专利名称：带有太阳方位跟踪装置的沙漠地区并网光伏发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光伏发电系统的太阳方位跟踪，尤其涉及一种带有太阳方位跟踪 装置的沙漠地区并网光伏发电系统。
技术背景 随着我国经济的持续高速发展，能源供应形势日趋紧张，无论是增加国内能源供 应还是利用国外资源，都面临巨大压力，能源需求的快速增长对资源的可供量、环境承担能 力，以及国家能源安全都提出了严峻的挑战。2007年8月，《中国可再生能源中长期发展规 划》(以下简称《规划》)颁布实施，《规划》致力于再生能源的利用，全力开发化石能源的替 代品。其中，太阳能具有储量丰富、无需运输、无污染三大优点而广受关注，《规划》明确沙漠 并网发电为光伏发电的重点；但太阳能也有两个缺点一是能量密度低；二是强度和方向 的不确定性，以及光照固有的间歇性。总之，光伏发电产业化基础较好，亟待解决的是成本 过高难题。并网光伏系统的发电量取决于太阳辐照度、太阳能电池板和逆变器的效率。商品 化电池板的转化效率最高为15. 7% -19. 2%，现有技术条件下提高转化率已非常困难；逆 变器变换效率高达90%以上，提升空间有限，采用太阳方位跟踪技术获取尽可能多的太阳 能是增加光伏系统发电量的有效途径。目前，光伏发电系统中使用的太阳方位自动跟踪主要有以下三种方法光电跟踪， 天文跟踪，光电结合天文跟踪。光电跟踪大多采用四象限光敏传感器检测太阳方位，控制跟 踪装置追踪太阳，属闭环控制；光电跟踪精度高，但多云情况下会出现盲走，而且对光敏传 感器的一致性、日常维护、信号处理的长期稳定性等均提出近乎苛刻的要求。天文跟踪根据 地球和太阳的相对运动规律，计算太阳运动轨迹进行跟踪，属开环控制；天文跟踪无需传感 器，但存在累积误差；考虑光伏发电装置支承结构的可靠性，采用地平坐标(太阳高度角和 方位角)是天文跟踪方法中公认的主流方案。光电结合天文跟踪则将光电和天文跟踪结合 在一起，两种方式互为补充。太阳方位自动跟踪技术的代表性研究成果如下1.发明专利“大型防风自动跟踪太阳采光装置”(专利号ZL02112553.8)，提出太 阳高度角和方位角的天文跟踪方法。2.发明专利“太阳自动跟踪电路”(申请号200610116616.0)，提出采用光敏传感
器的光电跟踪方法。3.发明专利“一种用于光伏发电的太阳方位自动跟踪方法及装置”(申请号 200910152899. 8)，提出光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪相结合的全天候二维太阳方位自动 跟踪方法。4.发明专利“基于无线网络的自动跟踪式光伏发电站监控系统”(申请号 200910153384. χ)，提出采用独立的光信号变送器获取太阳光强度、太阳光角度数据，经 ZigBee网络分发变送器跟踪数据，ZigBee同时收集光伏发电装置的工作参数，并经GPRS网 络远传至监控中心。[0009]上述有益探索的技术路线、方向是正确的，但仍存在改进和进一步完善的必要。首先，现有太阳方位跟踪完全拘泥于跟踪装置本身，科学的系统工程设计理念缺 位；太阳方位跟踪装置仅是光伏发电系统的一个单元，遵循系统工程设计理念，理应将跟 踪装置融入到光伏发电系统中进行整体设计一系统中的各单元协同工作进行太阳方位跟 踪，得出更合理有效的解决案。其次，从光伏发电系统的全局审视现有光电跟踪技术，显然光伏发电系统控制器 采集的太阳能电池板发电量作为跟踪的直接依据更合理、更简捷。比较各种光伏发电方式 的综合技术经济指标，《规划》将沙漠并网光伏发电作为发展的重点；沙漠环境中，现有光电 跟踪技术的稳定性与可靠性无法得到有效保证。理由如下保证四象限光敏传感器的一致 性以及长期一致性绝非易事，且传感器信号放大调理电路亦要求具有良好的一致性，技术 实现更难；沙漠地区的光敏传感器正常工作需要消除沙尘遮盖干扰，这在工程实施和运维 中几无可能；因此，应选择追踪装置之外的太阳能电池板发电量作为跟踪依据，同时根据发 电量的变化可解决长期困扰光电跟踪技术的云层干扰难题。