本發(fā)明涉及太陽能光伏組件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種應用于光伏組件的追光伺服系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太陽能是地球上最直接、最普遍、最清潔的能源，光伏組件是一種暴露在陽光下便會直接直流電的太陽能發(fā)電裝置，大部分光伏組件均是通過座架固定安裝在室外空曠的場地或建筑物上，安裝時根據(jù)當?shù)氐牡乩砦恢眯畔碓O(shè)計最佳接收角度。然而太陽能存在密度低、分散性大、不穩(wěn)定性大，并且空間分布不斷變化的缺點，使得太陽能的利用率變得較低。理論分析表明，太陽能的精確跟蹤能夠使得太陽能的接收率提高將近40%，因此，為了充分利用太陽能，人們將座架設(shè)置為可隨太陽轉(zhuǎn)動的座架，即座架上具有運動執(zhí)行部件，運動執(zhí)行部件在控制裝置的驅(qū)動下來實現(xiàn)對光伏組件的方向進行調(diào)整。

目前，應用于太陽追蹤的控制裝置大部分均為開環(huán)控制裝置，原理是通過計算機計算每天、每一時刻太陽的具體位置，進一步驅(qū)動太陽能光伏電池朝向預定位置偏轉(zhuǎn)，來提高光伏電池的太陽能接收效率。然而此種控制方式，由于計算的誤差，會使光伏組件的位置在運動過程中產(chǎn)生偏差，而長期使用后存在的累積誤差，更是會大大影響太陽能接收效率。另外，目前的控制裝置大多需要有專人看護，如工作人員外出，則無法實現(xiàn)對控制裝置以及光伏組件的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種基于物聯(lián)網(wǎng)的追光伺服系統(tǒng)，能夠在實現(xiàn)實時穩(wěn)定跟蹤并最大限度提高太陽光能利用率的基礎(chǔ)上，滿足人們對控制裝置以及光伏組件運行狀態(tài)的遠程實時監(jiān)控需求，以提高工作效率。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏組件追光伺服系統(tǒng)，包括控制裝置、驅(qū)動座架動作的驅(qū)動機構(gòu)、用于進行定位與對時的GPS模塊、用于檢測座架上光伏組件位置狀態(tài)的傳感器、用于檢測光伏組件光感狀態(tài)的光感反饋單元、用于檢測光伏組件受風狀態(tài)的風速反饋單元以及內(nèi)置追光伺服APP用于監(jiān)視光伏組件和上述各部件工作狀態(tài)的智能終端，所述控制裝置的輸入端分別與GPS模塊、傳感器、光感反饋單元和風速反饋單元的輸出端連接，控制裝置的輸出端連接驅(qū)動機構(gòu)的受控端；所述控制裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)與智能終端進行數(shù)據(jù)通訊。

上述基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏組件追光伺服系統(tǒng)，所述控制裝置包括用于自動控制驅(qū)動機構(gòu)動作的控制單元以及用于實現(xiàn)手動控制方式和自動控制方式切換的手自動切換機構(gòu)，所述控制單元包括內(nèi)置CPU、D/A模塊、A/D模塊、I/O模塊和通信模塊的單片機以及分別與單片機連接的電源、軸角編碼模塊、接口電路、電流檢測模塊以及電機控制模塊，所述軸角編碼模塊的輸入端連接傳感器的輸出端，接口電路的輸入端連接風速反饋單元的輸出端，電機控制模塊的輸出端連接驅(qū)動機構(gòu)的受控端。

上述基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏組件追光伺服系統(tǒng)，所述驅(qū)動機構(gòu)包括用于調(diào)整光伏組件方位角的方位調(diào)整單元、用于調(diào)整光伏組件俯仰角的俯仰角調(diào)整單元以及用于控制方位調(diào)整單元和俯仰調(diào)整單元動作的驅(qū)動單元；所述方位調(diào)整單元包括方位電機、方位減速機、方位同步機和方位限位機構(gòu)，俯仰調(diào)整單元包括俯仰電機、俯仰減速機、俯仰同步機以及俯仰限位機構(gòu)；所述驅(qū)動單元的輸入端分別與控制單元的電機控制模塊輸出端和手自動切換機構(gòu)的輸出端連接，驅(qū)動單元的輸出端分別與方位電機、方位減速機、方位同步機、方位限位機構(gòu)、俯仰電機、俯仰減速機、俯仰同步機以及俯仰限位機構(gòu)的受控端連接。

上述基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏組件追光伺服系統(tǒng)，所述光感反饋單元包括安裝在光伏組件朝陽面上的光傳感器和用于接收光傳感器發(fā)送的信號并將信號進行轉(zhuǎn)換后發(fā)送給控制單元的光接收機。

上述基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏組件追光伺服系統(tǒng)，所述風速反饋單元為安裝在光伏組件上的風速儀。

