电源模块及应用其的光伏跟踪系统的制作方法

本实用新型属于太阳能光伏发电领域，由其涉及能够自供电的光伏跟踪系统及其中的电源模块。

背景技术：

随着现代化工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，新能源产业得到蓬勃发展，太阳能作为一种理想的清洁能源受到了越来越多的重视和应用。

随着光伏电站的大规模建设，为提高发电量，其中光伏跟踪系统在光伏应用中的份额也越来越高。光伏跟踪系统是通过实时跟踪太阳来实现增加光伏组件发电量的装置。光伏跟踪系统包括跟踪支架和跟踪控制器；跟踪控制器组成主要有电源单元，控制单元，驱动单元，检测单元，电机，角度传感器，光传感器，编码器，限位开关等。跟踪控制器是光伏跟踪系统的核心部分，控制跟踪支架按一定规律实时追踪太阳的位置。

现有跟踪控制器，需要外部提供电源，例如厂用电源或市电等。外部电源连接到跟踪控制器，跟踪控制器内部有电源模块，它将外部电源转换成所需的直流电源，如24VDC、12VDC、5VDC等，再为控制单元，驱动单元，电机，传感器等供电。外部供电的缺点在于，势必增加物料成本和建设成本，包括线缆成本、场地挖线缆沟或其他线缆敷设装置成本、配电设备成本、人工成本等；且外部供电连接部件较多，降低了系统供电的可靠性。外部供电方式不能适应没有电网的地区安装。

为了解决现有技术中太阳跟踪控制器需要外部供电，需要更多的物料成本、建设成本和维护成本的问题，出现了一种能够自供电的光伏跟踪系统，它利用发电设备，例如光伏发电设备或风力发电设备等所发的电能，提供给跟踪控制器使用。在跟踪控制器中，发电设备所发电能经电源模块转换后再为负载设备，如控制单元、驱动单元等供电。

现有技术中电源模块，仅具有电能转换功能，而无功率检测功能，无延时输出功能。当其应用到自供电的光伏跟踪系统中时，由于发电设备所发电能的不稳定性，将导致接入的负载设备频繁启动，不能稳定工作的缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种能够有效保证供电稳定性，避免负载设备频繁启动的适应于无电网地区的光伏跟踪系统所使用的电源模块。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种电源模块，设置于光伏跟踪系统中而用于转换发电装置所发电能并向光伏跟踪系统供电，所述电源模块包括将所述发电装置所发电能转换为所需电能信号并输出至所述光伏跟踪系统的转换电路，所述电源模块还包括在所述发电装置所发电能的功率持续达到设定值时控制所述转换电路延时启动工作的延时控制支路。

优选的，所述延时控制支路包括控制其是否工作的功率检测开关、对所述发电装置所发电能进行功率检测以判断其是否达到设定值的输入功率检测模块、与所述输入功率检测模块相连接并在所述发电装置所发电能的功率持续达到设定值时延时输出启动电压信号至所述转换电路的延时输出模块。

优选的，所述输入功率检测模块包括与所述发电装置的输出母线相连接的若干个串联的功率电阻、与串联的所述功率电阻相连接的开关管Q3，所述输入功率检测模块的输出由所述开关管Q3提供。

优选的，所述发电装置的输出母线还连接有若干个串联的分压电阻，所述开关管Q3的G极与串联的所述分压电阻相连接，所述开关管Q3的D极与串联的所述功率电阻相连接，所述开关管Q3的S极为所述输入功率检测模块的输出。

优选的，所述延时输出模块包括与所述输入功率检测模块相连接的延时电阻、与所述延时电阻相连接的延时电容、与所述延时电容相连接的开关管Q6、连接于所述延时电容与地之间的开关管Q4，所述延时输出模块的输出由所述开关管Q6和所述开关管Q4提供。

优选的，所述延时电阻包括相串联的定值电阻和可变电阻。

优选的，所述延时电容包括两个并联的定值电容。

优选的，所述开关管Q6的G极与所述输入功率检测模块相连接，所述开关管Q6的D极与所述延时电阻和所述延时电容的共同端相连接；所述开关管Q4的G极与所述延时电阻和所述延时电容的共同端相连接，所述开关管Q4的D极与地相连接；所述开关管Q6的S极和所述开关管Q4的S极共接而形成所述延时输出模块的输出。

