专利名称：基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及通信领域和光伏发电系统技术领域，特别涉及一种基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统及控制方法。
背景技术：
太阳能光伏发电有许多经济、社会和环境保护的积极意义，已成为全球发展最快的技术。其中光伏跟踪系统是通过自动跟踪太阳的运动轨迹，保持太阳能电池板随时正对太阳，使光伏电池板的表面尽量垂直于太阳的辐射光线获得更多的发电量。据统计，单轴跟踪系统发电性能比双轴的低3%-5%，总体发电水平比固定支架增加20%以上，因此单轴跟踪较双轴跟踪性价比高，具有结构简单、可靠性高、价格经济和土地使用率高等优点。目前在大型并网光伏跟踪系统中，通常采用PLC跟踪控制方式，根据安放点的经纬度信息计算太阳每天的高度角、方位角，并将相关数据存储在PLC软件中，这种方式大多在出厂时固定，不易再次进行开发和参数设定。此外，工业现场存在地域分散、光伏跟踪设备数量多、价值高、现场环境恶劣等问题，光伏发电企业需要对现场设备状态进行实时监控，以便出现问题时及时报警和处理。采用的工业监控网络一般是工业以太网与现场总线， 这两种方式都具有布线麻烦、接线复杂、维护困难、成本高等缺点，即便采用传统的无线数据采集及传输方式，也存在协议复杂、系统代价昂贵及功耗大的问题。一种基于工业无线传感网络的光伏单轴跟踪系统，采用基于IEEE802. 15. 4标准协议WIA/ZigBee无线通信网络，能较好的克服人工现场工作量大和无法保证数据实时有效性的缺点，能够有效解决有线方式在恶劣环境布线难度和成本较高、及信号线老化后系统的误报警率和故障率不断上升的缺点。无线传输网络的自适应和自组织能力特点对于光伏发电系统的大面积、点分散的数据采集监控系统优势明显。在同一个无线个域网(WPAN) 上，可以存在6000多个无线节点装置，彼此可以通过多跳的方式传递信息。这灵活地解决了大规模光伏发电站进行光自动跟踪需要消耗大量的能源和成本问题。但是现有的控制方法一般采用太阳光信号变送器将检测的太阳光高度角、方位角，再将控制信息发送到控制节点，这种方式依赖于光信号检测装置，需要消耗大量能量，且现场光伏跟踪装置数量庞大，这对能源和经济上会造成很大的浪费。即便采用单个光信号检测装置，整个控制系统容易受天气变化的影响，不适应紧急模式和手动模式下的跟踪控制。常规的跟踪系统在恶劣天气(如大风、雨、雪等)条件下，跟踪系统不能及时自动故障保护，容易造成光伏阵列的损坏；一般的跟踪系统不能及时在光伏阵列有遮挡情况下进行阴影规避，也在一定程度上影响了太阳能的利用效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种安装方便、结构简单、成本低且能最大限度地利用太阳能的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统及其控制方法，从而克服上述现有技术的不足。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统。其构成包括光伏跟踪支架、支架跟踪控制器、无线网关及中心监控计算机， 光伏跟踪支架连接支架跟踪控制器，支架跟踪控制器通过无线网关连接中心监控计算机。上述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，还包括无线中继路由，支架跟踪控制器通过无线中继路由和无线网关连接中心监控计算机。前述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，所述的无线网关具有内嵌的太阳角度跟踪数据库和阴影规避算法，无线网关和中心监控计算机采用RS232/RS485/TCP-IP 协议通信。前述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，所述的中心监控计算机有监控软件和数据库，监控软件有人机交互画面，显示光伏跟踪阵列当前控制模式、跟踪状态、故障信息，并可生成报表、数据存储和数据处理；监控软件具有手动跟踪、自动跟踪和紧急跟踪模式。