太陽能跟蹤控制器及其跟蹤方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種太陽能跟蹤控制器及其跟蹤方法。
【背景技術】
[0002]太陽能跟蹤控制器廣泛的應用于太陽能發電系統和太陽能灶中，如多晶硅發電，單晶硅發電系統，太陽能的光熱發電系統，現在主要有二種跟蹤方式，一種是單軸跟蹤方式，另一種是雙軸跟蹤方式，單軸跟蹤方式主要應用在對跟蹤太陽位置不需要很準確的地方，其跟蹤精度只能達5 —10度的范圍，但其安裝簡單，控制也很簡單；雙軸跟蹤方式主要應用在對跟蹤太陽要求跟蹤精度較高的地方，其跟蹤精度可以達到0.1度，如HCPV高聚光太陽能發電系統，太陽能光熱發電系統，反射式太陽能發電系統以及多晶硅發電系統等，其主要特點是能隨太陽的運動而及時的跟蹤太陽位置，并時刻保持太陽光射到某個點上，能提高系統對太陽光的利用率.目前主要有二種跟蹤方法，一種是被動式跟蹤，另一種是主動式跟蹤，被動式跟蹤主要是采用光電傳感器來檢測太陽的位置，然后驅動電機來跟蹤太陽，目前的跟蹤器都是采用光敏電阻或是分散的硅光電池片做為光電傳感器，這樣做的光電傳感器存在檢測精度不高，在跟蹤太陽時跟蹤精度達到0.1度的要求，被動式跟蹤的優點:跟蹤精度高，不存在累積誤差；缺點是:容易受到天氣的影響，在多云或陰天時，跟蹤器容易出現誤動作，不能準確的跟蹤太陽，這樣就會造成當多云或陰天過后太陽出來時，太陽能跟蹤控制器不能及時的跟蹤上太陽或者出現朝相反方向跟蹤的情況，這樣造成太陽光不能被利用。主動式跟蹤主要是根據太陽的軌跡算法通過計算得到當前當地的太陽位置，然后控制器驅動電機轉動，使跟蹤支架轉動，然后通過安裝在支架上的方位角度編碼器和高度角度編碼器進行反饋跟蹤支架當前的角度給跟蹤控制器，使跟蹤支架的角度和計算的當前當地的太陽的方位角和高度角一致，這樣完全可以不受天氣的影響，不管是陰天或是多云都不會出現誤動作的情況，但是目前的很多太陽位置算法算出來的太陽位置都不是很準確，難以達到0.1度的跟蹤精度的要求，當大氣層中的清潔度不同時，到達地面的光拆射率也不同，造成實際太陽的位置和聚光形成的光斑存在一定的偏差。目前采用主動跟蹤或被動跟蹤都難以滿足聚光太陽能發電系統的要求。
[0003]中國專利文獻號CN200910099048.1于2009年11月18日公開了一種主動式太陽能跟蹤方法及裝置，其通過計算太陽光入射到當前設備的入射角度，并將其轉換為控制信號，調整當前設備的姿態，使之與太陽入射光線成預定的夾角。據稱，其具有良好的精度和穩定性。但是，該設計方案仍存在上述不足，精度不夠高。因此，有必要作進一步改進。
【發明內容】
[0004]本發明的目的旨在提供一種跟蹤精度高、穩定性好、不受天氣影響的太陽能跟蹤控制器及其跟蹤方法，以克服現有技術中的不足之處。
[0005]按此目的設計的一種太陽能跟蹤控制器，包括PLC控制器和電源，其結構特征是PLC控制器的輸入端分別與四象限光電傳感器、風速傳感器、觸摸顯示屏、方位角度編碼器及高度角度編碼器的輸出端連接，PLC控制器的輸出端分別與方位電機驅動器和高度電機驅動器的輸入端連接，并且PLC控制器分別與觸摸顯示屏、方位角度編碼器及高度角度編碼器以RS485的方式進行通信。
[0006]進一步，所述四象限光電傳感器為由同一片硅光電池用激光切割而成的硅光電池片e、硅光電池片f、硅光電池片g和硅光電池片h組成；所述四象限光電傳感器的外圍還設有由娃光電池片a、娃光電池片b、娃光電池片c和娃光電池片d組成的光電傳感器；定義各硅光電池片的電壓分別為Vn，Vn為Va?Vh，同時定義外方位偏差電壓為Vlr,外高度偏差電壓為Vbr，外光強電壓為Vm，內方位偏差電壓為Vlrn，內高度偏差電壓為 Vbrn，內光強電壓為 Vmn，則有 Vlr = Vc-Vd, Vbr = Va-Vb, Vm = Va+Vb+Vc+Vd, Vlrn =(Ve+Vg)-(Vf+Vh), Vbrn = (Ve+Vf)-(Vg+Vh), Vmn = Ve+Vf+Vg+Vh。
