專利名稱：基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域和光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
太陽能光伏發(fā)電有許多經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境保護(hù)的積極意義，已成為全球發(fā)展最快的技術(shù)。其中光伏跟蹤系統(tǒng)是通過自動跟蹤太陽的運(yùn)動軌跡，保持太陽能電池板隨時正對太陽，使光伏電池板的表面盡量垂直于太陽的輻射光線獲得更多的發(fā)電量。據(jù)統(tǒng)計，單軸跟蹤系統(tǒng)發(fā)電性能比雙軸的低3%-5%，總體發(fā)電水平比固定支架增加20%以上，因此單軸跟蹤較雙軸跟蹤性價比高，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、價格經(jīng)濟(jì)和土地使用率高等優(yōu)點(diǎn)。目前在大型并網(wǎng)光伏跟蹤系統(tǒng)中，通常采用PLC跟蹤控制方式，根據(jù)安放點(diǎn)的經(jīng)緯度信息計算太陽每天的高度角、方位角，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在PLC軟件中，這種方式大多在出廠時固定，不易再次進(jìn)行開發(fā)和參數(shù)設(shè)定。此外，工業(yè)現(xiàn)場存在地域分散、光伏跟蹤設(shè)備數(shù)量多、價值高、現(xiàn)場環(huán)境惡劣等問題，光伏發(fā)電企業(yè)需要對現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以便出現(xiàn)問題時及時報警和處理。采用的工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)一般是工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線， 這兩種方式都具有布線麻煩、接線復(fù)雜、維護(hù)困難、成本高等缺點(diǎn)，即便采用傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集及傳輸方式，也存在協(xié)議復(fù)雜、系統(tǒng)代價昂貴及功耗大的問題。一種基于工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，采用基于IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議WIA/ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，能較好的克服人工現(xiàn)場工作量大和無法保證數(shù)據(jù)實(shí)時有效性的缺點(diǎn)，能夠有效解決有線方式在惡劣環(huán)境布線難度和成本較高、及信號線老化后系統(tǒng)的誤報警率和故障率不斷上升的缺點(diǎn)。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)和自組織能力特點(diǎn)對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的大面積、點(diǎn)分散的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。在同一個無線個域網(wǎng)(WPAN) 上，可以存在6000多個無線節(jié)點(diǎn)裝置，彼此可以通過多跳的方式傳遞信息。這靈活地解決了大規(guī)模光伏發(fā)電站進(jìn)行光自動跟蹤需要消耗大量的能源和成本問題。但是現(xiàn)有的控制方法一般采用太陽光信號變送器將檢測的太陽光高度角、方位角，再將控制信息發(fā)送到控制節(jié)點(diǎn)，這種方式依賴于光信號檢測裝置，需要消耗大量能量，且現(xiàn)場光伏跟蹤裝置數(shù)量龐大，這對能源和經(jīng)濟(jì)上會造成很大的浪費(fèi)。即便采用單個光信號檢測裝置，整個控制系統(tǒng)容易受天氣變化的影響，不適應(yīng)緊急模式和手動模式下的跟蹤控制。常規(guī)的跟蹤系統(tǒng)在惡劣天氣(如大風(fēng)、雨、雪等)條件下，跟蹤系統(tǒng)不能及時自動故障保護(hù)，容易造成光伏陣列的損壞；一般的跟蹤系統(tǒng)不能及時在光伏陣列有遮擋情況下進(jìn)行陰影規(guī)避，也在一定程度上影響了太陽能的利用效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低且能最大限度地利用太陽能的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)及其控制方法，從而克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)。