带天气感应装置的太阳能自动跟踪器 【技术领域】
本发明涉及一种太阳能光伏发电技术， 特别是一种带天气感应装置的太阳能自动跟踪器。 背景技术 太阳能光伏发电技术已日趋成熟， 不论是离网光伏发电系统还是并网光伏发电系 统都有较大规模的应用和实践。上个世纪 90 年代以来， 并网光伏发电系统特别是屋顶并网 光伏发电系统的开发和运行成功， 使其成为分散式发电系统的一个良好选择， 欧盟、 美国和 日本等国家相继制定了一系列的计划和规划， 并颁布了相应的激励政策促进光伏发电技术 的推广和应用。屋顶并网光伏发电模式在国外已经得到电力部门的认可， 预计 50 年后， 仅 屋顶能源一项就可提供全世界 1/4 电能。传统光伏发电系统的太阳能跟踪器由于可实现对 太阳入射角的自动跟踪， 可实现光伏系统 30％～ 40％的电能增加。但是， 当遇到恶劣天气 ( 如大风、 阴雨 ) 时， 不能及时做出反应， 光伏发电装置容易被强风损害而破坏， 或在阴雨天 气时仍保持运转， 造成不必要的能源浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种带天气感应装置的太阳能自动跟踪器， 可根据天气状况 自动调整光伏发电系统状态， 把恶劣天气对光伏发电系统的影响减少到最小， 实现光伏系 统的电能增加。
带天气感应装置的太阳能自动跟踪器包括太阳能电池板 (1)， 自动阴雨天保护系 统 (2)， 强风保护装置 (3)， ARM 嵌入式微处理系统 (4)， 阳光跟踪传动系统 (5)， 电动机 (6) 及强风级别显示器 (7)。 光伏电池 (1) 连接自动阴雨天保护系统 (2)、 强风保护装置 (3)， 并 通过自动阴雨天保护系统 (2)、 强风保护装置 (3) 连接 ARM 嵌入式微处理系统 (4)， ARM 嵌 入式微处理系统 (4) 分别连接电动机 (6) 和强风级别显示器 (7)， 电动机 (6) 通过阳光跟踪 传动系统 (5) 连接光伏电池 (1)( 如图 1 所示 )。
太阳能自动跟踪器的控制原理为 ： 将所在地太阳入射角度变化历史数据存入 ARM 嵌入式微处理系统 (4)， 同时实时采集电动机 (6) 的转动角度 ； 将存储的所在地当前时刻太 阳入射角数据与电动机 (6) 转动角度进行再线比较， 控制电动机 (6) 转动角度， 实时调整太 阳能电池板 (1) 角度， 使太阳能电池板 (1) 自动跟踪太阳入射角， 达到最大限度利用太阳能 的目的。系统控制流程为 ： 清晨太阳升起， 当光强达到能使得光伏电池可输出有效功率时， 启动闭环跟踪系统， 电动机 (6) 带动光伏电池 (1) 开始 “跟踪搜索” 使其逐渐对准太阳 ； 随 后进入 “监测等待” 状态， 这时电动机 (6) 停止工作 ； 当太阳偏离一个特定角度后再次开始 “跟踪” 过程。如果天空有云雾， 或有大风天气， 为节约驱动能量， 系统处于 “暂停等待” 状态， 电动机 (6) 停止工作 ； 当天黑后， 电机 (6) 先带动光伏电池 1 由面向西方 “返回初态” 到面 向东方的初始位置， 然后将整个系统 “断电停机” ， 只需为 ARM 嵌入式微处理系统 (4) 留有一 个弱电控制电源即可。自动阴雨天保护系统 (2) 如图 2 所示， 在太阳能电池板 (1) 的四个角上分别安装 四个光敏二极管 (12)， 光敏二极管 (12) 通过 A/D 转换与采集系统 (11) 与 ARM 嵌入式微处 理系统 (4) 连接。当四个光敏二极管 (12) 所测量光照强度均小于发电阈值时， 自动关闭阳 光跟踪传动系统 (5)， 避免电能的浪费 ； 当两个以上光敏二极管 (12) 所测量光照强度大于 等于发电阈值时， 重新开启阳光跟踪传动系统 (5)， 并将其对准太阳发射角。
强风保护装置 (3) 由风速液位测压计 (9)、 红外定位环 (21) 及红外触发开关 (10) 组成 ； 风速液位测压计 (9) 主要构成有储液罐 (13)、 受风斗 (8) 及测压管 (15)， 受风斗 (8) 位于储液罐 (13) 的顶部入口、 测压管 (15) 位于储液罐 (13) 的底部、 测压管浮标 (20) 位于 测压管 (15) 的内部、 红外定位环 (21) 位于测压管 (15) 外的外边 ； 储液罐 (13) 固定在底 盘 (14) 上与测压管 (15) 用胶管连通， 测压管外层装有金属套管 (16)， 底盘安装有可由 0° 至 90°转动的铰 (17) 上， 另外底盘还装有一弯臂， 弯臂中间开有可以将装有测压管的金属 套管与水平方向夹角 θ 由 0°至 90°转动的角度定位槽 ； 当转动到选定角度 θ0 时， 通过 螺杆定位卡 (19) 固定。设风速液位测压计储液罐截面积为 S1， 测风管截面积为 S2， 储液罐 又装有密度为 ρ 的液体与测压管连通， 作用于储液罐液位表面压力为 P1， 测压管液位表面 压力为 P2， ΔP ＝ P1-P2 称为两液位压力差。测压管已倾斜与水平方向夹角为 θ0， 在压力差 ΔP 作用下， 测压管液位变化为 L。根据流体力学压力平衡和流体质量连续性原理以及直角 三角形些便于直角边的关系， 可以列出如下算式 ：