上述基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏組件追光伺服系統(tǒng)，所述傳感器包括方位角電位器和俯仰角電位器。

由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明所取得技術(shù)進步如下。

本發(fā)明采用嵌入式單片機控制裝置，配以先進的直流電機、高精度電位器、GPS授時系統(tǒng)、光傳感器、光接收機，在程序和極值兩種跟蹤模式下，實現(xiàn)光伏組件能夠?qū)崟r準確的朝向太陽，大大提高了太陽能的接收效率，可廣泛用于提高跟蹤太陽精度、完美實現(xiàn)適時穩(wěn)定跟蹤、最大限度提高太陽光能利用率的場合。本發(fā)明用于聯(lián)體或者遠程控制時，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將控制裝置與智能終端通過無線信號連接，通過設(shè)置在智能終端中的APP軟件實現(xiàn)控制裝置以及光伏組件運行狀態(tài)的遠程實時監(jiān)控，大大提高了工作效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明所述控制單元的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏組件追光伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括控制裝置、驅(qū)動機構(gòu)、GPS模塊、傳感器、光感反饋單元、風速反饋單元以及智能終端，控制裝置的輸入端分別與GPS模塊、傳感器、光感反饋單元和風速反饋單元的輸出端連接，控制裝置的輸出端連接驅(qū)動機構(gòu)的受控端；所述控制裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)與智能終端進行數(shù)據(jù)通訊。

本發(fā)明中，光伏組件安裝在座架上，座架可以實現(xiàn)對太陽從升起到落下180°范圍的跟蹤，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于伺服控制。座架包括安裝光伏組件的支架，和設(shè)置在支架下方的方位軸部分和俯仰軸部分。其中，方位軸部分主要由方位手輪、方位旋轉(zhuǎn)梁、旋轉(zhuǎn)軸和U型卡等部分組成；俯仰軸部分主要包括俯仰絲杠和俯仰手輪。

控制裝置用于實現(xiàn)遠程和本地控制驅(qū)動機構(gòu)動作，進一步實現(xiàn)控制座架和安裝在座架上的光伏組件追隨太陽轉(zhuǎn)動?？刂蒲b置包括控制單元和手自動切換機構(gòu)，控制單元用于自動控制驅(qū)動機構(gòu)動作，手自動切換機構(gòu)用于實現(xiàn)手動控制方式和自動控制方式的切換。

手自動切換機構(gòu)為設(shè)置在座架上的切換功能端子，當切換功能端子置為手動時，可通過手動調(diào)節(jié)俯仰手輪和方位手輪來控制驅(qū)動機構(gòu)動作；當切換功能端子置為手動時，可通過控制單元來控制驅(qū)動機構(gòu)動作。

控制單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括單片機以及分別與單片機連接的電源、軸角編碼模塊、接口電路、電流檢測模塊以及電機控制模塊，軸角編碼模塊的輸入端連接傳感器的輸出端，接口電路的輸入端連接風速反饋單元的輸出端，電機控制模塊的輸出端連接驅(qū)動機構(gòu)的受控端。

單片機為控制單元的核心部件，內(nèi)置CPU、D/A模塊、A/D模塊、I/O模塊和通信模塊，本實施例中單片機采用STM32F107單片機，單片機STM32F107為100腳芯片，接口豐富，不需擴展即可滿足控制使用要求，單片機包含鍵盤接口、RS485/232串行接口、網(wǎng)口、CAN口、在線調(diào)試編程接口、顯示接口等接口，通過單片機程序控制實現(xiàn)座架的上、下、順、逆轉(zhuǎn)控制；太陽能板的收藏、定位功能；通訊串口參數(shù)設(shè)置及無線通信、座架軟件限位參數(shù)及零點校正參數(shù)等功能。

接口電路用于完成輸入輸出與單片機的隔離以及輸出的中間控制功能，本發(fā)明中，用于隔離風速反饋單元輸入單片機的信號。

驅(qū)動機構(gòu)用于驅(qū)動座架動作，進一步帶動光伏組件調(diào)整姿態(tài)。驅(qū)動機構(gòu)包括方位調(diào)整單元、俯仰角調(diào)整單元以及驅(qū)動單元；方位調(diào)整單元用于調(diào)整光伏組件方的位角，包括方位電機、方位減速機、方位同步機和方位限位機構(gòu)；俯仰角調(diào)整單元用于調(diào)整光伏組件的俯仰角，包括俯仰電機、俯仰減速機、俯仰同步機以及俯仰限位機構(gòu)；驅(qū)動單元用于控制方位調(diào)整單元和俯仰調(diào)整單元動作，驅(qū)動單元的輸入端分別與控制單元的電機控制模塊輸出端和手自動切換機構(gòu)的輸出端連接，驅(qū)動單元的輸出端分別與方位電機、方位減速機、方位同步機、方位限位機構(gòu)、俯仰電機、俯仰減速機、俯仰同步機以及俯仰限位機構(gòu)的受控端連接。本發(fā)明中，俯仰電機和方位電機均采用直流電機，不僅具有響應塊，加速性能好，調(diào)速范圍寬和低速運行平衡的優(yōu)點，而且還具有無電機電磁干擾，電及壽命長等優(yōu)點。