其構(gòu)成包括光伏跟蹤支架、支架跟蹤控制器、無線網(wǎng)關(guān)及中心監(jiān)控計算機(jī)， 光伏跟蹤支架連接支架跟蹤控制器，支架跟蹤控制器通過無線網(wǎng)關(guān)連接中心監(jiān)控計算機(jī)。上述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，還包括無線中繼路由，支架跟蹤控制器通過無線中繼路由和無線網(wǎng)關(guān)連接中心監(jiān)控計算機(jī)。前述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，所述的無線網(wǎng)關(guān)具有內(nèi)嵌的太陽角度跟蹤數(shù)據(jù)庫和陰影規(guī)避算法，無線網(wǎng)關(guān)和中心監(jiān)控計算機(jī)采用RS232/RS485/TCP-IP 協(xié)議通信。前述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，所述的中心監(jiān)控計算機(jī)有監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控軟件有人機(jī)交互畫面，顯示光伏跟蹤陣列當(dāng)前控制模式、跟蹤狀態(tài)、故障信息，并可生成報表、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理；監(jiān)控軟件具有手動跟蹤、自動跟蹤和緊急跟蹤模式。前述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，所述的光伏跟蹤支架由執(zhí)行電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)及傳感器構(gòu)成，傳動機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)轉(zhuǎn)變機(jī)構(gòu)，采用被動式跟蹤，不需光電傳感信號；傳感器具有光伏跟蹤支架左限位、右限位、中限位信號輸出和反饋脈沖輸出功能，實(shí)時提供給支架跟蹤控制器相關(guān)反饋信息。前述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，所述的支架跟蹤控制器由故障保護(hù)電路、時鐘電路、繼電器控制電路、限位反饋脈沖檢測電路、無線通訊模塊和微控制器構(gòu)成，時鐘電路采用時鐘芯片，用于系統(tǒng)時間同步；無線通訊模塊采用基于IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的WIA/ZigBee工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤控制方法。該方法采用自動模式、手動模式和緊急模式三種跟蹤模式并采用太陽角度跟蹤算法和陰影規(guī)避算法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，其中的自動模式是在進(jìn)行設(shè)定后，從無線網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫獲取信息，制定出一年不同時節(jié)太陽能電池板的姿態(tài)控制數(shù)據(jù)，將這些控制數(shù)據(jù)無線發(fā)送到支架跟蹤控制器后，光伏跟蹤支架在一定間隔自動調(diào)節(jié)運(yùn)動姿態(tài)；手動模式是在進(jìn)行手/自動切換設(shè)定后，中心監(jiān)控計算機(jī)將指令以無線方式發(fā)送到支架跟蹤控制器后，所有光伏跟蹤支架執(zhí)行相應(yīng)動作，調(diào)整運(yùn)動姿態(tài)；緊急模式是在獲得惡劣氣象報警特殊情況后，監(jiān)控中心通過操作人員的介入，將全部太陽電池板調(diào)整到最安全的位置，減輕惡劣氣侯給系統(tǒng)帶來的損害；太陽角度跟蹤算法和數(shù)據(jù)庫內(nèi)嵌于無線網(wǎng)關(guān)，是根據(jù)天文算法計算出太陽在某地的日出日落時間，再計算出太陽能電池板的運(yùn)行角度，然后通過幾何計算方法得到支架臂的位置長度和轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度所需脈沖數(shù)，最后由支架跟蹤控制器完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)以使光伏陣列處于最佳發(fā)電效率位置；陰影規(guī)避算法內(nèi)嵌于無線網(wǎng)關(guān)，是根據(jù)太陽的位置自動調(diào)節(jié)太陽能電池板的角度，使相鄰的跟蹤系統(tǒng)太陽能電池板之間沒有陰影，避免由于陰影造成能源損失，以最大限度地利用太陽能。