一种太阳能光伏二维制动跟踪控制系统用的传感器论文和设计-赵连新

全文摘要

一种太阳能光电板二维制动跟踪控制系统用的传感器，其特征在于传感器结构：半球体透明外罩与圆底板边缘结合，圆底板中心固定空心正方体的黑色遮光罩，罩内有传感器电路板用以测量反馈角度、电路板连接MUC，遮光罩四立面底边分别放置太阳能滴胶板、面向东西南北四个方向，四块滴胶板T1～T4背面各有正负极触点焊接在PCT板上，传感器的电路板有独立电源模块，传感器电路板的+5V，来自电源模块，通过线缆、连接器连接电源模块。装置结构紧凑，稳定性高，扩展性高，减少启动电流对电机的伤害，精确定位太阳直射方向提高发电效率。实现平稳、高效、智能化的光伏发电模式，解决了现有传感器密封的问题，角度、朝向的反馈问题。

主设计要求

1.一种太阳能光伏二维制动跟踪控制系统用的传感器，包括用于太阳能光电板两向转动的电机及控制芯片、传感器和操作器，东西向、南北向电机，其特征在于传感器结构：半球体透明外罩(1)与圆底板(3)边缘结合，圆底板(3)中心固定空心正方体的黑色遮光罩(4)，遮光罩(4)内有传感器电路板(5)用以测量反馈角度、电路板(5)连接MUC，遮光罩(4)立面底边分别放置太阳能滴胶板(2)、面向东西南北四个方向，电路中四块滴胶板(T1～T4)背面各有正负极触点焊接在PCT板上，传感器的电路板(5)有独立电源模块，传感器电路板的+5V，来自电器元件控制板的电源模块，通过线缆、连接器连接传感器电路板。

设计方案

2.根据权利要求1所述的太阳能光伏二维制动跟踪控制系统用的传感器，其特征在于传感器电路接线关系：线缆通过连接器将电源+5V和GND接入，再通过RT9193转换成+3.3V供六轴加速度传感器电路板MPU6050使用；滴胶板(T1、T2、T3、T4)负极脚为公共端都接GND，正极10K电阻下拉通过连接器接在驱动程序MCU单片机STM32的AD转换上，传感器电路板MPU6050通过IIC SDA连接到STM32的IIC脚上；电机控制芯片LMD18200额定电流3A，控制系统对单个电机的电流为3A；电机最大75W，采用控制器PWM驱动方式；

连接到STM32的IIC脚上时，注意IIC脚要上拉电阻4.7K，避免信号在传输时失真。

3.根据权利要求1所述的太阳能光伏二维制动跟踪控制系统用的传感器，其特征在于控制传感器用的操作器，显示屏和按键设置在壳体正面，壳体侧面有传感器接口、限位器接口、调试接口，壳体内设置微控制单片机MUC、两个方向的电机控制模块、纽扣电池、各接口，除电源模块，所有器件的电路连通，电源模块在电气元件控制板上，调试接口用于微控制单片机MUC和上位机的通讯，程序下载，纽扣电池用做掉电后的RTC时钟计，电源使用24V开关电源为电路板和电机供电。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及太阳能利用的光热采集设施，一种能够实现自动跟踪太阳直射角度的控制装置用的传感器，应用于光伏发电要求效率较高的有二维运动功能的光热采集设备。

背景技术

现有用于太阳能光伏发电装置的自动跟踪控制系统中的结构、控制电路、传感器形式是：

1、固定在无自由度和水平转动方式

目前比较常见的一种光伏发电模式是采用正南向45度仰角放置太阳能光电板。由于这样的摆放形式切设备无自由度无法转动，因此只有在夏季10点至14 点能达到额定发电量。这种方案优点在于成本低和安装方便。缺点在于发电量不稳的，运行时间受限，在冬季极端条件下发电量大幅下降等缺点。也有太阳能光电板支架可以水平旋转，可以实现对太阳方位的跟随。部分程度上解决的太阳方位变化带来的发电量不稳的问题。