前述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，所述的光伏跟踪支架由执行电机、传动机构及传感器构成，传动机构采用步进转变机构，采用被动式跟踪，不需光电传感信号；传感器具有光伏跟踪支架左限位、右限位、中限位信号输出和反馈脉冲输出功能，实时提供给支架跟踪控制器相关反馈信息。前述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，所述的支架跟踪控制器由故障保护电路、时钟电路、继电器控制电路、限位反馈脉冲检测电路、无线通讯模块和微控制器构成，时钟电路采用时钟芯片，用于系统时间同步；无线通讯模块采用基于IEEE 802. 15. 4标准的WIA/ZigBee工业无线传感网络的通信协议。一种基于工业无线网络的光伏单轴跟踪控制方法。该方法采用自动模式、手动模式和紧急模式三种跟踪模式并采用太阳角度跟踪算法和阴影规避算法实现自适应控制，其中的自动模式是在进行设定后，从无线网关数据库获取信息，制定出一年不同时节太阳能电池板的姿态控制数据，将这些控制数据无线发送到支架跟踪控制器后，光伏跟踪支架在一定间隔自动调节运动姿态；手动模式是在进行手/自动切换设定后，中心监控计算机将指令以无线方式发送到支架跟踪控制器后，所有光伏跟踪支架执行相应动作，调整运动姿态；紧急模式是在获得恶劣气象报警特殊情况后，监控中心通过操作人员的介入，将全部太阳电池板调整到最安全的位置，减轻恶劣气侯给系统带来的损害；太阳角度跟踪算法和数据库内嵌于无线网关，是根据天文算法计算出太阳在某地的日出日落时间，再计算出太阳能电池板的运行角度，然后通过几何计算方法得到支架臂的位置长度和转到目标角度所需脉冲数，最后由支架跟踪控制器完成电机正反转以使光伏阵列处于最佳发电效率位置；阴影规避算法内嵌于无线网关，是根据太阳的位置自动调节太阳能电池板的角度，使相邻的跟踪系统太阳能电池板之间没有阴影，避免由于阴影造成能源损失，以最大限度地利用太阳能。上述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪控制方法，所述的阴影规避算法是根据光伏面板东西向间距和太阳角度天文算法计算得到太阳的方位角、高度角，再利用数学模型方法，使得计算的目标角度控制在一定范围内，避免阴影产生，提高发电效率，其具体计算方法步骤如下
步骤1 首先根据太阳角度天文算法计算从某开始时间到某结束时间间隔N分钟的太阳天顶角位置和方位角位置，方法如下
太阳赤纬=0.3723 + 23. 2567sin θ + 0. 1149sin2 θ - 0. 1712sin3 θ -0. 758cos θ + 0. 3656cos2 θ + 0. 0201cos3 θ，式中 θ 称日角，即 θ =2 ji t / 365.2422， t由两部分组成，即t=N — Ν0，式中N为积日，就是日期在年内的顺序号；N0=79. 6764 + 0. 2422X - INT〔 / 4〕；
步骤2:计算太阳面板角度；
已知太阳的方位角和天顶角或俯仰角，计算出太阳帆法向方向与水平面的夹角，计算出要求太阳电池板转的角度，方法如下
Star = arc￡g(c￡g(S) · sm(為)，式中E为太阳俯仰角，A为太阳方位角，Btar为太阳电池板的目标角度；
步骤3 根据数学模型计算调整以后的光伏电池板与水平面的夹角，达到阴影规避的效果，通过计算控制东西向的光伏电池板之间没有阴影，方法如下
￡/sm(5)=,式中，为太阳光线与水平面东西向夹角，在0 90度范围内
变化；α为电池板与太阳光线之间的夹角，计算得到相应的夹角达到阴影规避效果的光伏电池板与水平面的夹角f ；
步骤4 计算支架极轴。方法如下
Ln = sqrt ( Ilxz + 4y - 2 ■ cos(A). Lxz ■ Lxs )，A 为极轴变化后，Lsz 与 L恐的夹角，A
值区间
1.
A=45+ ？ +A0
2.