其三，并网光伏发电系统大都处于无人值守、定期巡检的模式下运行，所以网络通 仅技术是光伏发电系统远程监控的必要条件；远程监控中心拥有完备的仪器仪表、实时精 确的气象资料、专业齐全训练有素的工程师，由远程监控中心而非太阳方位跟踪装置决定 其工作模式(晴、阴、雨模式)，充分体现了系统工程设计理念的科学性。晴天的太阳辐照对 发电量的贡献具有举足轻重的意义，但晴天的不同时段对发电量的贡献相差悬殊，因此太 阳方位跟踪在晴天模式下的不同时段应区别对待、考虑粗细跟踪精度。第四，GPRS属2. 5G通信技术，国家工信部规划中已列入限制发展，而且2. 5G的带 宽，速率较低，费用偏高，因此使用TD-SCDMA 3G技术替代2. 5G是技术进步的必然；同时并 网光伏发电运行中产生大量工况数据，全部通过公网实时上传会导致通信费用剧增，根据 运维要求对工况数据分类，可采用实时在线上传和巡检离线采集汇总技术。最后，太阳方位自动跟踪装置的机械传动副过多，如专利“太阳能光伏发电自动跟 踪系统”(申请号200910038907. 6)的低速直流电机带动絲杆伸缩的传动方案，专利“基于 地球太阳运行轨迹的单链条传动同步跟踪太阳光自动跟踪装置”(申请号200910147931. 3) 的电机、直齿轮、链条、链轮等组成的传动机构；传动副过多，对传动机构的可靠性及跟踪精 度均造成负面影响。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种带有太阳方位跟踪装置的沙 漠地区并网光伏发电系统。带有太阳方位跟踪装置的沙漠地区并网光伏发电系统包括远程监控中心、 TD-SCDMA 3G公网和局部范围的ZigBee无线网络三部分；ZigBee无线网络由1至N个光 伏发电子系统的ZigBee节点与光伏发电主系统的ZigBee协调器组成，光伏发电主系统 的ZigBee协调器包括控制器主控模块S3C2440、电能计量模块ADE7169、步进电机驱动模 块TA8435、TD-SCDMA无线模块TDM330、ZigBee协调器通信模块CC2430和无线USB模块 CYWUSB6935，光伏发电子系统的ZigBee节点包括主控模块S3C2440、ZigBee节点通信模块 CC2430和电能计量模块ADE7169，各光伏发电系统子系统借助局部范围的ZigBee无线网络交换信息；远程监控中心通过Internet、运营商的GGSN网关与TD-SCDMA相连，GGSN网 关对Internet、TD-SCDMA数据包进行协议转换；TD-SCDMA经光伏发电主系统的ZigBee/ TD-SCDMA网关接入ZigBee网络，光伏发电主系统的ZigBee协调器兼作ZigBee/TD-SCDMA 网关；光伏发电主系统的内部模块连接关系为光伏阵列依次与并网变换器、电网相连，光 伏阵列依次与步进电机、步进电机驱动模块相连，并网变换器与电能计量模块相连，主控模 块分别与步进电机驱动模块、并网变换器、电能计量模块、电网、ZigBee协调器通信模块、无 线USB模块、TD-SCDMA通信模块相连，并经TD-SCDMA通信模块接入TD-SCDMA公网；光伏发 电子系统的内部模块连接关系为光伏阵列依次与并网变换器、电网相连，光伏阵列依次与 步进电机、步进电机驱动模块相连，并网变换器与电能计量模块相连，主控模块分别与步进 电机驱动模块、并网变换器、电能计量模块、电网、ZigBee节点通信模块相连。 本实用新型与背景技术相比，具有的有益效果是1)有别于现有的天文结合光电的太阳方位跟踪方法，本实用新型基于系统工程设 计理念一协同系统的各单元实施太阳方位跟踪，提出天文结合光伏发电系统发电量的跟 踪方法，即从光伏发电系统的控制器提取发电量参数作为跟踪依据，消除了沙漠环境中光 电跟踪这一故障源，同时解决了长期困扰光电跟踪技术的云层干扰难题；既降低了成本和 运维要求，又提高了系统的可靠性和跟踪精度。