优选的，所述延时输出模块还连接有放电回路。

优选的，所述放电回路包括串联的开关管Q8和放电电阻。

优选的，所述输入功率检测模块与所述延时输出模块之间连接有二极管，所述二极管的正极与所述输入功率检测模块相连接，所述二极管的负极与所述延时输出模块相连接。

优选的，所述延时输出模块反馈连接至所述功率检测开关。

优选的，所述延时控制支路通过开关控制电路而与所述转换电路相连接。

优选的，所述转换电路包括与所述发电装置相连接的输入防反接保护电路、与所述输入防反接保护电路相连接的输入滤波电路、与所述输入滤波电路相连接并在所述延时控制支路的控制下启动工作而进行电压变换的变压电路、与所述变压电路相连接而输出所述所需电压信号的输出模块。

优选的，所述输出模块包括5VDC稳压电路、12VDC稳压电路、24VDC整流滤波电路中的一种或几种的并接组合。

优选的，所述电源模块连接有用作备用电源的储能装置。

优选的，所述发电装置为太能发电装置。

本实用新型还提供一种能够稳定工作的自供电光伏跟踪系统，其技术方案是：

一种光伏跟踪系统，包括跟踪控制系统、光伏跟踪支架、在所述跟踪控制系统的控制下工作而带动所述光伏跟踪支架做追日运动的电机，所述光伏跟踪系统还包括前述任一种电源模块，所述电源模块与所述跟踪控制系统相连接。

优选的，所述跟踪控制系统包括用于产生控制信号的控制单元、与所述控制单元相连接并根据所述控制信号产生驱动信号来驱动所述电机的驱动单元、与所述控制单元相连接的编码器、与所述控制单元相连接的光传感器、与所述控制单元相连接的限位开关、与所述控制单元相连接的角度传感器、与所述控制单元相连接而实现与上位机通讯以及接收外接信号的通讯接口、与所述控制单元相连接的时钟电路、与所述控制单元相连接的控制按钮、与所述控制单元相连接的存储器、与所述控制单元相连接的显示屏、与所述控制单元相连接而反馈所述电机的电流的电流检测单元；所述电源模块分别与所述控制单元和所述驱动单元相连接并供电；所述外接信号包括风速信号、GPS信号、雨雪信号、辐照信号中的一种或几种。

优选的，所述电源模块与安装在所述光伏跟踪支架上的太阳能电池板相连接。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型的电源模块具有延时控制支路，能够实现在发电装置所发电能的功率持续达到设定值时控制转换电路延时启动工作的目的，从而避免转换电路在发电装置所发电能不稳定时即频繁启动而为负载供电的缺陷，有效保证了供电的稳定性；

2、本实用新型的具有自供电功能的光伏跟踪系统采用能够稳定供电的电源模块，从而其控制单元和负载单元等能够具有连续、稳定的电源供给，避免频繁启动而不能稳定工作的缺陷。

附图说明

附图1为光伏跟踪电站的系统框图。

附图2为光伏跟踪控制系统的系统框图。

附图3为电源模块的系统框图。

附图4为电源模块中输入功率检测模块和延时输出模块的原理图。

附图5为光伏跟踪系统的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一：如附图1所示，光伏电站包括光伏发电系统和光伏跟踪系统。光伏发电系统用于将太阳能转换为电能并输送给电网，其包括依次连接的太阳能电池板、汇流箱、逆变器、箱变、变压器，变压器与电网相连接而实现并网。还可以在汇流箱后设置蓄电池来存储太阳能电池板所发电能。光伏跟踪系统包括电源模块、利用电源模块供电的跟踪控制系统、与跟踪控制系统相连接的光伏跟踪支架，光伏跟踪支架上设置有电机，通过跟踪控制系统对电机的控制而实现带动光伏跟踪支架做追日运动，保证光伏跟踪支架上安装的光伏组件实时正对太阳。通常情况下，光伏发电系统和光伏跟踪系统是相互独立的，光伏发电系统将产生电能输入电网或蓄电池；光伏跟踪系统从厂用电源取电，驱动光伏跟踪支架运转，带动太阳能电池板实时追踪太阳。而当采用自供电的光伏跟踪系统时，将电源模块与安装在光伏跟踪支架上的太阳能电池板相连接，从而利用太阳能发电装置——太阳能电池板所发的电能作为电源。将太阳能电池板连接到电源单元时，采用从一串太阳能电池板的输出通过三通分支接头，引出一个支路到自供电光伏跟踪系统进行供电。电源模块还可以连接用作备用电源的储能装置，如超级电容等，通过太阳能电池板对储能装置充电，用作阳光较弱、夜晚或紧急情况下的后备电源。

如附图2所示，跟踪控制系统与电源模块相连接，它包括控制单元、驱动单元、编码器、光传感器、限位开关、角度传感器、通讯接口、时钟电路、控制按钮、存储器、显示屏、电流检测单元等。电源模块分别为控制单元和驱动单元供电。

