一种跟踪式光伏支架控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及光伏发电领域，尤其是一种跟踪式光伏支架控制系统及其控制方法。

背景技术

自动跟踪式光伏支架系统可以自动跟踪太阳位置，使固定在支架上的太阳能光伏组件时刻正对太阳，便于组件最大程度地接收太阳辐射，从而增加了发电效益，这对于高纬度地区尤其明显。光伏发电系统自动跟踪系统一般通过时控方式实现，将光伏组件安置点所在地理位置的太阳年运动轨迹数据输入系统，光伏组件按照设定时间自动调节俯仰角和水平角，实现太阳光的垂直入射。在该种控制模式下，若碰到阴雨天气环境光照变化量很小的情况下，也会按照设定频率工作，加大了机械运动部件的磨损，其机械运动部件的频繁转动都会造成自身故障率的提高，很大程度上影响其使用寿命。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种跟踪式光伏支架控制系统及其控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种跟踪式光伏支架控制系统，包括用于支撑光伏组件的双轴跟踪式光伏支架系统、环境光照控制系统，所述环境光照控制系统包括环境光照度测试仪、控制器，双轴跟踪式光伏支架系统、环境光照度测试仪均连接控制器；

所述双轴跟踪式光伏支架系统包括传动箱、俯仰运动角度传感器、水平转动角度传感器；

环境光照度测试仪包括太阳辐照度传感器和环境光照度测试仪底座，环境光照度测试仪底座带动太阳辐照度传感器对日跟踪；

所述俯仰运动角度传感器、水平转动角度传感器、太阳辐照度传感器连接控制器，并实时将光伏组件的俯仰角度、水平角度信息传递给控制器，并结合环境光照度测试仪的太阳辐照度传感器输出结果控制双轴跟踪式光伏支架系统的传动箱对光伏组件的角度进行调制控制。

进一步地，所述双轴跟踪式光伏支架系统还包括立柱、提供东西方向回转运动的垂直转轴、提供南北方向俯仰运动的水平转轴，垂直转轴、水平转轴位于传动箱内，立柱通过组件水平转动连接法兰连接垂直转轴，水平转轴通过组件俯仰运动连接法兰通过组件固定件连接光伏组件；

所述垂直转轴连接有垂直轴蜗杆减速机，垂直轴蜗杆减速机通过垂直轴传动链条连接有水平运动驱动电机，所述控制器通过回转电机驱动器连接水平运动驱动电机；

所述水平转轴连接有水平轴蜗杆减速机，水平轴蜗杆减速机通过俯仰运动传动链条连接俯仰运动驱动电机，所述控制器通过俯仰电机驱动器连接俯仰运动驱动电机。

进一步地，所述组件水平转动连接法兰上设有东西回转运动接近开关，传动箱底部设置有与其对应的东西回转运动挡块。

进一步地，所述水平转轴上设有水平轴连接挡块，传动箱对应水平轴连接挡块设置有俯仰运动限位开关。

进一步地，所述俯仰运动角度传感器位于水平转轴上，水平转动角度传感器位于垂直转轴上。

进一步地，所述环境光照度测试仪包括与底面夹角为45°的三棱锥台形辐照度传感器支座、用于固定三棱锥台形辐照度传感器支座的环境光照度测试仪底座，所述三棱锥台形辐照度传感器支座的四个面上分别设有太阳辐照度传感器，太阳辐照度传感器连接控制器。

进一步地，所述三棱锥台形辐照度传感器支座与底面平行的截面，定义为a面并作为基准面，另外3个面定义b1、b2、b3为对比面，太阳辐照度传感器分别设置在a、b1、b2、b3面上，环境光照度测试仪底座采用双轴跟踪式支架系统，作时保证基准面a持续追踪太阳轨迹，保持a面为太阳光直射面。

进一步地，所述双轴跟踪式支架系统包括测试仪立柱、提供东西方向回转运动的测试仪垂直转轴、提供南北方向俯仰运动的测试仪水平转轴，测试仪垂直转轴、测试仪水平转轴位于测试仪传动箱内，测试仪立柱连接垂直转轴，水平转轴连接有辐照度传感器支架，三棱锥台形辐照度传感器支座固定在辐照度传感器支架上。