2)由拥有完备的仪器仪表、实时精确的气象资料、训练有素专家的远程监控中心， 而非本地的太阳方位跟踪装置设定其晴、阴、雨工作模式，以及晴天工作模式下的粗细跟踪 精度；突破了把跟踪装置从光伏发电系统割裂出来单独设计的传统思路，简化了沙漠环境 中太阳方位跟踪装置的功能，进一步提高了系统的可靠性和跟踪精度。3)光伏发电子系统间通过ZigBee无线网络进行通信，采用定时唤醒的间歇工作 方式，节约电能；ZigBee网络的协调器兼做ZigBee/TD-SCDMA网关；通过TD-SCDMA 3G公网 与远程监控中心进行通信，增加了数据宽带和传输速率，降低了通信费用。4)光伏发电系统工况数据按运维要求分类，或经TD-SCDMA公网实时上传，或暂存 协调器在巡检时离线采集；采用TD-SCDMA公网实时在线上传与离线本地巡检无线USB采集 工况数据的策略，满足运维要求的同时减少了工况数据采集费用。5)跟踪装置的机械传动采用步进电机，减少了太阳方位跟踪装置的机械传动副； 步进电机中引入步距角细分技术，满足了天文跟踪以及晴天工作模式下粗细跟踪的不同精 度要求；使系统的可靠性和跟踪精度再次得到提升。
图1是带有太阳方位跟踪装置的沙漠地区并网光伏发电系统图；图2是本实用新型的光伏发电主系统的ZigBee协调器结构框图；图3是本实用新型的光伏发电主系统的ZigBee协调器流程图；图4是本实用新型的光伏发电子系统的ZigBee节点结构框图；图5是本实用新型的ZigBee模块内部功能实现电路图；图6是沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，带有太阳方位跟踪装置的沙漠地区并网光伏发电系统包括远程监控 中心、TD-SCDMA 3G公网和局部范围的ZigBee无线网络三部分；ZigBee无线网络由1至N 个光伏发电子系统的ZigBee节点与光伏发电主系统的ZigBee协调器组成，光伏发电主系 统的ZigBee协调器包括控制器主控模块S3C2440、电能计量模块ADE7169、步进电机驱动 模块TA8435、TD-SCDMA无线模块TDM330、ZigBee协调器通信模块CC2430和无线USB模 块CYWUSB6935，光伏发电子系统的ZigBee节点包括主控模块S3C2440、ZigBee节点通信模 块CC2430和电能计量模块ADE7169，各光伏发电系统子系统借助局部范围的ZigBee无线 网络交换信息；远程监控中心通过Internet、运营商的GGSN网关与TD-SCDMA相连，GGSN 网关对Internet、TD-SCDMA数据包进行协议转换；TD-SCDMA经光伏发电主系统的ZigBee/ TD-SCDMA网关接入ZigBee网络，光伏发电主系统的ZigBee协调器兼作ZigBee/TD-SCDMA 网关；光伏发电主系统的内部模块连接关系为光伏阵列依次与并网变换器、电网相连，光 伏阵列依次与步进电机、步进电机驱动模块相连，并网变换器与电能计量模块相连，主控模 块分别与步进电机驱动模块、并网变换器、电能计量模块、电网、ZigBee协调器通信模块、无 线USB模块、TD-SCDMA通信模块相连，并经TD-SCDMA通信模块接入TD-SCDMA公网；光伏发 电子系统的内部模块连接关系为光伏阵列依次与并网变换器、电网相连，光伏阵列依次与 步进电机、步进电机驱动模块相连，并网变换器与电能计量模块相连，主控模块分别与步进 电机驱动模块、并网变换器、电能计量模块、电网、ZigBee节点通信模块相连。