專利名稱：雙軸跟蹤太陽位置裝置及其預(yù)測擾動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種雙軸跟蹤太陽位置裝置及其控制方法，具體的是ー種雙軸跟蹤太陽位置裝置及其預(yù)測結(jié)合擾動的控制方法。
背景技術(shù)：
目前，可再生能源的開發(fā)和利用日益得到各國政府的關(guān)注，在不久的將來通過光伏將太陽能轉(zhuǎn)換成電能具有很大的開發(fā)潛力。據(jù)2004年歐盟聯(lián)合研究中心預(yù)測，到本世紀(jì)末，光伏發(fā)電在整個世界能源供應(yīng)中的比率將超過30%?，F(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)大多采用固定安裝光伏組件方式，僅能保證在每年的某一天的某ー時刻，太陽光以最佳角度照射到光伏組件，所以太陽光的利用率相對較低。如果光伏組件采用雙軸跟蹤方式跟蹤太陽位置，可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率提高309^50%。如公開號為:CN102075117A所公開的ー種“雙軸跟蹤太陽光裝置及其控制方法”，包括電池板固定架、支撐架、俯仰角旋轉(zhuǎn)驅(qū)動構(gòu)件和左右角旋轉(zhuǎn)驅(qū)動構(gòu)件。電池板固定架通過由十字狀布置的俯仰角旋轉(zhuǎn)軸和左右角旋轉(zhuǎn)軸組成的三維旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與支撐架連接；俯仰角旋轉(zhuǎn)驅(qū)動構(gòu)。再如公開號為:CN102073325A所公開的“ー種太陽能板最大功率點雙軸自動裝置及其方法”，該裝置包括預(yù)啟動模塊、太陽檢測模塊、位置控制模塊、驅(qū)動模塊、最大功率點控制模塊、最大功率點跟蹤模塊和電源模塊，預(yù)啟動模塊和太陽檢測模塊均由光探頭電路組成；位置控制模塊和最大功率點控制模塊均由單片機電路和16位中斷電路組成；驅(qū)動模塊由直流電機驅(qū)動電路組成；最大功率點跟蹤ネ旲塊由太陽能電池板電路和具有MPPT功能的電路組成。該方法是在垂直和水平方向上跟蹤太陽位置，驅(qū)動太陽能電池板與光線垂直，再采用擾動觀察法來跟蹤太陽能電池板輸出功率最大點，將轉(zhuǎn)化出來的太陽能最大化利用。上述能夠獲得的現(xiàn)有技術(shù)，其ー是只關(guān)注跟蹤太陽位置裝置的結(jié)構(gòu)改進，均未考慮其裝置的跟蹤控制方法，使得跟蹤太陽位置裝置與太陽實際運行變化位置相差較大，太陽能的吸收及其利用效率較低。其ニ是均未考慮太陽的日升方位角、日落方位角、當(dāng)?shù)亟?jīng)度與時區(qū)經(jīng)度間的經(jīng)度差、太陽時角和真太陽時角間的誤差等因素對太陽位置判斷的影響，導(dǎo)致其裝置跟蹤太陽位置的偏差較大，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的效率較低。其三是由于現(xiàn)有雙軸跟蹤裝置的運行機構(gòu)和理論公式計算存在誤差，在實際運行中，導(dǎo)致預(yù)測太陽位置與實際太陽位置偏差較大，未能有效實時地跟蹤太陽位置變化而變化，最大程度地吸收太陽能，有效地利用太陽能。因此，設(shè)計開發(fā)ー種跟蹤太陽運行位置裝置及其預(yù)測擾動控制方法，實時地跟蹤太陽變化位置，最大程度地吸收太陽能，利用太陽能具有現(xiàn)實的經(jīng)濟實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種雙軸跟蹤太陽位置裝置及其預(yù)測擾動控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中跟蹤太陽位置不夠?qū)崟r準(zhǔn)確 的問題?；谏鲜鰡栴}與目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)。
ー種雙軸跟蹤太陽位置裝置，包括光伏組件支架、連接支架、上部步進電動機及齒輪組合件、中部支架、下部步進電動機及齒輪組合件、下部支架、數(shù)據(jù)采集控制模塊和底座；其特征是:
在雙軸跟蹤太陽位置裝置的下部支架上設(shè)置有直角支架，并在直角支架的端頭安設(shè)有一相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的預(yù)測擾動小系統(tǒng)；
所述雙軸跟蹤太陽位置裝置是其在底座上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集控制模塊、固定連接有下部支架，并在下部支架的端頭設(shè)置有下部步進電動機及齒輪組合件，通過中部支架連接有上部步進電動機及齒輪組合件，再由連接支架連接有光伏組件支架；
所述ー相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的預(yù)測擾動小系統(tǒng)是在直角支架的端頭安設(shè)有小系統(tǒng)下部步進電動機及齒輪組合件，通過小系統(tǒng)中部支架連接有小系統(tǒng)上部步進電動機及齒輪組合件，再由小系統(tǒng)連接支架連接有小系統(tǒng)光伏組件支架。其中，所述數(shù)據(jù)采集和控制模塊是采集預(yù)測擾動裝置的高度角、方位角、光伏輸出電壓和電流信息，并輸出控制和驅(qū)動信號，改變預(yù)測擾動裝置的高度角和方位角；所述步進電動機及齒輪組合件是根據(jù)來自數(shù)據(jù)采集和控制模塊(8)的驅(qū)動信號來控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，進而帶動齒輪的轉(zhuǎn)動，改變預(yù)測擾動裝置的高度角和方位角；所述的雙軸跟蹤太陽位置裝置與預(yù)測擾動小系統(tǒng)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸比為1(T100:1。本發(fā)明ー種用于上述的雙軸跟蹤太陽位置裝置的預(yù)測擾動控制方法，其所述方法是按下列步驟進行的:
(1)設(shè)定太陽位置雙軸跟蹤裝置的初始值:擾動
4，確定*和*2 ，確定每次運行間隔時間Af當(dāng)?shù)亟?jīng)度和維度，當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時間所在地的經(jīng)度；
(2)計算某一天在一年中的天數(shù)n,計算出當(dāng)天的太陽赤纟韋角ぶ；
(3)根據(jù)太陽赤緯角5和當(dāng)?shù)鼐S度#,得到當(dāng)天的日出方位角も和日落方位角^，進而得到當(dāng)天的日出時刻t和日落時刻ら；
(4)根據(jù)時鐘時間計算真太陽時間，判斷真太陽時間/2是否大于或等于日出時刻ら，是，執(zhí)行步驟(5);否，返回上述步驟(4)；
(5)判斷運行間隔時間泣是否結(jié)束，是，根據(jù)真太陽時間計算出太陽高度角《和太陽
方位角X，調(diào)整小系統(tǒng)的高度角^和小系統(tǒng)的方位角ろ，執(zhí)行步驟(6);否，等待行間隔時間泣結(jié)束,返回上述步驟(5)； (6)將擾動加入預(yù)測擾動小系統(tǒng)的高度角\和小系統(tǒng)方位角.S,.，判斷擾動是否増加了預(yù)測擾動小系統(tǒng)上安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，是，找到預(yù)測擾動小系統(tǒng)的最佳系統(tǒng)高度角在和系統(tǒng)方位角，執(zhí)行步驟(7);否，保存預(yù)測擾動小系統(tǒng)原來的系統(tǒng)高
度角も和系統(tǒng)方位角，執(zhí)行步驟(7)；
(7)將系統(tǒng)的系統(tǒng)高度角和系統(tǒng)方位角調(diào)整到與預(yù)測擾動小系統(tǒng)一致；(8)判斷真太陽時間4是否大于等于日落時刻，是，系統(tǒng)停止，否，返回上述步驟(5)。