一种跟踪式光伏支架控制方法，采用上述跟踪式光伏支架控制系统，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：

实时检测对应系统时间的环境光照度：

控制器每15分钟读取一次系统时间t，并记录该时刻和15分钟之前时刻环境光照度测试仪的基准面a的光照度值iat和iat-15,记录b1、b2、b3面t时刻光照强度ib1t、ib2t、ib3t；

步骤2：

判断光照强度大小：

判断步骤1中测得的iat光照度大小，小于200w/m²时，光照强度不足以驱动光伏逆变器工作，光伏组件保持静止不转动，进入步骤7；光照度大于200w/m²时，判断时间为上午还是下午；

步骤3：

判断系统时间：

(1)若t为上午时间且iat-iat-15≥100w/m²，进入步骤4，否则进入步骤1；

(2)若t为下午时间且|iat-iat-15|≥100w/m²，进入步骤4，否则进入步骤1；

步骤4：

光伏组件水平角调整：

由控制器读取光伏组件当前角度位置，与控制器存储的太阳轨迹数据进行对比，使光伏组件的方位角与与太阳轨迹数据一致，进行水平角跟踪；

步骤5：

判断是否需要调整光伏组件的俯仰角：

判断环境光照度测试仪基准a面和其他3个对比面b1、b2、b3的差值，既：(iat-ib1t)、(iat-ib2t)、(iat-ib3t)，只要其中任一差值超过100w/m²，进入步骤6，否则进入步骤1；

步骤6：

调整光伏组件的俯仰角：

由控制器读取光伏组件当前角度位置，与控制器存储的太阳轨迹数据进行对比，使光伏组件的俯仰角与与太阳轨迹数据一致，进行俯仰角跟踪，调整完重复步骤1；

步骤7：判断时间是否在18时和24时之间，如果是，进入步骤8，否则进入步骤1；

步骤8：控制器中各数据归零，当系统时间为24时，光伏组件回归零点。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

本发明提出了跟踪式光伏支架控制系统，采用时控的基础上，将光控信号作为调制信号。天气晴好时，环境光照度测试仪的基准面和对比面所接收到的光照强度差值足够大，光伏组件按照时控方式工作；当外界处于连续阴雨天气时，周围环境的光照环境由太阳直射变为散射辐射。散射辐射在水平四个方向的光照强度的差值相比直接辐射小的多，由此可以由环境光照度测试仪检测出周围环境的光强和四个方向光强的差值，以此信号实现光伏支架系统对日跟踪的控制。

附图说明

图1为双轴跟踪式光伏支架系统结构简图。

图2为双轴跟踪式光伏支架系统传动箱内部结构简图。

图3为环境光照度测试仪结构简图。

图4为图3的侧视图。

图5为环境光照度测试仪底座结构简图。

图6为跟踪式光伏支架系统整体示意图。

图7为控制器工作原理图。

图8为跟踪式光伏支架系统工作流程图。

图中，1-底座，2-立柱，3-传动箱，4-垂直转轴，5-水平转轴，6-光伏组件，7-组件俯仰运动连接法兰，8-组件水平转动连接法兰，9-水平运动驱动电机，10-电机链传动固定立板，11-俯仰运动传动链条，12-俯仰运动驱动电机，13-水平轴支撑轴承，14-组件固定件，15-垂直轴固定法兰，16-水平轴蜗杆减速机，17-俯仰运动角度传感器，18-水平轴连接挡块，19-俯仰运动限位开关，20-控制器，21-东西回转运动挡块，22-东西回转运动接近开关，23-垂直轴轴承，24-水平转动角度传感器，25-垂直轴蜗杆减速机，26-垂直轴传动链条，27-电缆出线口，28-三棱锥台形辐照度传感器支座，29-太阳辐照度传感器，30-环境光照度测试仪，31-辐照度传感器支架，32-测试仪底座，33-测试仪立柱，34-测试仪传动箱。