Α=45- ε +A0 初始夹角由下式计算得到
A0=arccos (.L2 ^+L2xro 一 )/(2 Lxz-Lxm )，其中 Atl 为一时支架极轴最短时
支架主轴L忍与支架横粱间的初始夹角，Lxz、Lx,,为标注长度，支架横粱与极轴交点
为Y，在极轴伸长最短时，支架横粱与极轴交点为支架极轴转动支点为Z，为Z到X
的长度，值由测量得到或厂家提供，为支架极轴最短时对应的长度；
由上述可计算得到不同的目标角度f时支架极轴对应的绝对长度，由支架参数可以得到极轴长变化前后长度差对应脉冲计数。本发明的有益效果本发明采用太阳角度跟踪算法和工业无线通讯的分布式控制方式，不仅能自动根据太阳光方向来调整电池板朝向，且在跟踪过程中不必人工干预，安装方便，可大大减小施工布线的麻烦，结构简单、成本低；故障检测保护功能可以提高系统在恶劣天气条件下的自适应能力；阴影规避算法可以避免由于阴影造成能源损失，以最大限度地利用太阳能。
图1是本发明的结构原理图2是无线支架跟踪控制器的结构原理图； 图3是本发明的太阳面板角度计算示意图；图4是本发明的支架极轴计算示意图。附图中的标记为13-故障保护电路，14-继电器控制电路，15-无线通讯模块， 16-时钟电路，17-执行电机，18-传动机构，19-传感器，21-光伏跟踪支架，22-支架跟踪控制器，23-无线中继路由，24-无线网关，25-中心监控计算机。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。
具体实施例方式如图1所示，一种基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，包括光伏跟踪支架21、支架跟踪控制器22、无线中继路由23、无线网关M及中心监控计算机 25，光伏跟踪支架21连接支架跟踪控制器22，支架跟踪控制器22通过无线网关M连接中心监控计算机25，无线网关M具有内嵌的太阳角度跟踪数据库和阴影规避算法，无线网关M和中心监控计算机25采用RS232/RS485/TCP-IP协议通信。系统采用无线自组网的形式，无线网关M可以根据无线支架跟踪控制器22的MAC地址来决定是否允许加入该网络。无线网关M根据内嵌的太阳角度数据库和阴影规避算法计算出跟踪支架的控制信息， 然后发送到无线支架跟踪控制器22，支架跟踪控制器22执行相应的控制动作，并将支架当前跟踪状态、故障等信息以一定频率(IOs/次)通过无线协议向外发送到无线网关M，无线网关M和中心监控计算机25通过RS232/RS485/TCP-IP实现数据通信，监控中心可随时查看跟踪状态和故障定位。当支架跟踪控制器22节点与无线网关M的距离较远时，可通过中继路由23节点进行转发。如图2所示无线支架跟踪控制器22的构成包括无线通信模块15、时钟电路16、 故障保护电路13、继电器控制电路14、限位反馈脉冲检测电路12和微控制器11。其工作原理为无线通讯模块15接收无线网关M发送来的控制信息，无线通讯模块15将这些信息通过SPI方式或RS232方式发送到微控制器11，微控制器11会将当前支架跟踪状态信息、 故障信息通过无线通讯模块15、天线发送给无线网关M ；时钟电路16采用时钟芯片，用于系统时间同步，微控制器11接收无线网关M发来的系统时间，时钟电路16据此对比和调整本地时间，避免中心监控计算机25的时间与支架跟踪控制器22的时间不一致出现的跟踪精度不高问题；故障保护电路13在跟踪设备发生故障或光伏面板在跟踪过程中遇到障碍物时电机产生大电流，微控制器11自动在一定时间内切断电机电源而避免跟踪支架的直流电机烧毁和光伏面板损坏，并把信息通过无线反馈至监控中心，使维护人员在第一时间里能检修跟踪设备；限位反馈脉冲检测电路12实现支架位置检测(左限位、中位、右限位)和反馈脉冲，用以实现光伏跟踪支架21的实时控制；继电器控制电路14用于控制支架执行电机的正反向电源，以实现电机正反转，同时接受故障保护电路13的支架电机电源切断信号。无线网关M通过工业无线网络与每个无线支架跟踪控制器22通信并和监控中心通信采用RS232/RS485/TCP-IP协议；使用基于IEEE802. 15. 