實現(xiàn)本發(fā)明上述所提供的ー種雙軸跟蹤太陽位置裝置及其預(yù)測擾動控制方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，所具有的優(yōu)點與積極效果在于:本發(fā)明在現(xiàn)有雙軸跟蹤太陽位置裝置上增設(shè)有ー相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的預(yù)測擾動小系統(tǒng)，采用預(yù)測結(jié)合擾動的控制方法，實現(xiàn)了精確跟蹤并控制太陽每時每刻的運行變化位置，每時每刻均處于最佳的吸收和利用太陽能的位置；同時提高了擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，降低了系統(tǒng)的跟蹤耗能。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制方法簡便，成本低廉，性價比高，具有現(xiàn)實的經(jīng)濟價值以及應(yīng)用推廣價值。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意示意圖。圖2是本發(fā)明的預(yù)測擾動控制方法流程圖。圖3是本發(fā)明預(yù)測擾動輸出對比圖。圖4是本發(fā)明圖3的局部放大圖。圖中:1:光伏組件 支架；2:連接支架；3:上部步進電動機及齒輪組合件；4:中部支架；5:下部步進電動機及齒輪組合件；6:下部支架:7:數(shù)據(jù)采集控制模塊:8:底座；9:小系統(tǒng)光伏組件支架；10:小系統(tǒng)連接支架；11:小系統(tǒng)上部步進電動機及齒輪組合件；12:小系統(tǒng)中部支架；13:小系統(tǒng)下部步進電動機及齒輪組合件；14:直角支架。kg ^k2:初始值；Afav.、:擾動最大次數(shù);A:擾動;t:時鐘時間；Jj:當(dāng)?shù)?br> 經(jīng)度；:當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時間所在地經(jīng)度&:太陽方位角，Afs:太陽高度角；n:天數(shù)；5:太
陽赤緯角；#:當(dāng)?shù)鼐S度； :太陽時角；:真太陽時角，も:日出方位角；も日落
方位角 '這僅:小系統(tǒng)的聞度角；這f:小系統(tǒng)方位角；:最佳系統(tǒng)聞度角；胃 pt:最佳系統(tǒng)方位角；n:—年中的第n天。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的具體實施方式
作出進ー步的說明。實施本發(fā)明所提供的ー種雙軸跟蹤太陽位置裝置及其預(yù)測擾動控制方法，如附圖1所述，ー種雙軸跟蹤太陽位置裝置，包括光伏組件支架1、連接支架2、上部步進電動機及齒輪組合件3、中部支架4、下部步進電動機及齒輪組合件5、下部支架6、數(shù)據(jù)采集控制模塊7和底座8，其構(gòu)成如下:
在雙軸跟蹤太陽位置裝置的下部支架6上增設(shè)有一直角支架14，并在直角支架14的端頭安設(shè)有一相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的預(yù)測結(jié)合擾動裝置，構(gòu)成本發(fā)明所提供的ー種雙軸跟蹤太陽位置整體裝置。其中:所述雙軸跟蹤太陽位置裝置是其在底座8上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集和控制模塊8，還固定連接有下部支架6，并在下部支架6的端頭設(shè)置有下部步進電動機及齒輪組合件5，通過中部支架4連接有上部步進電動機及齒輪組合件3，再由連接支架2連接有光伏組件支架1，構(gòu)成雙軸跟蹤太陽位置吸收太陽能的主體結(jié)構(gòu)裝置。上述雙軸跟蹤太陽位置吸收太陽能的主體結(jié)構(gòu)裝置可以利用現(xiàn)有的雙軸跟蹤太陽位置裝置，也可以自行設(shè)計為適于實用的ー種自動跟蹤太陽位置裝置，該裝置應(yīng)當(dāng)具備結(jié)構(gòu)簡單，可靠靈活，性能穩(wěn)定，適于實用的結(jié)構(gòu)裝置，現(xiàn)有中等技術(shù)人員采用現(xiàn)有技術(shù)，利用一般技術(shù)手段完全能夠自行實施，或者是利用現(xiàn)有零部件組合裝配成所需要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝置均可實現(xiàn)本發(fā)明的目的，獲得本發(fā)明所述的效果。