具体实施方式

结合图1到8对本发明的具体实施方式做进一步说明：

本发明解决了长时间阴雨天气条件下双轴跟踪式光伏支架依旧持续工作，增加机械磨损，造成系统稳定性降低的问题。跟踪式光伏支架控制系统及控制方法采用跟踪式光伏组件在需要才进行转动跟踪，降低能量损耗。

本发明在光伏支架系统采用时控的基础上，将光控信号作为调制信号。具体工作方式为：天气晴好时，环境光照度测试仪的基准面和对比面所接收到的光照强度差值足够大，光伏组件按照时控方式工作；当外界处于连续阴雨天气时，周围环境的光照环境由太阳直射变为散射辐射。散射辐射在水平四个方向的光照强度的差值相比直接辐射小的多，由此可以由环境光照度测试仪检测出周围环境的光强和四个方向光强的差值，以此信号实现光伏支架系统对日跟踪的控制。

跟踪式光伏支架控制系统，包括用于支撑光伏组件的双轴跟踪式光伏支架系统、环境光照控制系统，所述环境光照控制系统包括环境光照度测试仪30、控制器20，所述双轴跟踪式光伏支架系统包括传动箱3、俯仰运动角度传感器17、水平转动角度传感器24；所述俯仰运动角度传感器、水平转动角度传感器、环境光照度测试仪连接控制器，并实时将光伏组件的俯仰角度、水平角度信息传递给控制器，并结合环境光照度测试仪的输出结果控制双轴跟踪式光伏支架系统的传动箱对光伏组件的角度进行调制控制。

控制器内置系统时间计时器，同时存储有当地经纬度数据，不同季节和日期的太阳偏角数据，不同季节和日期在不同时刻的日照平均强度数据等。

双轴跟踪式光伏支架系统还包括立柱2、提供东西方向回转运动的垂直转轴4、提供南北方向俯仰运动的水平转轴5，垂直转轴、水平转轴位于传动箱内，立柱通过组件水平转动连接法兰8连接垂直转轴，水平转轴通过组件俯仰运动连接法兰7通过组件固定件14连接光伏组件6；所述垂直转轴连接有垂直轴蜗杆减速机25，垂直轴蜗杆减速机通过垂直轴传动链条26连接有水平运动驱动电机9，所述控制器通过回转电机驱动器连接水平运动驱动电机；所述水平转轴连接有水平轴蜗杆减速机16，水平轴蜗杆减速机通过俯仰运动传动链条11连接俯仰运动驱动电机12，所述控制器通过俯仰电机驱动器连接俯仰运动驱动电机。立柱通过底座1固定安装。

垂直轴蜗杆减速机、水平轴蜗杆减速机减速比80，用步进电机驱动，采用1:1链条传动。水平运动驱动电机、俯仰运动驱动电机为步进电机。

受电缆、传动箱体等的制约，回转运动和俯仰运动都无法完成整周旋转，为了防止碰撞，组件水平转动连接法兰上设有东西回转运动接近开关22，传动箱底部设置有与其对应的东西回转运动挡块21。水平转轴上设有水平轴连接挡块18，传动箱对应水平轴连接挡块设置有俯仰运动限位开关19。

俯仰运动角度传感器位于水平转轴上，水平转动角度传感器位于垂直转轴上。水平转轴通过水平轴支撑轴承13与传动箱连接，并留有转动间隙。立柱通过组件水平转动连接法兰连接垂直转轴，连接处加装垂直轴固定法兰15，垂直转轴通过垂直轴轴承23与传动箱、垂直轴固定法兰转动连接，并留有转动间隙。

传动箱内设有电机链传动固定立板10，水平运动驱动电机、俯仰运动驱动电机、水平轴蜗杆减速机、垂直轴蜗杆减速机均固定在电机链传动固定立板上。

传动箱设有电缆出线口27，由此铺设电源线和控制线为内部器件供电或者上传检测数据或者下达控制命令，作为信号传输通道。

环境光照度测试仪包括与底面夹角为45°的三棱锥台形辐照度传感器支座28、用于固定三棱锥台形辐照度传感器支座的环境光照度测试仪底座，所述三棱锥台形辐照度传感器支座的四个面上分别设有太阳辐照度传感器29，太阳辐照度传感器连接控制器。