2、继电器和场效应管的电机控制

随着太阳能电池板的尺寸加大，所需的电机扭矩也会随之增大。采用继电器控制电机时在电机启动和停止的瞬时电流会达到额定电流的3～6倍，经常会出现烧毁保险丝甚至损坏电机的情况。场效应管同样有无法抑制启动电流瞬间增大的缺点，频繁启动和停止容易导致场效应管损坏，在实际应用中极大缩短了设备的寿命。

3、传感器的作用

目前太阳能自动跟踪系统从控制方法看主要以光强控制方法为主，测光采用投影识别装置、包括不透光挡板、和转动装置，不透光挡板垂直在投影识别装置箱体的上底面上，投影识别装置箱体内设有用于识别不透光挡板投影的投影识别装置，投影识别装置箱体设在转动装置上，测量出的结果与太阳的实际高度角、水平角的误差在5°范围内。现有的太阳能跟踪传感器，只有两个滴胶板中间竖立一个遮光板。哪个滴胶板电压大就往那边转，转到相等就停下来！这种方式只有在日光充足的天气情况下才能正常运转，切没有位置反馈的功能。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种太阳能光伏二维制动跟踪控制系统用的传感器，使集热器精确对准太阳直射位置的自动换向装置，能够解决现有问题。

一种太阳能光伏二维制动跟踪控制系统用的传感器，包括用于太阳能光电板两向转动的电机及控制芯片、传感器和操作器，东西向、南北向电机，其特征在于传感器结构：半球体透明外罩与圆底板边缘结合，圆底板中心固定空心正方体的黑色遮光罩，罩内有传感器电路板用以测量反馈角度、电路板连接MUC，遮光罩四立面底边分别放置太阳能滴胶板、面向东西南北四个方向，四块滴胶板 T1～T4背面各有正负极触点焊接在PCT板上，传感器的电路板有独立电源模块，传感器电路板的+5V，来自电源模块，通过线缆、连接器连接电源模块。

本设计传感器在自动跟踪控制系统中的应用：自动跟踪控制系统中理论数值与传感器数据一致时，判断为晴天模式、按传感器数据定位光电板，或判断为阴天则按理论数值跟踪；理论数值与传感器数据不一致时，判断当前光电板与太阳位置，并控制系统使动某向电机进行动作，调整至对比数据没有差距，理论数值与传感器数据不一致时，判断当前光电板与太阳位置，并控制系统使动某向电机进行动作，调整至对比数据没有差距，如果控制系统程序演算的姿态与传感器反馈的姿态有大幅差距，就表示控制系统程序演算出错甚至存在越过限位危险，需要停止运行或等待人工处理；当跟踪成功时，控制系统保持当前位置延迟一段时间，智能计算存储单元再返回通过公式计算出理论位置，或再返回重复读取滴胶板输出的电压。

显著优越性体现在：解决了现有传感器密封的问题，角度、朝向的反馈问题。传感器外罩和立体遮光罩是按本设计定制的。与现有技术相比，本发明太阳能二维自动跟踪控制系统和装置结构紧凑，稳定性高，扩展性高、可有效减少启动电流对电机的伤害、可以精确定位太阳直射方向提高发电效率，实现平稳、高效、智能化的光伏发电模式。