所述ー相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的預(yù)測擾動小系統(tǒng)是在直角支架14的端頭上安設(shè)有小系統(tǒng)下部步進電動機及齒輪組合件13，通過小系統(tǒng)中部支架12連接有小系統(tǒng)上部步進電動機及齒輪組合件11，再由小系統(tǒng)連接支架10連接有小系統(tǒng)光伏組件支架9，構(gòu)成ー預(yù)測擾動結(jié)構(gòu)的小系統(tǒng)裝置。上述的預(yù)測擾動結(jié)構(gòu)小系統(tǒng)是與本發(fā)明上述的雙軸跟蹤太陽位置吸收太陽能的主體結(jié)構(gòu)裝置的尺寸結(jié)構(gòu)相應(yīng)，結(jié)構(gòu)尺寸大小的比例為i(Tioo:1，該比例的結(jié)構(gòu)尺寸均可實現(xiàn)本發(fā)明的目的，獲得本發(fā)明所述的效果。同時，該預(yù)測擾動小系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)具備結(jié)構(gòu)簡單靈活，比例適當(dāng)，預(yù)測擾動準(zhǔn)確可靠，適于實用的結(jié)構(gòu)裝置。由此可自行設(shè)計，或者利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)尺寸，也可采用配件自行安裝配套使用，以實現(xiàn)本發(fā)明的目的，獲得本發(fā)明所述的效果。所述在底座8上設(shè)置的數(shù)據(jù)采集控制模塊是用于采集預(yù)測擾動裝置的系統(tǒng)高度角、系統(tǒng)方位角、光伏輸出電壓以及電流等信息，并輸出控制和驅(qū)動信號，以改變預(yù)測結(jié)合擾動裝置和系統(tǒng)的系統(tǒng)高度角和系統(tǒng)方位角。所述步進電動機及齒輪組合件是根據(jù)來自于數(shù)據(jù)采集控制模塊8的驅(qū)動信號來控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，進而帶動齒輪的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)改變預(yù)測擾動裝置及其系統(tǒng)的系統(tǒng)高度角和系統(tǒng)方位角。實施本發(fā)明ー種用于上述雙軸跟蹤太陽位置裝置的預(yù)測擾動控制方法，其所述控制方法如下:
首先判斷某一天是一年中的第n天，n為正整數(shù)，根據(jù)下述式(I)
權(quán)利要求
1.種雙軸跟蹤太陽位置裝置，包括光伏組件支架(I)、連接支架(2)、上部步進電動機及齒輪組合件(3)、中部支架(4)、下部步進電動機及齒輪組合件(5)、下部支架(6)、數(shù)據(jù)采集控制模塊(7)和底座(8);其特征是: 在雙軸跟蹤太陽位置裝置的下部支架(6)上設(shè)置有直角支架(14)，并在直角支架(14)的端頭安設(shè)有一相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的預(yù)測擾動小系統(tǒng)； 所述雙軸跟蹤太陽位置裝置是其在底座(8)上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集控制模塊(8)、固定連接有下部支架(6)，并在下部支架(6)的端頭設(shè)置有下部步進電動機及齒輪組合件(5)，通過中部支架(4)連接有上部步進電動機及齒輪組合件(3)，再由連接支架(2)連接有光伏組件支架(I); 所述ー相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的預(yù)測擾動小系統(tǒng)是在直角支架(14)的端頭安設(shè)有小系統(tǒng)下部步進電動機及齒輪組合件(13)，通過小系統(tǒng)中部支架(12)連接有小系統(tǒng)上部步進電動機及齒輪組合件(11)，再由小系統(tǒng)連接支架(10)連接有小系統(tǒng)光伏組件支架(9)； 其中，所述數(shù)據(jù)采集和控制模塊是采集預(yù)測擾動裝置的高度角、方位角、光伏輸出電壓和電流信息，并輸出控制和驅(qū)動信號，改變預(yù)測擾動裝置的高度角和方位角；所述步進電動機和齒輪組合件是根據(jù)來自于數(shù)據(jù)采集和控制模塊(8)的驅(qū)動信號來控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，進而帶動齒輪轉(zhuǎn)動，改變預(yù)測擾動裝置的高度角和方位角。