控制单元用于产生控制信号。编码器、光传感器、限位开关、角度传感器、时钟电路、控制按钮分别与控制单元相连接。编码器向控制单元提供反映光伏跟踪支架的位移情况的编码信号，光传感器向控制单元提供反映环境光强情况的光感应信号，限位开关向控制单元提供反映光伏跟踪支架的位移是否达到限位状态的限位信号，角度传感器向控制单元提供反映光伏跟踪支架的角度状态的角度感应信号，时钟电路为控制单元提供时间信号，控制按钮用于向控制单元提供手动调节信号而实现手动调节光伏跟踪支架运转到任意角度。存储器、显示屏分别与控制单元相连接。控制单元将光伏跟踪支架的运行数据信息等保存到存储器中，控制单元还将光伏跟踪支架的运行数据信息传输给显示器进行实时显示。通讯接口与控制单元相连接，通过该通讯接口控制单元可以与上位机建立连接，实现监控光伏跟踪支架的运行状态，故障告警信息，历史数据远端保存，后台集中控制光伏跟踪支架运转任意角度，方便维护人员集中清洗组件面板、集中维护更换部件，集中调节至放平位置或最大倾角位置以提前做好抵御自然灾害准备。此外，通讯接口还能够接收外接信号并传给控制单元，外接信号包括风速信号、GPS信号、雨雪信号、辐照信号中的一种或几种。控制单元获取风速信号，以判断是否有大风，并在有大风时进行光伏跟踪支架放平保护。控制单元获取GPS信号，进行地理经纬度定位和时间校准，确保地理位置的精确定位和时钟精准度。控制单元获取雨雪信号，以控制光伏跟踪支架进入防雪模式和电池板冲洗模式。控制单元获取辐照信号，判断辐照量是否较低，并进行光伏跟踪支架放平不追踪的控制。电流检测单元用于向控制单元反馈电机的电流，故电流检测单元分别与电机和控制单元相连接。电流检测单元检测电机运转时的电流值，并实时输出给控制单元，当实时电流值大于阈值时，控制单元输出切断电机电源的指令，并进行电机过载告警。控制单元根据当前时间，经纬度，基于天文算法计算太阳的高度角和方位角，结合各传感器，编码器等数据，运算处理后，输出控制信号进而控制电机运转。

驱动单元则用于根据控制信号产生驱动信号，驱动单元与控制单元相连接，电机与驱动单元相连接从而基于驱动信号而运转，从而带动光伏跟踪支架做追日运行，保证光伏组件/太阳能电池板实时正对太阳。驱动单元采用晶体管和继电器复合方式实现驱动工作。控制单元发出动作指令，继电器先吸合，晶体管再接通电源；控制单元发出停止指令，晶体管先切断电源，继电器再释放。实现继电器吸合和释放瞬间，触点无电动作，避免了通断电时触点产生的电弧对继电器的影响，从而保证驱动单元的使用寿命。

光伏跟踪系统的电源模块用于将发电装置——太能能电池板所发电能——直流电转换成所需电能信号并输出给光伏跟踪系统的其他部分——控制单元、驱动单元等使用。所需电能信号包括24VDC、12VDC、5VDC中的一种或多种组合。

如附图3所示，电源模块包括将发电装置所发电能转换为所需电能信号并输出至光伏跟踪系统的转换电路以及在发电装置所发电能的功率持续达到设定值时控制转换电路延时启动工作的延时控制支路。

转换电路包括输入防反接保护电路、输入滤波电路、变压电路和至少一个输出模块。输入防反接保护电路与太阳能电池板相连接而获得输入电能信号，输入滤波电路与输入防反接保护电路相连接而对输入电能信号进行滤波处理，变压电路与输入滤波电路相连接而对滤波后的电能信号进行变压后输出，输出模块与变压电路相连接而输出所需电压信号。输出模块包括5VDC稳压电路、12VDC稳压电路、24VDC整流滤波电路中的一种或几种的并接组合。变压电路包括电源主控芯片U1、受电源主控芯片U1控制的变压器。当电源主控芯片U1工作时变压器才能工作。

延时控制支路就用于控制变压电路中的电源主控芯片U1是否启动工作。延时控制支路包括功率检测开关、输入功率检测模块、延时输出模块。功率检测开关用于控制延时控制支路是否工作，输入功率检测模块用于对发电装置所发电能进行功率检测以判断其是否达到设定值，延时输出模块与输入功率检测模块相连接，它在发电装置——太阳能电池板所发电能的功率持续达到设定值时延时输出启动电压信号至转换电路的电源主控芯片U1而启动其工作。延时输出模块反馈连接至功率检测开关。延时控制支路的输出通过开关控制电路而与转换电路中变压电路的电源主控芯片U1相连接。