如图2所示，所述的光伏发电主系统的ZigBee协调器包括控制器主控模块 S3C2440、电能计量模块ADE7169、步进电机驱动模块TA8435、TD-SCDMA无线模块TDM330、 ZigBee协调器通信模块CC2430和无线USB模块CYWUSB6935 ；TD-SCDMA无线模块TDM330通 过USB接口与控制器主控模块S3C2440的USB接口模块相连，USB接口模块的引脚1接+5V 电压，引脚1依次与电容Cl、地相连，引脚4、5、6接地，引脚2依次与电阻R1、电阻R3、地相 连，引脚3依次与电阻R2、电阻R4、地相连，主控模块核心板S3C2440的第P12、m 1引脚分别 与电阻Rl和R3的中间点、电阻R2和R4的中间点相连；主控模块核心板S3C2440的第K9、 P9、U13、L9引脚分别与ZigBee协调器通信模块CC2430的第13、14、15、16引脚相连；主控模 块核心板S3C2440的第H16、N9、E3、R11、K10、L11、T9引脚分别与无线USB模块CYWUSB6935 的第14、21、22、23、24、25、33引脚相接；主控模块核心板S3C2440的第T10、J10、K14引脚分 别与电能计量模块ADE7169的第5、8、36引脚相连；主控模块核心板S3C2440的第K2、K3、 J7、K5、K6分别与步进电机驱动模块TA8435的第5、6、7、8、9引脚相连。S3C2440分别通过串口 SPIO和SPIl与CC2430、CYWUSB6935接收/发送数据，其引 脚U13、E3作为GPIO端口，当引脚U13置低时，CC2430芯片SPI从机信号有效，ZigBee模块 激活；当引脚E3置低时，CYWUSB6935芯片SPI从机信号有效，无线USB模块激活。S3C2440 通过引脚RXD、电能计量模块ADE7169通过TXD引脚进行串口通信，S3C2440的引脚TlO使 能电能计量模块，电能计量模块的引脚8触发S3C2440产生中断。S3C2440的GPIO引脚K2、 K5、K6分别与步进电机驱动模块ΤΑ8435的引脚5、8、9相连，控制步进电机正反转和工作方 式，S3C2440的T0UT3引脚Κ3和T0UT2引脚J7分别与ΤΑ8435的引脚6、7相连，PWM控制步 进电机脉冲输入。ZigBee协调器查询接收光伏发电子系统的ZigBee节点上传的工况参数、同时兼作ZigBee/TD-SCDMA网关，转发远程监控中心下传的太阳方位跟踪控制命令；ZigBee 协调器对光伏发电系统工况数据按运维要求分类，通过TD-SCDMA无线模块TDM330接入 TD-SCDMA，实时远传光伏发电系统的重要工况参数，远程监控中心通过Internet与运营商 的GGSN网关相连，在线接收光伏发电系统上传的重要工况参数；一般工况参数巡检员手持 无线USB采集器通过无线USB模块CYWUSB6935、定时进行现场采集，采用离线方式汇总至远 程监测中心。电能计量部分不仅要计量由逆变器转换后的电能量和谐波量等，而且还要通过采集各种传感器的信息来监测太阳辐照量、太阳电池板温度、太阳电池阵列电压、蓄电池电压、 太阳电池阵列电流、蓄电池电流，是一个功能完善的数据采集系统。电能计量模块采用美国模 器件公司的ADE7169作为电能计量芯片，该电能计量芯片自带DSP和增强型8052MCU，将ADI 公司成熟的电能测量内核与微处理器、片内闪存、LCD驱动、实时时钟和智能电池管理电路结 合。电压传感器采集的电压信号，经滤波后通过49脚和50脚送入ADE7169，同样通过电流传 感器获得电流信号经滤波后送入ADE7169的52脚和53脚，进行有功功率、无功功率和视在功 率的电能计算，以及电压有效值(RMS)和电流有效值RMS的测量。如图3所示，图中上电后待对ZigBee模块、TD-SCDMA模块、无线USB模块和步进 电机驱动模块TA8435初始化完成，主控模块接收远程监控中心发送的工作模式和粗细跟 踪参数，并向光伏发电子系统转发远程监控中心的跟踪命令，随后主控模块接收并存储光 伏发电子系统上传的工况参数，对工况数据按运维要求分类，重要工况参数经TD-SCDMA实 时上传，非重要参数暂存ZigBee协调器由巡检员巡检时离线采集；工况参数处理完成再返 回至接收远程监控中心发送的工作模式和粗细跟踪参数步骤。重要工况参数包括步进电机 异常电压、电流值，光伏阵列温度值，按运维要求的统计发电量值(如每小时发电量等)，控 制器自检时发现的故障信息等。