三棱锥台形辐照度传感器支座与底面平行的截面，定义为a面并作为基准面，另外3个面定义b1、b2、b3为对比面，太阳辐照度传感器分别设置在a、b1、b2、b3面上，环境光照度测试仪底座采用双轴跟踪式支架系统，作时保证基准面a持续追踪太阳轨迹，保持a面为太阳光直射面。

双轴跟踪式支架系统包括测试仪立柱33、提供东西方向回转运动的测试仪垂直转轴、提供南北方向俯仰运动的测试仪水平转轴，测试仪垂直转轴、测试仪水平转轴位于测试仪传动箱34内，测试仪立柱连接垂直转轴，水平转轴连接有辐照度传感器支架31，三棱锥台形辐照度传感器支座28固定在辐照度传感器支架31上。测试仪立柱33通过测试仪底座32固定安装。

环境光照度测试仪的双轴跟踪式支架系统采用和跟踪式光伏支架控制系统的双轴跟踪式光伏支架系统采用相同的结构和工作原理，都能实现同步对日跟踪。

跟踪式光伏支架控制方法，采用上述跟踪式光伏支架控制系统，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1：

实时检测对应系统时间的环境光照度：

控制器每15分钟读取一次系统时间t，并记录该时刻和15分钟之前时刻环境光照度测试仪的基准面a的光照度值iat和iat-15,记录b1、b2、b3面t时刻光照强度ib1t、ib2t、ib3t；

步骤2：

判断光照强度大小：

判断步骤1中测得的iat光照度大小，小于200w/m²时，光照强度不足以驱动光伏逆变器工作，光伏组件保持静止不转动，进入步骤7；光照度大于200w/m²时，判断时间为上午还是下午；

步骤3：

判断系统时间：

(1)若t为上午时间且iat-iat-15≥100w/m²，进入步骤4，否则进入步骤1；

(2)若t为下午时间且|iat-iat-15|≥100w/m²，进入步骤4，否则进入步骤1；

步骤4：

光伏组件水平角调整：

由控制器读取光伏组件当前角度位置，与控制器存储的太阳轨迹数据进行对比，使光伏组件的方位角与与太阳轨迹数据一致，进行水平角跟踪；

步骤5：

判断是否需要调整光伏组件的俯仰角：

判断环境光照度测试仪基准a面和其他3个对比面b1、b2、b3的差值，既：(iat-ib1t)、(iat-ib2t)、(iat-ib3t)，只要其中任一差值超过100w/m²，进入步骤6，否则进入步骤1；

步骤6：

调整光伏组件的俯仰角：

由控制器读取光伏组件当前角度位置，与控制器存储的太阳轨迹数据进行对比，使光伏组件的俯仰角与与太阳轨迹数据一致，进行俯仰角跟踪，调整完重复步骤1；

步骤7：判断时间是否在18时和24时之间，如果是，进入步骤8，否则进入步骤1；

步骤8：控制器中各数据归零，当系统时间为24时，光伏组件回归零点。

例如，某天阴天，光照强度小于200w/m²，时间为上午10时，经双轴跟踪式光伏支架系统、环境光照控制系统采用上述方法综合判断，不对日追踪。

某一时刻，光照强度小于200w/m²，时间为晚上20时，经双轴跟踪式光伏支架系统、环境光照控制系统采用上述方法综合判断，不对日追踪，控制器中各数据归零，当系统时间为24时光伏组件回归零点。

某一时刻，测得iat为250w/m²，iat-15为400w/m²，照强度大于200w/m²时，时间为下午15时，|iat-iat-15|≥100w/m²，(iat-ib3t)≥100w/m²，经双轴跟踪式光伏支架系统、环境光照控制系统采用上述方法综合判断，调整光伏组件的水平角和俯仰角，对日追踪。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。