刻的标准电压V₁(t_i+1)作为前馈量，前后两测量时刻的时间差Δt＝t_i+1-t_i；

寻优逻辑是太阳能光伏板9在两个自由度上独立寻优，所述一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置及方法的M向为东西走向，模拟地球的自传，即变向节6为东西方向的定点旋转，跟踪太阳光方向时，调整所述变向节6在黄道平面的投影跟太阳光平行，再通过第二减速电机7调整太阳能光伏板9与黄道平面垂直，从而使太阳能光伏板9正对太阳光，如果采用变向节6为南北方向偏摆，在夏季和冬季时由于存在地轴与黄道平面存在的倾斜角，会使太阳能光伏板(9)的法向量与太阳光存在不大于23°26′的夹角，太阳能光伏板9发电效率未达到最大，当采用第一减速电机先寻优的模式，寻优逻辑是：

步骤1：设定阈值e，f，其中f为小于1的实验调整系数，可增加控制的鲁棒性，太阳能光伏板(9)的面积为A，并将太阳能光伏板9正对日出的光线的初始位置，此时电机反向旋转角度设置为θ₁＝0，θ₂＝0；

步骤2：嵌入式系统获取当前时刻由太阳能光伏板9产生的经I/V转换和滤波电路转化成的标准电压V₂(t_i)，V₁(t_i)，以及前一时刻的α和β；

步骤3：如果单位面积太阳能光伏板9产生的信号V₂(t_i)/A＜f*V₁(t_i)，则说明太阳能光伏板9并没有正对太阳光，如果V₂(t_i)＞E，则说明太阳光照强度已经高于太阳能光伏板9所能利用的程度，任意一个为真时，第一减速电机4旋转前一时刻的转动度数α，并执行步骤4；

步骤4：存储后一时刻V₂(t_i+1)，和两个时刻的时间差Δt，并赋值θ₁＝θ₁+α，通过连续测量运动前后的两个时刻的标准电压，防止了在短时间出现云彩导致的光伏板电压的突变现象，从而避免了电机不停寻找光源造成的大耗电量；

步骤5：如果两个都不满足，并且V₂(t_i)＜E，则说明太阳光照强度已经低于太阳能光伏板(9)所能利用的程度，需要进行跟踪器的收尾工作，第一减速电机4反向旋转一天当中满足V₂(t_i)＞E的旋转度数θ₁，第二减速电机7反向旋转一天当中满足V₂(t_i)＞E的旋转度数B，最终回到一天的初始位置附近，所述初始位置会随着太阳南北回归运动的变化而变化，从而减少电机耗电，最后延迟时间t_h后返回步骤2；

步骤6：如果(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt≥e为真时，则嵌入式系统给第一减速电机4的转动度数为正向a*(V₂(t_i+1)-V₂(t_i)-Δt*e)/(Δt*e)，并将V₂(t_i)替换为当前时刻的值，如果(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt≤-e为真时，则嵌入式系统给第二减速电机7的转动度数为反向a*(V₂(t_i)-V₂(t_i+1)-Δt*e)/(Δt*e)，并将V₂(t_i)替换为当前时刻的值，无论正反转最后都将旋转的度数赋值给a，并返回步骤4；

步骤7：如果-e＜(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt＜e为真时，第一减速电机寻优结束执行下一步骤；

步骤8：开始第二减速电机寻优，前面步骤和第一减速电机类似，获取电压V₂(t_i)、再控制太阳能光伏板9旋转β度，获取V₂(t_i+1)和Δt，根据获得的数据进行逻辑判断后进行第二减速电机的具体旋转度数控制，反复控制电机直到(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt＜e为真时寻优结束，随后延迟时间t_h后返回步骤2；

所述的寻优逻辑也可以是第二减速电机先寻优第一减速电机后寻优的模式。

本发明的工作原理是：由光伏电池产生的电流I∝ES，再经I/V转换电路，可以实现以光伏电池为传感器的工作模式，而借助单位球光伏感光面积S固定，即I∝E，可采集到当前时刻的最强光照下对应的最高电压，并不断调整减速电机和测量光伏板的电压，寻优以达到单位光伏电压与球光伏电压接近相等的状态，即光伏板正对太阳状态。由于上述模式容易受到云彩的影响，所以，寻优机理上还叠加了实时状态下的自我寻优模式，即先旋转上一次转过的角度，然后采集前后两个时刻的光伏电压信号和时间差，进而计算出需要转动的角度，从而寻找到最高的电压，即正对太阳光位置。