上述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤控制方法，所述的陰影規(guī)避算法是根據(jù)光伏面板東西向間距和太陽角度天文算法計算得到太陽的方位角、高度角，再利用數(shù)學(xué)模型方法，使得計算的目標(biāo)角度控制在一定范圍內(nèi)，避免陰影產(chǎn)生，提高發(fā)電效率，其具體計算方法步驟如下
步驟1 首先根據(jù)太陽角度天文算法計算從某開始時間到某結(jié)束時間間隔N分鐘的太陽天頂角位置和方位角位置，方法如下
太陽赤緯=0.3723 + 23. 2567sin θ + 0. 1149sin2 θ - 0. 1712sin3 θ -0. 758cos θ + 0. 3656cos2 θ + 0. 0201cos3 θ，式中 θ 稱日角，即 θ =2 ji t / 365.2422， t由兩部分組成，即t=N — Ν0，式中N為積日，就是日期在年內(nèi)的順序號；N0=79. 6764 + 0. 2422X - INT〔 / 4〕；
步驟2:計算太陽面板角度；
已知太陽的方位角和天頂角或俯仰角，計算出太陽帆法向方向與水平面的夾角，計算出要求太陽電池板轉(zhuǎn)的角度，方法如下
Star = arc￡g(c￡g(S) · sm(為)，式中E為太陽俯仰角，A為太陽方位角，Btar為太陽電池板的目標(biāo)角度；
步驟3 根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算調(diào)整以后的光伏電池板與水平面的夾角，達(dá)到陰影規(guī)避的效果，通過計算控制東西向的光伏電池板之間沒有陰影，方法如下
￡/sm(5)=,式中，為太陽光線與水平面東西向夾角，在0 90度范圍內(nèi)
變化；α為電池板與太陽光線之間的夾角，計算得到相應(yīng)的夾角達(dá)到陰影規(guī)避效果的光伏電池板與水平面的夾角f ；
步驟4 計算支架極軸。方法如下
Ln = sqrt ( Ilxz + 4y - 2 ■ cos(A). Lxz ■ Lxs )，A 為極軸變化后，Lsz 與 L恐的夾角，A
值區(qū)間
1.
A=45+ ？ +A0
2.
Α=45- ε +A0 初始夾角由下式計算得到
A0=arccos (.L2 ^+L2xro 一 )/(2 Lxz-Lxm )，其中 Atl 為一時支架極軸最短時
支架主軸L忍與支架橫粱間的初始夾角，Lxz、Lx,,為標(biāo)注長度，支架橫粱與極軸交點(diǎn)
為Y，在極軸伸長最短時，支架橫粱與極軸交點(diǎn)為支架極軸轉(zhuǎn)動支點(diǎn)為Z，為Z到X
的長度，值由測量得到或廠家提供，為支架極軸最短時對應(yīng)的長度；
由上述可計算得到不同的目標(biāo)角度f時支架極軸對應(yīng)的絕對長度，由支架參數(shù)可以得到極軸長變化前后長度差對應(yīng)脈沖計數(shù)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用太陽角度跟蹤算法和工業(yè)無線通訊的分布式控制方式，不僅能自動根據(jù)太陽光方向來調(diào)整電池板朝向，且在跟蹤過程中不必人工干預(yù)，安裝方便，可大大減小施工布線的麻煩，結(jié)構(gòu)簡單、成本低；故障檢測保護(hù)功能可以提高系統(tǒng)在惡劣天氣條件下的自適應(yīng)能力；陰影規(guī)避算法可以避免由于陰影造成能源損失，以最大限度地利用太陽能。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖2是無線支架跟蹤控制器的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖3是本發(fā)明的太陽面板角度計算示意圖；圖4是本發(fā)明的支架極軸計算示意圖。附圖中的標(biāo)記為13-故障保護(hù)電路，14-繼電器控制電路，15-無線通訊模塊， 16-時鐘電路，17-執(zhí)行電機(jī)，18-傳動機(jī)構(gòu)，19-傳感器，21-光伏跟蹤支架，22-支架跟蹤控制器，23-無線中繼路由，24-無線網(wǎng)關(guān)，25-中心監(jiān)控計算機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不作為對本發(fā)明做任何限制的依據(jù)。