2.權(quán)利要求1所述的ー種雙軸跟蹤太陽位置裝置，其特征在于:雙軸跟蹤太陽位置裝置與預(yù)測擾動小系統(tǒng)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸比為1(T100:1。
3.種用于如權(quán)利要求1所述的雙軸跟蹤太陽位置裝置的預(yù)測擾動控制方法，其所述方法是按下列步驟進行的: (1)設(shè)定太陽位置雙軸跟蹤裝置的初始值:擾動Δ,確定k1max和k2max，確定每次運行間隔時間Δt,當(dāng)?shù)亟?jīng)度和維度，當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時間所在地的經(jīng)度； (2)計算某一天在一年中的天數(shù)n,計算出當(dāng)天的太陽赤維角δ； (3)根據(jù)太陽赤緯角δ和當(dāng)?shù)鼐S度Φ，得到當(dāng)天的日出方位角ωsl和日落方位角ωss進而得到當(dāng)天的日出時刻tsl和日落時刻tss; (4)根據(jù)時鐘時間計算真太陽時間tZ判斷真太陽時間tz是否大于或等于日出時刻tsl，是，執(zhí)行步驟(5);否，返回上述步驟(4)； (5)判斷運行間隔時間Δt是否結(jié)束，是，根據(jù)真太陽時間計算出太陽高度角αx和太陽方位角γx，調(diào)整小系統(tǒng)的高度角Sx和小系統(tǒng)的方位角Sy，執(zhí)行步驟(6);否，等待行間隔時間Δt結(jié)束，返回上述步驟(5)； (6)將擾動加入預(yù)測擾動小系統(tǒng)的高度角Sx和小系統(tǒng)方位角sy，判斷擾動是否増加了預(yù)測擾動小系統(tǒng)上安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，是，找到預(yù)測擾動小系統(tǒng)的最佳系統(tǒng)高度角Syyt和系統(tǒng)方位角Syyt,執(zhí)行步驟(7);否，保存預(yù)測擾動小系統(tǒng)原來的系統(tǒng)高度角\和系統(tǒng)方位角S1T，執(zhí)行步驟(7)； (7)將系統(tǒng)的系統(tǒng)高度角和系統(tǒng)方位角調(diào)整到與預(yù)測擾動小系統(tǒng)一致； (8)判斷真太陽時間&是否大于等于日落 時刻，是，系統(tǒng)停止，否，返回上述步驟(5)。
全文摘要
一種雙軸跟蹤太陽位置裝置及其預(yù)測擾動控制方法，其所述裝置是在底座上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集控制模塊，并固定連接有下部支架，在下部支架的端頭安設(shè)有下部步進電動機及齒輪組合件，通過中部支架連接有上部步進電動機及齒輪組合件，再由連接支架連接有光伏組件支架；在下部支架上通過直角支架安設(shè)有一相應(yīng)結(jié)構(gòu)的預(yù)測擾動小系統(tǒng)；其所述控制方法是利用所設(shè)置的預(yù)測擾動小系統(tǒng)，進行精確跟蹤控制太陽的最佳運動變化位置。本發(fā)明在雙軸跟蹤太陽位置裝置上安設(shè)了一相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的預(yù)測擾動小系統(tǒng)，精確地跟蹤太陽的最佳運動變化位置，降低了擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，而且結(jié)構(gòu)簡單，控制方法簡便，成本低廉，具有現(xiàn)實的應(yīng)用推廣價值。
文檔編號G05D3/00GK103092215SQ20131001004
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者韓肖清, 劉立群, 王鵬, 秦文萍 申請人:太原理工大學(xué)