如附图4所示，图中HV代表发电装置的输出母线的电压，即延时控制支路的输入功率检测模块的输入信号，VDD代表电源主控芯片U1的启动电压信号，即延时控制支路的延时输出模块的输出信号。

输入功率检测模块包括若干个串联的功率电阻和开关管Q3。串联的功率电阻的一端与发电装置的输出母线相连接，另一端与开关管Q3相连接，而输入功率检测模块的输出由开关管Q3提供。本实施例中，共采用四个功率电阻，分别为R45-R48。发电装置的输出母线还连接有若干个串联的分压电阻R37-R43的一端，开关管Q3的G极与串联的分压电阻的另一端相连接，开关管Q3的D极与串联的功率电阻相连接，开关管Q3的S极为输入功率检测模块的输出。

延时输出模块包括延时电阻和延时电容、开关管Q6、开关管Q4。延时电阻与输入功率检测模块的输出，即开关管Q3的S极相连接，延时电容的一端与延时电阻相连接，开关管Q6与延时电容相连接，而开关管Q4连接于延时电容与地之间，延时输出模块的输出由开关管Q6和开关管Q4提供。具体的，延时电阻包括相串联的定值电阻R51和可变电阻NTC2；延时电容包括两个并联的定值电容C1和C30。开关管Q6的G极与输入功率检测模块中开关管Q3的G极相连接，开关管Q6的D极与延时电阻和延时电容的共同端相连接。开关管Q4的G极与延时电阻和延时电容的共同端相连接，开关管Q4的D极经电阻R59而与地相连接；开关管Q6的S极和开关管Q4的S极共接而形成延时输出模块的输出VDD。延时电容的另一端与开关管Q3的G极之间通过开关管Q1的S极和D极相连接，开关管Q1的S极和D极之间还并接有稳压二极管D3以及电阻R44，稳压二极管D3的正极与开关管Q1的S极相连接，稳压二极管D3的负极与开关管Q1的D极相连接。开关管Q1的G极经电阻R56连接至电源主控芯片U1的启动电压信号VDD，开关管Q1的G极与地之间还连接有电阻R57。延时输出模块还连接有放电回路，放电回路包括串联的开关管Q8和放电电阻R52。开关管Q8的G极与开关管Q3的S极相连接，开关管Q8的S极与延时电阻和延时电容的共同端相连接，开关管Q8的D极连接放电电阻R52的一端，而放电电阻R52的另一端则连接至延时电容的另一端。输入功率检测模块与延时输出模块之间连接有二极管D11，二极管D11的正极与输入功率检测模块中开关管Q3的S极相连接，二极管D11的负极与延时输出模块的延时电阻相连接。在开关管Q3的S极与地之间还并接有四个电阻R49、R50、R58、R60。

上述电路中，Q1、Q3为NMOSFET，Q4、Q6、Q8为PMOSFET。

上述输入功率检测模块、延时输出模块实现功率检测与切换过程为：上电时，VDD为低（Q4导通，使VDD=Vq4th），Q1关断，Q1的DRAIN端（即Q3的gate端）电压由电阻分压决定，通过设定功率电阻的阻值，可以设定Q3的source端的电压，如果Q3进入到跟随器恒流模式，Vq3source=Vq3gate-Vq3th；同时通过R51和NTC对C1和C30充电，VDD上升，一段时间（延时）后达到VDD的启动电压，电源主控芯片U1正常启动，时间由R51和NTC共同决定。HV如果电压太低，Q3不会进入到恒流模式，source端的电压会很低，VDD不能使电源主控芯片U1启动。

电源主控芯片U1启动后，其由电源第三端供电，即通过变换电路对电能信号进行变换，此时其电压稍微高于启动电压，使Q1导通，使Q3关断，功率电阻关断，此时Q6的|Vg-Vs|>Vth，使VDD对Q4gate充电，Q4关断，同时由于D11的存在，无法放电，使VDD电位被锁住。Q8为放电回路，当HV断续达到功率时，在空余时间通过R52把电量放掉，延时电容充电时R52不工作。

HV升高时，Q3的GATE端电压跟随升高，Q3的Vref升高，使电流增大，功率上升，温度升高，NTC2阻值变小，充电速度变快，减少检测时间。

由此，当输入功率大于设定阈值，且持续一段时间时产生延时输出，来延时启动电源主控芯片。功率检测可以保证电源输出连接负载时，避免启动功率不够，造成负载设备频繁启动；延时输出，可以保证在太阳能电池板输出稳定条件下接入负载，避免对负载设备的冲击。