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，包括光伏跟蹤支架21、支架跟蹤控制器22、無線中繼路由23、無線網(wǎng)關(guān)M及中心監(jiān)控計算機(jī) 25，光伏跟蹤支架21連接支架跟蹤控制器22，支架跟蹤控制器22通過無線網(wǎng)關(guān)M連接中心監(jiān)控計算機(jī)25，無線網(wǎng)關(guān)M具有內(nèi)嵌的太陽角度跟蹤數(shù)據(jù)庫和陰影規(guī)避算法，無線網(wǎng)關(guān)M和中心監(jiān)控計算機(jī)25采用RS232/RS485/TCP-IP協(xié)議通信。系統(tǒng)采用無線自組網(wǎng)的形式，無線網(wǎng)關(guān)M可以根據(jù)無線支架跟蹤控制器22的MAC地址來決定是否允許加入該網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)關(guān)M根據(jù)內(nèi)嵌的太陽角度數(shù)據(jù)庫和陰影規(guī)避算法計算出跟蹤支架的控制信息， 然后發(fā)送到無線支架跟蹤控制器22，支架跟蹤控制器22執(zhí)行相應(yīng)的控制動作，并將支架當(dāng)前跟蹤狀態(tài)、故障等信息以一定頻率(IOs/次)通過無線協(xié)議向外發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)M，無線網(wǎng)關(guān)M和中心監(jiān)控計算機(jī)25通過RS232/RS485/TCP-IP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控中心可隨時查看跟蹤狀態(tài)和故障定位。當(dāng)支架跟蹤控制器22節(jié)點(diǎn)與無線網(wǎng)關(guān)M的距離較遠(yuǎn)時，可通過中繼路由23節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如圖2所示無線支架跟蹤控制器22的構(gòu)成包括無線通信模塊15、時鐘電路16、 故障保護(hù)電路13、繼電器控制電路14、限位反饋脈沖檢測電路12和微控制器11。其工作原理為無線通訊模塊15接收無線網(wǎng)關(guān)M發(fā)送來的控制信息，無線通訊模塊15將這些信息通過SPI方式或RS232方式發(fā)送到微控制器11，微控制器11會將當(dāng)前支架跟蹤狀態(tài)信息、 故障信息通過無線通訊模塊15、天線發(fā)送給無線網(wǎng)關(guān)M ；時鐘電路16采用時鐘芯片，用于系統(tǒng)時間同步，微控制器11接收無線網(wǎng)關(guān)M發(fā)來的系統(tǒng)時間，時鐘電路16據(jù)此對比和調(diào)整本地時間，避免中心監(jiān)控計算機(jī)25的時間與支架跟蹤控制器22的時間不一致出現(xiàn)的跟蹤精度不高問題；故障保護(hù)電路13在跟蹤設(shè)備發(fā)生故障或光伏面板在跟蹤過程中遇到障礙物時電機(jī)產(chǎn)生大電流，微控制器11自動在一定時間內(nèi)切斷電機(jī)電源而避免跟蹤支架的直流電機(jī)燒毀和光伏面板損壞，并把信息通過無線反饋至監(jiān)控中心，使維護(hù)人員在第一時間里能檢修跟蹤設(shè)備；限位反饋脈沖檢測電路12實(shí)現(xiàn)支架位置檢測(左限位、中位、右限位)和反饋脈沖，用以實(shí)現(xiàn)光伏跟蹤支架21的實(shí)時控制；繼電器控制電路14用于控制支架執(zhí)行電機(jī)的正反向電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，同時接受故障保護(hù)電路13的支架電機(jī)電源切斷信號。無線網(wǎng)關(guān)M通過工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)與每個無線支架跟蹤控制器22通信并和監(jiān)控中心通信采用RS232/RS485/TCP-IP協(xié)議；使用基于IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)，以一定間隔向支架跟蹤控制器22發(fā)送控制指令和支架控制信息，并接收支架跟蹤控制器22通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的跟蹤狀態(tài)、故障信息，再通過TCP/IP協(xié)議將跟蹤狀態(tài)、故障信息轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心。