式中 ρ——液体的密度 ； g——重力加速度， 9.8 米 / 秒 2 ； θ0——测压管与水平方向夹角。K 称为测压管液柱 ( 高度 ) 读数的放大系数。它与倾斜测压管的角度 θ0、 截面积 S2 和储液罐截面积 S1 以及选择的液体密度 ρ 有关。流体力学测量使用的倾斜微压计是根 据上述原理制成的， 通常使用乙醇 (ρ ＝ 810kg/m3) 以提高放大系数。
风速液位测压计创新点如下 ：
1. 风速液位测压计根据实际测量需要设计储液罐 (13) 与测压管 (15) 的面积比 (S1 ∶ S2) 为 100 与 150， 测压管倾斜角 θ0 在 18°～ 70°， 再选用水为介质， 由此可确定 K 值在 1.07 ～ 3.23 范围变化。
2. 在选定某一 K 值后， 根据气象资料可以得到 3 级到 10 级大风风速值 ui。将风速 液位测压计受风斗放置在风洞中， 另一端接入储液罐， 储液罐液位上方装有经校准的数字 式测压计探头， 储液罐下方与倾斜测压管连接， 标出测压管初始读数。开启风洞， 速度调节 到一系列大风风速值 ui， 分别记下每次储液罐液位上方压力 ΔPi， 同时在测压管记下液柱 上升位置 Li， 以此作为测压管的计量标记。该标记 Li 与大气中强风级别相对应， 简要地说， 测压管计量标记 Li 是与经风洞校正大气强风级别相对应的。
3. 在上述风洞校正实验过程中， 每输出风速值 ui， 测量测压管液柱内电阻值 Ri， 再
转换为电流信号 Ii， 经数值模拟转换为数字信号， 可以显示相应的强度级别。
4. 测压管内装有轻质浮标 (20)， 管外侧装有红外线定位套环 (21)。 当强风达到设 定级别时， 浮标上升， 红外定位环发出信号， 输入 ARM 微处理系统关闭阳光跟踪系统。
由于在本太阳能自动跟踪器中采用倾斜微压计实时测量台风对光伏发电系统的 影响， 采用光敏器件实时测量太阳照度情况， 可根据天气状况自动调整光伏发电系统状态， 避免以上两种不良后果的发生， 实现光伏发电系统电能的增加。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。 附图说明
图 1 为太阳能自动跟踪器控制原理图。 图 2 为太阳能自动跟踪器的自动阴雨天保护装置结构图。 图 3 为太阳能自动跟踪器的强风保护装置图。 图 4 为风速液位测压计结构图。具体实施方式
图 1 中， 本太阳能自动跟踪器包括太阳能电池板 1、 自动阴雨天保护系统 2、 强风保 护装置 3、 ARM 嵌入式微处理系统 4、 阳光跟踪传动系统 5、 电动机 6 和强风级别显示器 7 组 成。光伏电池 1 连接自动阴雨天保护系统 2、 强风保护装置 3， 并通过自动阴雨天保护系统 2、 强风保护装置 3 连接 ARM 嵌入式微处理系统 4， ARM 嵌入式微处理系统 4 分别连接电动机 6 和强风级别显示器 7， 电动机 6 通过阳光跟踪传动系统 5 连接光伏电池 1。
图 2 中， 自动阴雨天保护系统 2 在太阳能电池板 1 的四个角上分别安装四个光敏 二极管 12， 光敏二极管 12 通过 A/D 转换与采集系统 11 与 ARM 嵌入式微处理系统 4 连接。
图 3、 4 中， 强风保护装置 3 由风速液位测压计 9、 红外定位环 21 及红外触发开关 10 组成 ； 风速液位测压计 9 主要构成有储液罐 13、 受风斗 8 及测压管 15， 受风斗 8 位于储 液罐 13 的顶部入口、 测压管 15 位于储液罐 13 的底部、 测压管浮标 20 位于测压管 15 的内 部、 红外定位环 21 位于测压管 15 外的外边 ； 储液罐 13 固定在底盘 14 上与测压管 15 用胶 管连通， 测压管外层装有金属套管 16， 底盘安装有可由 0°至 90°转动的铰 17 上， 另外底 盘还装有一弯臂， 弯臂中间开有可以将装有测压管的金属套管与水平方向夹角 θ 由 0°至 90°转动的角度定位槽 ； 当转动到选定角度 θ0 时， 通过螺杆定位卡 19 固定。 风速液位测压 计 9 的储液 13 的截面积 S1 与测压管 15 的截面积 S2 之比为 100 ～ 150 ； 测压管与水平方向 倾斜角 θ0 为 18°～ 70°， 测压管液柱读数放大系数为 1.07 ～ 3.23。强风保护装置 3 的 风速液位测压计 9 在选定 K 值后， 其测压管计量标记 Li 是由风洞输入级强风风速到受压斗 8 测压管液位上升的位置决定的 ； 同时测量出测压管液柱电阻值 Ri， 经数字模拟可显示强度 等级 (i)。可以事先给出本装置能承受的强风级别 i0， 将红外定位环固定在测压管 KL0 的位 置上， 当强风达到设定的级别时， 浮标达到 KL0 位置即触发红外控制开关 10， 输入 ARM 嵌入 式微处理系统 4， ARM 微处理系统 4 检测到信号， 控制器关闭阳光跟踪传动系统 5， 并锁死传 动系统 5， 避免该系统设备受到强风作用而损坏。
由于采用自动阴雨天保护系统 (2) 和强风保护装置 (3)， 实时测量强风对光伏发 电系统的影响和太阳照度情况， 根据天气状况自动调整光伏发电系统状态， 把恶劣天气对光伏发电系统的影响减少到最小， 实现光伏系统的电能增加。