GPS模塊用于系統(tǒng)進行對時，并獲得光伏組件的坐標信息，上傳至控制單元。GPS模塊在進行定位授時時，即給出光伏組件安裝點的地理經(jīng)度λs、地理緯度φs、海拔高度h1和時間參數(shù)，實時通過串行通信口傳送到安裝點控制單元，進行數(shù)據(jù)處理。

傳感器用于檢測座架上光伏組件的位置狀態(tài)，包括方位角電位器和俯仰角電位器，電位器采用優(yōu)質(zhì)線繞電位器，物理精度為±0.5°。電位器與座架方位、俯仰軸同步聯(lián)接，用以敏感軸角變化，通過電位器將座架方位、俯仰軸角轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送控制單元的軸角編碼模塊，進行編碼處理后發(fā)送給單片機，單片機將其轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)后，由人機交互界面顯示。

光感反饋單元用于檢測光伏組件的光感狀態(tài)，并反饋給控制單元。光感反饋單元包括光傳感器和光接收機，光傳感器安裝在光伏組件朝陽面上，光接收機用于接收光傳感器發(fā)送的信號并將信號進行轉(zhuǎn)換后發(fā)送給控制單元。光感反饋單元用于實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，當太陽偏轉(zhuǎn)一定角度時，光傳感器將信號經(jīng)光接收機發(fā)送給控制單元，控制單元發(fā)出指令，驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動座架旋轉(zhuǎn)，到達正對太陽位置時停止，等待下一個太陽偏轉(zhuǎn)角度；當陰天或晚上沒有太陽出現(xiàn)時停止動作；只要出現(xiàn)太陽它就自動尋找并跟蹤到位，全自動運行，無需人工干預，方位角、高度角二維控制，當然也可用于單方向控制。

風速反饋單元用于檢測光伏組件的受風狀態(tài)，并反饋給控制單元。本發(fā)明中，風速反饋單元為安裝在光伏組件上的風速儀。

智能終端內(nèi)置追光伺服APP，通過無線網(wǎng)絡(luò)與控制單元進行數(shù)據(jù)通信，用于遠程監(jiān)視光伏組件和上述各部件的工作狀態(tài)。

本發(fā)明工作時包含兩種控制模式，手動控制模式和自動跟蹤模式；手動控制模式下又包含兩種工作狀態(tài)，遠程狀態(tài)和本地狀態(tài)，可通過本地遠程開關(guān)進行切換。

當工作于本地手動控制模式時，直接置位驅(qū)動器上的功能端子，通過操作俯仰手輪和方位手輪實現(xiàn)座架的上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、順轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)動作，經(jīng)光電隔離和功率放大驅(qū)動電機上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、順轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)進一步來轉(zhuǎn)動座架及座架上的光伏組件。

當工作于遠程手動控制模式時，采用智能終端通過無線網(wǎng)絡(luò)控制單片機發(fā)出上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、順轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)動作命令，經(jīng)光電隔離和功率放大驅(qū)動電機上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、順轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)進一步來轉(zhuǎn)動座架及座架上的光伏組件。

當工作于自動控制模式時，可分為程序跟蹤模式和極值跟蹤模式。

程序跟蹤屬于開環(huán)跟蹤。座架事先置于等待位置，由上位機根據(jù)GPS模塊獲得的坐標信息及時間參數(shù)，計算出太陽在大地坐標系中的方位和俯仰角，并根據(jù)座架平臺提供的各種信息進行坐標轉(zhuǎn)換，求出目標方位及俯仰角，然后，上位機再將目標角度與當前角度進行比較求出差值，差值送D/A模塊轉(zhuǎn)換，D/A模塊將差值轉(zhuǎn)換成與之相對應的的模擬電壓，該電壓經(jīng)校正放大以后加至驅(qū)動單元，驅(qū)動系統(tǒng)帶動天線朝著減小誤差方向轉(zhuǎn)動，直至目標角度與當前角度一致或在允許誤差范圍之內(nèi)為止。

極值跟蹤屬于閉環(huán)跟蹤。光傳感器采集光伏組件的光感狀態(tài)，并傳輸給光接收機，光接收機經(jīng)處理后輸出的電壓反應了光照的強度，電壓的大小反應了太陽照射與座架指向的偏差角度，控制單元通過比較電壓當前值和反饋值求出差值；若偏差大，座架朝著偏差變小的方向移動直到達到誤差允許的范圍內(nèi)座架停止轉(zhuǎn)動，等待下一次大偏差的出現(xiàn)。