無線中繼路由23用于支架跟蹤控制器22和無線網(wǎng)關(guān)M之間的中繼路由，多個無線支架跟蹤控制器、多個無線中繼路由23和無線網(wǎng)關(guān)M可組成自組織多跳的Mesh網(wǎng)絡(luò)，無線支架跟蹤控制器22本身可以充當(dāng)路由功能。在中心監(jiān)控計算機(jī)25上布置有監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)庫；監(jiān)控軟件有人機(jī)交互畫面，用于顯示光伏跟蹤陣列當(dāng)前控制模式、跟蹤狀態(tài)、故障信息，可生成報表，數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理等。監(jiān)控軟件可選擇手動跟蹤、自動跟蹤、緊急跟蹤模式，向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送當(dāng)前控制模式和控制指令，無線網(wǎng)關(guān)再向下一級支架跟蹤控制器發(fā)送控制指令。本發(fā)明的基于無線網(wǎng)絡(luò)的光伏支架跟蹤控制方法，具體是通過無線網(wǎng)關(guān)采用太陽角度跟蹤算法和陰影規(guī)避算法計算出太陽能電池板的姿態(tài)控制數(shù)據(jù)。中心監(jiān)控計算機(jī)根據(jù)操作需求向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送自動跟蹤、手動跟蹤和緊急跟蹤模式切換和時鐘信息。自動控制模式下，無線網(wǎng)關(guān)將控制數(shù)據(jù)定期廣播發(fā)送至支架跟蹤控制器，支架跟蹤控制器實(shí)現(xiàn)一定時間間隔調(diào)整支架一次。手動模式下，支架跟蹤控制器按照監(jiān)控計算機(jī)的設(shè)定，可分組或任意調(diào)整單個跟蹤支架的運(yùn)動姿態(tài)。緊急模式下，惡劣氣象報警特殊情況下(大風(fēng)、大雪、冰雹等)，監(jiān)控計算機(jī)將操作人員的操作指令通過無線發(fā)送至終端的支架跟蹤控制器，控制光伏支架將全部光伏電池板調(diào)整到最安全的位置，減輕惡劣氣侯給系統(tǒng)帶來的損害。其中太陽角度天文算法和陰影規(guī)避方法內(nèi)嵌于無線網(wǎng)關(guān)。太陽角度天文算法具體是根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，計算出太陽在當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章鋾r間和太陽的方位角、高度角，再計算出光伏電池板的運(yùn)行角度，然后通過幾何方法得到支架極軸的位置長度和轉(zhuǎn)到目標(biāo)長度所需脈沖數(shù)，最后由支架跟蹤控制器完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)以使光伏陣列處于最佳發(fā)電效率位置。陰影規(guī)避方法是根據(jù)光伏面板東西向間距和太陽的方位角、高度角，利用數(shù)學(xué)模型方法，使得計算的目標(biāo)角度控制在一定范圍內(nèi)，避免陰影產(chǎn)生，提高發(fā)電效率。通過太陽角度天文算法和數(shù)學(xué)模型方法得到光伏電池板陰影規(guī)避算法，具體計算步驟如下
步驟1 首先根據(jù)太陽角度天文算法計算從某開始時間到某結(jié)束時間間隔N分鐘的太陽天頂角位置和方位角位置。方法如下
太陽赤緯=0.3723 + 23. 2567sin θ + 0. 1149sin2 θ - 0. 1712sin3 θ -0.758cos θ + 0.3656cos2 θ + 0.0201cos3 θ 式中 θ 稱日角，g卩 θ =2 Jit / 365.2422。這里t又由兩部分組成，即 t=N — NO
式中N為積日，所謂積日，就是日期在年內(nèi)的順序號，例如，1月1日其積日為1，平年12 月31日的積日為365，閏年則為366，等等。N0=79. 6764 + 0. 2422X (年份一1985) — INT〔(年份一1985) / 4〕。步驟2 計算太陽面板角度。已知太陽的方位角和天頂角或俯仰角，可以計算出太陽帆法向方向與水平面的夾角，這樣可以計算出要求太陽電池板轉(zhuǎn)的角度，方法如下
Btar = arctg{ctg{E). sin( ^4))
其中E為太陽俯仰角，A為太陽方位角，Btar為太陽電池板的目標(biāo)角度。步驟3 根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算調(diào)整以后的光伏電池板與水平面的夾角，以達(dá)到陰影規(guī)避的效果。通過計算控制東西向的光伏電池板之間沒有陰影。如附圖3所示。方法如下