如图4所示，所述的光伏发电子系统的ZigBee节点包括控制器主控模块S3C2440、 ZigBee节点通信模块CC2430、电能计量模块ADE7169和步进电机驱动模块TA8435 ；电压传 感器采集电压信号经滤波后与ADE7169的第49、50引脚相连，电流传感器获得电流信号经 滤波后与ADE7169的第52、53引脚相连，电能计量模块ADE7169内的DSP和增强型8052MCU 相连，ADE7169的第5、8、36引脚分别与主控模块核心板S3C2440的第T10、J10、K14引脚相 连；主控模块核心板S3C2440的第K2、K3、J7、K5、K6分别与步进电机驱动模块TA8435的 第5、6、7、8、9引脚相连；主控模块核心板S3C2440的第K9、P9、U13、L9引脚分别与ZigBee 模块CC2430的第13、14、15、16引脚相连，ZigBee节点通信模块内的数据处理模块和射频 模块相连；电能值由ADE7169经串口发送至S3C2440，S3C2440通过SPI将所有工况参数经 CC2430射频模块发送至ZigBee协调器。如图5所示，ZigBee模块内部功能实现电路的CC2430集成芯片的引脚20、7、47、 41相连后与数字电路电源DVDD 3. 3V、电容C411、电容C71的一端相连，电容C411及电容 C71的另一端接地；引脚42与电容C421的一端相连，电容C421的另一端接地；引脚10与 电容C678的一端、电阻R406、按键Sl的一端相连，电容C678及按键Sl的另一端接地，电阻 R406的另一端与数字电路电源DVDD 3. 3V相连；引脚23与数字电路电源DVDD 3.3V及电 容C231的一端相连，电容C231的另一端接地；引脚24与模拟电路电源VCC1. 8及电容C241 的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221的另一端接地；引脚19与晶振Xl及电 容C191的一端相连，晶振Xl的另一端与引脚21及电容C121的一端相连，电容C191及电 容C121的另一端均接地；引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与 引脚43及电容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感 L2及电感L5的一端相连，电感L4及电感Ll的一端和电感L5的另一端相连，引脚33与电 感Ll的另一端相连，引脚32与电感L2及电感L4的另一端相连，电感L3的一端与电容C63 的一端相连，电容C63的另一端与天线ANTl相连；引脚25、27、28、29、30、31、35、36、37、38、 39,40与模拟电路电源乂01.8、电容(11、电容(101、电容0371的一端相连，电容C11、电容 C101、电容C371的另一端接地。如图6所示，沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪方法包括如下步骤1)远程监控中心设定沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪装置的晴、阴、 雨工作模式，以及晴天工作模式下的粗细跟踪精度，并通过Internet、GGSN、TD-SCDMA、光伏 发电主系统的ZigBee/TD-SCDMA网关传送至ZigBee网络；兼作ZigBee/TD-SCDMA网关的 ZigBee协调器转发远程监控中心设定的跟踪工作模式和跟踪精度，光伏发电主系统和光伏 发电子系统根据远程监控中心设定的跟踪工作模式和跟踪精度运行，ZigBee协调器由光伏 发电主系统主控模块和ZigBee协调器通信模块组成；2)雨天工作模式下沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪装置停止跟踪，光 