4标准协议无线网络，以一定间隔向支架跟踪控制器22发送控制指令和支架控制信息，并接收支架跟踪控制器22通过无线网络发送的跟踪状态、故障信息，再通过TCP/IP协议将跟踪状态、故障信息转发给监控中心。无线中继路由23用于支架跟踪控制器22和无线网关M之间的中继路由，多个无线支架跟踪控制器、多个无线中继路由23和无线网关M可组成自组织多跳的Mesh网络，无线支架跟踪控制器22本身可以充当路由功能。在中心监控计算机25上布置有监控软件和数据库；监控软件有人机交互画面，用于显示光伏跟踪阵列当前控制模式、跟踪状态、故障信息，可生成报表，数据存储和数据处理等。监控软件可选择手动跟踪、自动跟踪、紧急跟踪模式，向无线网关发送当前控制模式和控制指令，无线网关再向下一级支架跟踪控制器发送控制指令。本发明的基于无线网络的光伏支架跟踪控制方法，具体是通过无线网关采用太阳角度跟踪算法和阴影规避算法计算出太阳能电池板的姿态控制数据。中心监控计算机根据操作需求向无线网关发送自动跟踪、手动跟踪和紧急跟踪模式切换和时钟信息。自动控制模式下，无线网关将控制数据定期广播发送至支架跟踪控制器，支架跟踪控制器实现一定时间间隔调整支架一次。手动模式下，支架跟踪控制器按照监控计算机的设定，可分组或任意调整单个跟踪支架的运动姿态。紧急模式下，恶劣气象报警特殊情况下(大风、大雪、冰雹等)，监控计算机将操作人员的操作指令通过无线发送至终端的支架跟踪控制器，控制光伏支架将全部光伏电池板调整到最安全的位置，减轻恶劣气侯给系统带来的损害。其中太阳角度天文算法和阴影规避方法内嵌于无线网关。太阳角度天文算法具体是根据当地经纬度，计算出太阳在当地的日出日落时间和太阳的方位角、高度角，再计算出光伏电池板的运行角度，然后通过几何方法得到支架极轴的位置长度和转到目标长度所需脉冲数，最后由支架跟踪控制器完成电机正反转以使光伏阵列处于最佳发电效率位置。阴影规避方法是根据光伏面板东西向间距和太阳的方位角、高度角，利用数学模型方法，使得计算的目标角度控制在一定范围内，避免阴影产生，提高发电效率。通过太阳角度天文算法和数学模型方法得到光伏电池板阴影规避算法，具体计算步骤如下
步骤1 首先根据太阳角度天文算法计算从某开始时间到某结束时间间隔N分钟的太阳天顶角位置和方位角位置。方法如下
太阳赤纬=0.3723 + 23. 2567sin θ + 0. 1149sin2 θ - 0. 1712sin3 θ -0.758cos θ + 0.3656cos2 θ + 0.0201cos3 θ 式中 θ 称日角，g卩 θ =2 Jit / 365.2422。这里t又由两部分组成，即 t=N — NO
式中N为积日，所谓积日，就是日期在年内的顺序号，例如，1月1日其积日为1，平年12 月31日的积日为365，闰年则为366，等等。N0=79. 6764 + 0. 2422X (年份一1985) — INT〔(年份一1985) / 4〕。步骤2 计算太阳面板角度。已知太阳的方位角和天顶角或俯仰角，可以计算出太阳帆法向方向与水平面的夹角，这样可以计算出要求太阳电池板转的角度，方法如下
Btar = arctg{ctg{E). sin( ^4))
其中E为太阳俯仰角，A为太阳方位角，Btar为太阳电池板的目标角度。步骤3 根据数学模型计算调整以后的光伏电池板与水平面的夹角，以达到阴影规避的效果。通过计算控制东西向的光伏电池板之间没有阴影。如附图3所示。方法如下
权利要求
1.一种基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，其特征在于包括光伏跟踪支架 (21)、支架跟踪控制器(22)、无线网关(24)及中心监控计算机(25)，光伏跟踪支架(21)连接支架跟踪控制器(22)，支架跟踪控制器(22)通过无线网关(24)连接中心监控计算机 ⑵)。
2.根据权利要求1所述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，其特征在于包括无线中继路由(23)，支架跟踪控制器(22)通过无线中继路由(23)和无线网关(24)连接中心监控计算机(25)。
3.根据权利要求1或2所述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，其特征在于 所述的无线网关(24)具有内嵌的太阳角度跟踪数据库和阴影规避算法，无线网关(24)和中心监控计算机(25)采用RS232/RS485/TCP-IP协议通信。