功能：在实现高精度跟踪的同时，不易受天气干扰，且自动跟踪耗电低，可实现高效的太阳光光伏发电，可应用于地球或者其他与地球运动模式类似的星球上。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.所述的一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置，包括底座(1)、控制模块(2)、底柱(3)、第一减速电机(4)、第一端盖(5)、变向节(6)、第二减速电机(7)、第二端盖(8)、太阳能光伏板(9)、球光伏电池(10)；所述底座(1)上有四个螺钉孔，所示变向节(6)由两个相互垂直的圆柱体连接而成，所述减速电机由减速机和电机组成，固定在所述底柱(3)上的第一减速电机(4)通过变向节(6)连接到装在太阳能光伏板上的第二减速电机(7)，使得太阳能光伏板(9)具有M向和N向两个自由度的运动模式；所述底柱(3)包括空心柜体(31)和柜门(32)，所述控制模块(2)存放在空心柜体(31)内部，并用柜门(32)密封；所述减速电机安装在与变向节相连接的圆柱壳体内部，并用端盖密封；

所述变向节(6)为空心壳体结构，与其连接的第一减速电机(4)和第二减速电机(7)的连接轴为空心连接轴，两者内部装穿有连接太阳能光伏板(9)、球光伏电池(10)以及两个电机的电线。

2.所述的一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置的控制系统，其特征在于，所述嵌入式系统内部包括寻优算法，电机控制算法以及前馈算法，所述球光伏电池(10)和太阳能光伏板(9)作为输入通过导线与控制模块(2)中的嵌入式系统相连，所述嵌入式系统输出的信号通过导线与第一和第二减速电机相连。

3.如权利要求2所述的一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置的方法是：由光伏电池产生的电流I∝ES，其中E为光照强度，S为感光面积，设太阳能光伏板(9)的面积为A，球光伏电池(10)感光面积为固定值单位一，光照强度由太阳能光伏板(9)当前时刻产生的经I/V转换电路转化成的标准电压V₂(t_i)作为反馈量，第一减速电机(4)前一时刻的转动度数为a，第二减速电机(7)前一时刻的转动度数为β，光照强度由太阳能光伏板(9)后一时刻的V₂(t_i+1)作为输入指令，球光伏电池(10)后一时刻的标准电压V₁(t_i+1)作为前馈量，前后两测量时刻的时间差Δt＝t_i+1-t_i；

寻优逻辑是太阳能光伏板(9)在两个自由度上独立寻优，所述一种基于球光伏的机械臂式自动跟踪太阳装置的M向为东西走向，模拟地球的自传，即变向节(6)为东西方向的定点旋转，跟踪太阳光方向时，调整所述变向节(6)在黄道平面的投影跟太阳光平行，再通过第二减速电机(7)调整太阳能光伏板(9)与黄道平面垂直，从而使太阳能光伏板(9)正对太阳光，当采用第一减速电机先寻优的模式，寻优逻辑是：

步骤1：设定阈值e，f，其中f为小于1的实验调整系数，太阳能光伏板(9)的面积为A，并将太阳能光伏板(9)正对日出的光线的初始位置，此时电机反向旋转角度设置为θ₁＝0，θ₂＝0；

步骤2：嵌入式系统获取当前时刻由太阳能光伏板(9)产生的经I/V转换和滤波电路转化成的标准电压V₂(t_i)，V₁(t_i)，以及前一时刻的α和β；

步骤3：如果单位面积太阳能光伏板(9)产生的信号V₂(t_i)/A＜f*V₁(t_i)，或者V₂(t_i)＞E，第一减速电机(4)旋转前一时刻的转动度数α，并执行步骤4；

步骤4：存储后一时刻V₂(t_i+1)，和两个时刻的时间差Δt，并赋值θ₁＝θ₁+α；

步骤5：如果两个都不满足，并且V₂(t_i)＜E，第一减速电机(4)反向旋转一天当中满足V₂(t_i)＞E的旋转度数θ₁，第二减速电机(7)反向旋转一天当中满足V₂(t_i)＞E的旋转度数θ₂，最终回到一天的初始位置附近，所述初始位置会随着太阳南北回归运动的变化而变化，最后延迟时间t_h后返回步骤2；

步骤6：如果(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt≥e为真时，则嵌入式系统给第一减速电机(4)的转动度数为正向a*(V₂(t_i+1)-V₂(t_i)-Δt*e)/(Δt*e)，并将V₂(t_i)替换为当前时刻的值，如果(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt≤-e为真时，则嵌入式系统给第二减速电机(7)的转动度数为反向a*(V₂(t_i)-V₂(t_i+1)-Δt*e)/(Δt*e)，并将V₂(t_i)替换为当前时刻的值，无论正反转最后都将旋转的度数赋值给a，并返回步骤4；

步骤7：如果-e＜(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt＜e为真时，第一减速电机寻优结束执行下一步骤；

步骤8：开始第二减速电机寻优，前面步骤和第一减速电机类似，获取电压V₂(t_i)、再控制太阳能光伏板(9)旋转β度，获取V₂(t_i+1)和Δt，根据获得的数据进行逻辑判断后进行第二减速电机的具体旋转度数控制，反复控制电机直到(V₂(t_i+1)-V₂(t_i))/Δt＜e为真时寻优结束，随后延迟时间t_h后返回步骤2；

所述的寻优逻辑也可以采用第二减速电机先寻优第一减速电机后寻优的方法。

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