[0007]一種太陽能跟蹤控制器的跟蹤方法，其特征是包括以下幾個步驟:
[0008]I)參數初始化后分別采集風速傳感器的信號、四象限光電傳感的信號、觸摸顯示屏設定的參數和方位角度編碼器的角度值以及高度角度編碼器的角度值；
[0009]2)判斷風速是否大于設定值且持續時間超過20秒，當風速大于設定值且持續時間超過20秒，則控制高度電機快速的把風速保護支架打到水平位置，直到持續10分鐘內沒有檢測到有風速超過預先設定值時，重新起動跟蹤；當風速沒有超過預先設定值時跟蹤太陽；
[0010]3)通過四象限光電傳感器檢測太陽的具體位置，當太陽光不能垂直的射入到四象限光電傳感器上時，四象限光電傳感器會輸出方位偏差的電壓值和高度偏差的電壓值，然后PLC控制器采集這二個偏差值并控制方位電機和高度電機轉動，直到方位偏差和高度偏差輸出為O為止；
[0011]4)通過四象限光電傳感器檢測太陽光的強度，當太陽光的強度不大于設定值時，太陽能跟蹤控制器自動切換到軌跡跟蹤的狀態，當太陽光的強度大于設定值時，太陽能跟蹤控制器自動切換到光電跟蹤的狀態。
[0012]進一步，所述四象限光電傳感器是采用同一片硅光電池片分割成4片做成信號檢測，然后通過放大電路進行放大并且做差分運算，最后輸出方位偏差和高度偏差；所述四象限光電傳感器的外圍設置的光電傳感器用于跟蹤控制器粗調跟蹤太陽時作信號采集用，當外圍的光電傳感器的外方位偏差電壓Vlr和外高度偏差電壓Vbr輸出均等于O時，太陽能跟蹤控制器自動切換到用內部的四象限光電傳感器的信號來作精細跟蹤控制，當四象限光電傳感器的內方位偏差電壓Vlrn和內高度偏差電壓Vbrn都為O時，跟蹤停止，使得跟蹤精度達到0.1度的范圍。
[0013]進一步，所述跟蹤控制器狀態的切換是根據四象限光電傳感器檢測到太陽光的強度與通過觸摸顯示屏預先設定的光強值進行比較。
[0014]進一步，所述軌跡跟蹤是采用高精度的太陽位置算法，通過觸摸顯示屏輸入當地的經瑋度和當地的時間來計算太陽的具體位置，并根據計算出來的太陽方位角和太陽高度角，通過方位角度編碼器和高度角度編碼器把支架轉動的具體位置反饋給PLC控制器，PLC控制器控制方位電機驅動器和高度電機驅動器，分別驅動方位電機和高度電機轉動，直至安裝在支架上的方位角度編碼器和高度角度編碼器反饋的角度和計算的太陽的方位角和太陽的高度角一致時停止電機轉動。
[0015]進一步，所述軌跡跟蹤的方式為當計算的太陽方位角度-支架方位角度編碼器的角度大于等于0.1度時，PLC控制器控制方位電機驅動器驅動方位電機向西轉動，直至太陽方位角度-支架方位角度編碼器的角度小于0.1度，當計算的太陽方位角度-支架方位角度編碼器的角度小于-0.1度時，PLC控制器控制方位電機驅動器驅動方位電機向東轉動，直至太陽方位角度-支架方位角度編碼器的角度大于-0.1度；當計算的太陽高度角度-支架高度角度編碼器的角度大于等于0.1度時，PLC控制器控制高度電機驅動器驅動高度電機向下轉動，直至太陽高度角度-支架高度角度編碼器的角度小于0.1度，當計算的太陽高度角度-支架高度角度編碼器的角度小于-0.1度時，PLC控制器控制高度電機驅動器驅動高度電機向上轉動，直至太陽高度角度-支架高度角度編碼器的角度大于-0.1度。
[0016]進一步，所述光電跟蹤的方式為當采集到四象光電傳感器的方位偏差電壓值大于dEl值時，PLC控制器控制方位電機驅動器驅動方位電機向西轉動，直