權(quán)利要求
1.一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于包括光伏跟蹤支架 (21)、支架跟蹤控制器(22)、無線網(wǎng)關(guān)(24)及中心監(jiān)控計算機(jī)(25)，光伏跟蹤支架(21)連接支架跟蹤控制器(22)，支架跟蹤控制器(22)通過無線網(wǎng)關(guān)(24)連接中心監(jiān)控計算機(jī) ⑵)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于包括無線中繼路由(23)，支架跟蹤控制器(22)通過無線中繼路由(23)和無線網(wǎng)關(guān)(24)連接中心監(jiān)控計算機(jī)(25)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于 所述的無線網(wǎng)關(guān)(24)具有內(nèi)嵌的太陽角度跟蹤數(shù)據(jù)庫和陰影規(guī)避算法，無線網(wǎng)關(guān)(24)和中心監(jiān)控計算機(jī)(25)采用RS232/RS485/TCP-IP協(xié)議通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于 所述的中心監(jiān)控計算機(jī)(25)有監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控軟件有人機(jī)交互畫面，顯示光伏跟蹤陣列當(dāng)前控制模式、跟蹤狀態(tài)、故障信息，并可生成報表、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理；監(jiān)控軟件具有手動跟蹤、自動跟蹤和緊急跟蹤模式。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的光伏跟蹤支架(21)由執(zhí)行電機(jī)(17)、傳動機(jī)構(gòu)(18)及傳感器(19)構(gòu)成，傳動機(jī)構(gòu)(18)采用步進(jìn)轉(zhuǎn)變機(jī)構(gòu)，采用被動式跟蹤，不需光電傳感信號；傳感器(19)具有光伏跟蹤支架左限位、 右限位、中限位信號輸出和反饋脈沖輸出功能，實(shí)時提供給支架跟蹤控制器相關(guān)反饋信息。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的支架跟蹤控制器(22)由故障保護(hù)電路(13)、時鐘電路(16)、繼電器控制電路(14)、限位反饋脈沖檢測電路(12)、無線通訊模塊(15)和微控制器(11)構(gòu)成，時鐘電路(16)采用時鐘芯片；無線通訊模塊(15)采用基于IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的WIA/ZigBee工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。
7.一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤控制方法，其特征在于采用自動模式、手動模式和緊急模式三種跟蹤模式并采用太陽角度跟蹤算法和陰影規(guī)避算法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，其中的自動模式是在進(jìn)行設(shè)定后，從無線網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫獲取信息，制定出一年不同時節(jié)太陽能電池板的姿態(tài)控制數(shù)據(jù)，將這些控制數(shù)據(jù)無線發(fā)送到支架跟蹤控制器后，光伏跟蹤支架在一定間隔自動調(diào)節(jié)運(yùn)動姿態(tài)；手動模式是在進(jìn)行手/自動切換設(shè)定后，中心監(jiān)控計算機(jī)將指令以無線方式發(fā)送到支架跟蹤控制器后，所有光伏跟蹤支架執(zhí)行相應(yīng)動作，調(diào)整運(yùn)動姿態(tài)；緊急模式是在獲得惡劣氣象報警特殊情況后，監(jiān)控中心通過操作人員的介入，將全部太陽電池板調(diào)整到最安全的位置，減輕惡劣氣侯給系統(tǒng)帶來的損害；太陽角度跟蹤算法和數(shù)據(jù)庫內(nèi)嵌于無線網(wǎng)關(guān)，是根據(jù)天文算法計算出太陽在某地的日出日落時間，再計算出太陽能電池板的運(yùn)行角度，然后通過幾何計算方法得