本产品已经在实际运行中小规模试用。实际使用中传感器外壳用透明的亚克力材质制成半球形，可阻挡风雪和雨水等对电路板的侵蚀，也避免了光折射带来的数据失真。

附图说明

图1是传感器结构示意剖视图；

图2是传感器结构俯视图；

图3是传感器电路示意图；

图4是控制传感器的操作器电路示意框图；

图5是电机控制芯片电路原理图。

具体实施方式

这种太阳能光伏二维制动跟踪控制系统用的传感器，包括用于太阳能光电板两向转动的电机及控制芯片、传感器和操作器，东西向、南北向两个电机，其特征在于传感器结构：见图1，半球体透明外罩1与圆底板3边缘结合，圆底板3 中心固定空心正方体的黑色遮光罩4，遮光罩4罩内有传感器电路板5用以测量反馈角度、电路板连接MUC，遮光罩4四立面底边分别放置四个太阳能滴胶板 2、面向东西南北四个方向，见图2，四块滴胶板T1～T4背面有两个正负极触点焊接在PCT板上，电路见图3，传感器的电路板有独立电源转换模块，传感器电路板的+5V，来自电源模块，通过线缆、连接器连接电源模块。由四块滴胶板的太阳能－光敏电路、遮光板和六轴加速度组成六轴加速度传感器电路MPU6050，用以测量反馈角度、接口部分PIN10的接插件，用以线缆连接与MUC通信，还有适配电阻零件。传感器电路接线关系，见图3：线缆通过连接器将电源+5V和 GND接入，再通过RT9193转换成+3.3V供MPU6050使用。滴胶板T1、T2、 T3、T4负极脚2为公共端都接GND，正极10K电阻下拉通过连接器接在驱动程序MCU单片机STM32的AD转换上。传感器电路MPU6050通过IIC SDA连接到STM32的IIC脚上。要注意IIC脚要上拉电阻4.7K，避免信号在传输时失真。太阳能滴胶板2在充分日照时输出额定电压3V，当中间的遮光罩4遮挡住垂直底面的某一块滴胶板时，此滴胶板的输出电压会因遮挡的程度不同有所降低，根据四块滴胶板输出电压的差距判断太阳的具体方位。六轴加速度传感器电路MPU6050可以反馈太阳能板所处的姿态。正常情况下只用来和本控制系统智能计算单元程序演算出的姿态做对比校正。如果智能计算程序演算的姿态与传感器反馈的姿态有大幅差距，就表示演算出错甚至存在越过限位等危险，需要停止运行或等待人工处理。

图4为本操作器的电路框图，控制本太阳能光电板二维制动跟踪控制用传感器的操作器，有显示屏、按键，其特征在于显示屏和按键设置在壳体正面，壳体侧面有传感器接口、限位器接口、调试接口，壳体内设置微控制单片机MUC，单片机STM32、东西向、南北向的两个电机控制模块、纽扣电池、各接口，除电源模块，所有器件的电路连通。电源模块在电气元件控制板上。液晶屏为3.5 寸TFT屏，按键可以完成手动操作，修改已经录入程序的参数。按键从上到下的功能为上一页、下一页、确定、退出、北\/上、\/南下、西\/左、东\/右。调试接口用于微控制单片机MUC和上位机的通讯，程序下载等。纽扣电池用做掉电后的RTC时钟计时。目前电源使用24V开关电源为电路板和电机供电。限位接口有预留可以接风速风向传感器。

设置东西向、南北向两个电机，直流电机最大功率75W，直流电机控制控制芯片LMD18200额定电流3A，控制系统对单个电机的电流为3A。

六轴传感器，六轴是指陀螺仪、加速度的各自XYZ轴状态,采用的MPU6050 是一种运动处理组件，可检测X轴，Y轴和Z轴的旋转角度。见网上MPU6050 电路如图3，按照MPU6050的芯片数据手册和用户手册可以读取出X、Y、Z的陀螺仪和加速度的数据，再通过开源算法运算出俯仰角和朝向。本发明将六轴传感器与太阳能光电板平行安装，即可测量并计算太阳能光电板的俯仰角和朝向方位反馈给控制系统中微控制单元MCU。本控制系统的微控制单片机MCU采用型号为STM32F103，有足够的计算速率和储存空间，用于对比、演算传感器采集的数据。控制姿态使动部分的方案采用的LMD18200的控制器PWM驱动方式，不需要使用继电器，具有电流反馈和程序调控转速的功能，可以单独控制一台直流电机，实现缓起缓停，有效地减小启动电流对电机的伤害。

滴胶板“东”“西”为一组，“南”“北”为一组，安装在东面的太阳能面滴胶板输出的电压，简略为“东”。对比中会考虑到由于取样带来的误差，只有当差距大于设定值(默认为0.2V)时，才会开始动作。

传感器与太阳能光电板平行安装，实际测量并计算太阳能光电板的俯仰角和朝向方位数据反馈给控制系统智能计算存储单元MCU；传感器的太阳能滴胶板在充分日照时输出额定电压3V，四块滴胶板在阳光充足时合计输出12V，标准是根据实际测量和经验总结制订，清晨合计大于1.6V时视为日出，傍晚合计小于0.8V时视为日落，白天合计小于2.0V时视为阴天。

设计图

一种太阳能光伏二维制动跟踪控制系统用的传感器论文和设计

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