上述电源模块具有宽电压输入范围，200VDC～1000VDC，可以适用于不同数量的太阳能电池板串联接入。例如10块～22块范围内的电池板数量可选。在施工现场，可灵活选择数量接入。同时，宽输入电压范围，适用于各种天气下正常工作，晴天，多云，阴天，可在不同的阳光强弱程度下使用。当云层遮挡时，散射光照到电池板，电池板输出电压低，宽电压输入范围的光伏电源仍然可以开启，正常工作。

如附图5所示，自供电跟踪系统实现方法，早晨，太阳高度角较低，阳光较弱，电池板产生的电能较少。太阳能电池板连接到电源模块，输入功率检测，当功率大于设定阈值，持续设定的时间后，开启24VDC、12VDC、5VDC输出，同时断开功率检测开关。光伏跟踪系统供电部分启动后，进行程序参数初始化，检测时钟、按钮、角度传感器、光传感器、限位开关、风速等。判断系统是否存在故障，“是”，进行故障告警；“否”，进入模式选择，包括自动，手动，保护模式等。分别实现自动运行，手动调节，放平保护等。

光伏跟踪系统的工作状态特点是白天追踪太阳，夜晚放平保护。只要满足白天晴天，多云，阴天，跟踪系统正常工作即可，夜晚允许断电停止工作。

本方案的自供电光伏跟踪系统的优点是采用宽电压输入，基本满足光伏跟踪支架晴天，多云，阴天的工作需求。光伏跟踪系统在白天正常工作，基本不需要依靠储能装置就能够正常工作。光伏电源模块具有基于功率电阻设计的输入功率检测，基于RC设计的延时电路，基于MOSFET设计的切换开关。电路简单，工作稳定。

自供电跟踪系统的不同工况下的工作方式分析：

（1）晴朗天气，早晨时，阳光较弱，光伏电源模块检测功率大于设定值时，持续一定时间后开启输出。每次自启动时均需检测功率并延时开启。例如检测功率大于100W时，持续2分钟后开启输出，每次自启动时检测功率大于100W时，持续2分钟后开启输出。早晨时，设置延后跟踪。例如每天7:30开始跟踪，或太阳高度角高于5度时跟踪。傍晚时，光伏跟踪控制器设置提前打平保护。例如每天16:30打平，或太阳高度角低于5度时打平。

（2）多云阴雨天气，水平总辐照量低，但是满足光伏电源启动要求。例如水平总辐照量约50W/m²，20块电池板的总功率约450W，电压约570VDC。满足阴天有大风时，太阳能电池板打平动作的能量要求。

（3）异常天气或夜晚，水平总辐照量极低，不能满足光伏电源启动要求。可利用储能装置（超级电容）的储能，调节跟踪支架运行。例如乌云密布时，利用储能调节到放平位置。例如大雪时，利用储能调节到最大倾角位置，防止积雪覆盖电池板，造成电池板表面遮挡，积雪增加支架压力，在超过其额定标准的时候，会损坏支架。

（4）太阳能电池板发生故障，无输出时。利用超级电容的储能，人工干预，手动操作放平。或人工携带便携式24VDC电源，连接电机，驱动放平。

自供电光伏跟踪系统及其光伏电源模块，具有自供电功能，适应于电网未覆盖的地区，有效降低跟踪系统的安装复杂度，减少跟踪系统的配电设备和电源线缆的物料成本，减少安装铺设线缆的建设成本，减少后期电源维护成本，提高跟踪系统供电的可靠性。其中，电源模块具有功率检测功能和延时输出功能，有效保证了负载设备的供电连续性和稳定性。同时，自供电光伏跟踪系统配有储能装置，通过太阳能电池板进行充电，在阳光较弱或夜晚时，为跟踪系统提供后备电源。电源模块具有宽输入电压范围，适用于各种天气下正常工作，晴天，多云，阴天均可；适用于不同数量电池板的接入下正常工作。光伏跟踪系统采用闭环控制，自动消除跟踪误差，保证系统跟踪精度；具有实时检测电机电流功能，当电机发生过载时自动停机，提高系统的安全性；具有大风保护功能，当检测到大风时，驱动跟踪支架运转到放平位置，以便于跟踪支架抗风；具有GPS定位和时钟校准功能；具有后台监控管理功能，监测跟踪系统运行状态和故障告警，集中控制电站跟踪支架运转到指定角度，方便恶劣天气时提前保护和集中维护。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。