到支架臂的位置長度和轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度所需脈沖數(shù)，最后由支架跟蹤控制器完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)以使光伏陣列處于最佳發(fā)電效率位置；陰影規(guī)避算法內(nèi)嵌于無線網(wǎng)關(guān)，是根據(jù)太陽的位置自動調(diào)節(jié)太陽能電池板的角度，使相鄰的跟蹤系統(tǒng)太陽能電池板之間沒有陰影，避免由于陰影造成能源損失，以最大限度地利用太陽能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤控制方法，其特征在于 所述的陰影規(guī)避算法是根據(jù)光伏面板東西向間距和太陽角度天文算法計算得到太陽的方位角、高度角，再利用數(shù)學(xué)模型方法，使得計算的目標(biāo)角度控制在一定范圍內(nèi)，避免陰影產(chǎn)生，提高發(fā)電效率，其具體計算方法步驟如下步驟1 首先根據(jù)太陽角度天文算法計算從某開始時間到某結(jié)束時間間隔N分鐘的太陽天頂角位置和方位角位置，方法如下太陽赤緯=0.3723 + 23. 2567sin θ + 0. 1149sin2 θ - 0. 1712sin3 θ -0. 758cos θ + 0. 3656cos2 θ + 0. 0201cos3 θ，式中 θ 稱日角，即 θ =2 ji t / 365.2422， t由兩部分組成，即t=N — N0，式中N為積日，就是日期在年內(nèi)的順序號；N0=79. 6764 + 0. 2422X - INT〔 / 4〕；步驟2:計算太陽面板角度；已知太陽的方位角和天頂角或俯仰角，計算出太陽帆法向方向與水平面的夾角，計算出要求太陽電池板轉(zhuǎn)的角度，方法如下Btar = arctg(ctg{E) ■ sin( A)),式中E為太陽俯仰角，A為太陽方位角，Btar為太陽電池板的目標(biāo)角度；步驟3 根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算調(diào)整以后的光伏電池板與水平面的夾角，達(dá)到陰影規(guī)避的效果，通過計算控制東西向的光伏電池板之間沒有陰影，方法如下Z/皿(約=忑·￡/_ ),式中，5為太陽光線與水平面東西向夾角，在0 90度范圍內(nèi)變化；a為電池板與太陽光線之間的夾角，計算得到相應(yīng)的夾角達(dá)到陰影規(guī)避效果的光伏電池板與水平面的夾角f ； 步驟4 計算支架極軸，方法如下Lyi = sqrt ( L2S +L1xi-2- cos(^) ■ Ljs ■ Lx, ), A 為極軸變化后 Lxz 與的夾角，A值區(qū)間 、1.
A=45+ ^ +A0 、2.
Α=45- ε +A0 初始夾角由下式計算得到A0=arccos (￡2JS +4^ — Z2m ) Λ2 ■)，其中Atl為一 45°時支架極軸最短時支架主軸Ijs與支架橫粱Ilji7間的初始夾角，Ljs、Lxr為標(biāo)注長度，支架橫粱與極軸交點(diǎn)為Y，在極軸伸長最短時，支架橫粱與極軸交點(diǎn)為支架極軸轉(zhuǎn)動支點(diǎn)為Ζ，為Z到X的長度，值由測量得到或廠家提供，為支架極軸最短時對應(yīng)的長度；由上述可計算得到不同的目標(biāo)角度e時，支架極軸對應(yīng)的絕對長度，由支架參數(shù)可以得到極軸長變化前后長度差對應(yīng)脈沖計數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的光伏單軸跟蹤系統(tǒng)及控制方法，包括光伏跟蹤支架(21)、支架跟蹤控制器(22)、無線網(wǎng)關(guān)(24)及中心監(jiān)控計算機(jī)(25)，光伏跟蹤支架(21)連接支架跟蹤控制器(22)，支架跟蹤控制器(22)通過無線網(wǎng)關(guān)(24)連接中心監(jiān)控計算機(jī)(25)。本發(fā)明采用工業(yè)無線通訊的分布式控制方式，不僅能自動根據(jù)太陽光方向來調(diào)整電池板朝向，且在跟蹤過程中不必人工干預(yù)，安裝方便，可大大減小施工布線的麻煩，結(jié)構(gòu)簡單、成本低；故障檢測保護(hù)功能可以提高系統(tǒng)在惡劣天氣條件下的自適應(yīng)能力；并且能夠最大限度地利用太陽能。
文檔編號G05D3/12GK102541089SQ20121000823
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者于立業(yè), 張云貴, 張農(nóng), 潘秋娟, 王麗娜 申請人:冶金自動化研究設(shè)計院