伏阵列转至设定的太阳高度角和方位角，其中太阳方位角采用前一天太阳方位角，太阳高 度角采用如下计算公式H = 90° -| μ+/-β式中，μ是当地地理纬度；β是太阳直射点地理纬度；3)阴天工作模式下沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪装置采用天文跟 踪，晴天工作模式下沙漠地区并网光伏发电系统的太阳方位跟踪装置采用天文跟踪和光 伏发电系统发电量的跟踪，确定光伏阵列的太阳高度角和方位角，跟踪的起始、终止时间 由远程监控中心设定；光伏发电主系统和光伏发电子系统的控制器经步进电机驱动模块 ΤΑ8435、输出高度角和方位角对应的步进电机角位移所需的电脉冲信号；其中采用天文跟踪根据地球和太阳的相对运动规律，确定光伏阵列的太阳高度 角和方位角，步进电机跟踪精度选用缺省步距角，天文跟踪地平坐标的计算公式如下
权利要求一种带有太阳方位跟踪装置的沙漠地区并网光伏发电系统，其特征在于包括远程监控中心、TD SCDMA 3G公网和局部范围的ZigBee无线网络三部分；ZigBee无线网络由1至N个光伏发电子系统的ZigBee节点与光伏发电主系统的ZigBee协调器组成，光伏发电主系统的ZigBee协调器包括控制器主控模块S3C2440、电能计量模块ADE7169、步进电机驱动模块TA8435、TD SCDMA无线模块TDM330、ZigBee协调器通信模块CC2430和无线USB模块CYWUSB6935，光伏发电子系统的ZigBee节点包括主控模块S3C2440、ZigBee节点通信模块CC2430和电能计量模块ADE7169，各光伏发电系统子系统借助局部范围的ZigBee无线网络交换信息；远程监控中心通过Internet、运营商的GGSN网关与TD SCDMA相连，GGSN网关对Internet、TD SCDMA数据包进行协议转换；TD SCDMA经光伏发电主系统的ZigBee/TD SCDMA网关接入ZigBee网络，光伏发电主系统的ZigBee协调器兼作ZigBee/TD SCDMA网关；光伏发电主系统的内部模块连接关系为光伏阵列依次与并网变换器、电网相连，光伏阵列依次与步进电机、步进电机驱动模块相连，并网变换器与电能计量模块相连，主控模块分别与步进电机驱动模块、并网变换器、电能计量模块、电网、ZigBee协调器通信模块、无线USB模块、TD SCDMA通信模块相连，并经TD SCDMA通信模块接入TD SCDMA公网；光伏发电子系统的内部模块连接关系为光伏阵列依次与并网变换器、电网相连，光伏阵列依次与步进电机、步进电机驱动模块相连，并网变换器与电能计量模块相连，主控模块分别与步进电机驱动模块、并网变换器、电能计量模块、电网、ZigBee节点通信模块相连。
专利摘要本实用新型公开了一种带有太阳方位跟踪装置的沙漠地区并网光伏发电系统。系统包括局部范围的ZigBee无线网络、TD-SCDMA公网和远程监控中心三部分。ZigBee无线网络由1至N个光伏发电子系统的ZigBee节点与光伏发电主系统的ZigBee协调器组成，ZigBee协调器兼作ZigBee/TD-SCDMA网关；发电系统的工况数据按运维要求分类，或经TD-SCDMA实时上传，或暂存协调器巡检员巡检时离线采集；远程监控中心设定跟踪装置的晴、阴、雨工作模式和晴天模式下的粗细跟踪精度，太阳方位跟踪装置采用天文跟踪和光伏发电系统发电量的跟踪；太阳方位跟踪装置的机械传动则采用步进电机及步距角细分技术。本实用新型将跟踪装置融入光伏发电系统整体考虑，提升了系统的可靠性和跟踪精度、降低了运维费用。
文档编号G05D3/12GK201774274SQ20102050863
公开日2011年3月23日 申请日期2010年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者何姗, 叶建锋, 吴明光, 徐晓忻, 王慧芬 申请人:浙江大学