4.根据权利要求1或2所述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，其特征在于 所述的中心监控计算机(25)有监控软件和数据库，监控软件有人机交互画面，显示光伏跟踪阵列当前控制模式、跟踪状态、故障信息，并可生成报表、数据存储和数据处理；监控软件具有手动跟踪、自动跟踪和紧急跟踪模式。
5.根据权利1所述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，其特征在于所述的光伏跟踪支架(21)由执行电机(17)、传动机构(18)及传感器(19)构成，传动机构(18)采用步进转变机构，采用被动式跟踪，不需光电传感信号；传感器(19)具有光伏跟踪支架左限位、 右限位、中限位信号输出和反馈脉冲输出功能，实时提供给支架跟踪控制器相关反馈信息。
6.根据权利1所述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统，其特征在于所述的支架跟踪控制器(22)由故障保护电路(13)、时钟电路(16)、继电器控制电路(14)、限位反馈脉冲检测电路(12)、无线通讯模块(15)和微控制器(11)构成，时钟电路(16)采用时钟芯片；无线通讯模块(15)采用基于IEEE 802. 15. 4标准的WIA/ZigBee工业无线传感网络的通信协议。
7.一种基于工业无线网络的光伏单轴跟踪控制方法，其特征在于采用自动模式、手动模式和紧急模式三种跟踪模式并采用太阳角度跟踪算法和阴影规避算法实现自适应控制，其中的自动模式是在进行设定后，从无线网关数据库获取信息，制定出一年不同时节太阳能电池板的姿态控制数据，将这些控制数据无线发送到支架跟踪控制器后，光伏跟踪支架在一定间隔自动调节运动姿态；手动模式是在进行手/自动切换设定后，中心监控计算机将指令以无线方式发送到支架跟踪控制器后，所有光伏跟踪支架执行相应动作，调整运动姿态；紧急模式是在获得恶劣气象报警特殊情况后，监控中心通过操作人员的介入，将全部太阳电池板调整到最安全的位置，减轻恶劣气侯给系统带来的损害；太阳角度跟踪算法和数据库内嵌于无线网关，是根据天文算法计算出太阳在某地的日出日落时间，再计算出太阳能电池板的运行角度，然后通过几何计算方法得到支架臂的位置长度和转到目标角度所需脉冲数，最后由支架跟踪控制器完成电机正反转以使光伏阵列处于最佳发电效率位置；阴影规避算法内嵌于无线网关，是根据太阳的位置自动调节太阳能电池板的角度，使相邻的跟踪系统太阳能电池板之间没有阴影，避免由于阴影造成能源损失，以最大限度地利用太阳能。
8.根据权利要求7所述的基于工业无线网络的光伏单轴跟踪控制方法，其特征在于 所述的阴影规避算法是根据光伏面板东西向间距和太阳角度天文算法计算得到太阳的方位角、高度角，再利用数学模型方法，使得计算的目标角度控制在一定范围内，避免阴影产生，提高发电效率，其具体计算方法步骤如下步骤1 首先根据太阳角度天文算法计算从某开始时间到某结束时间间隔N分钟的太阳天顶角位置和方位角位置，方法如下太阳赤纬=0.3723 + 23. 2567sin θ + 0. 1149sin2 θ - 0. 1712sin3 θ -0. 758cos θ + 0. 3656cos2 θ + 0. 0201cos3 θ，式中 θ 称日角，即 θ =2 ji t / 365.2422， t由两部分组成，即t=N — N0，式中N为积日，就是日期在年内的顺序号；N0=79. 6764 + 0. 2422X - INT〔 / 4〕；步骤2:计算太阳面板角度；已知太阳的方位角和天顶角或俯仰角，计算出太阳帆法向方向与水平面的夹角，计算出要求太阳电池板转的角度，方法如下Btar = arctg(ctg{E) ■ sin( A)),式中E为太阳俯仰角，A为太阳方位角，Btar为太阳电池板的目标角度；步骤3 根据数学模型计算调整以后的光伏电池板与水平面的夹角，达到阴影规避的效果，通过计算控制东西向的光伏电池板之间没有阴影，方法如下Z/皿(约=忑·￡/_ ),式中，5为太阳光线与水平面东西向夹角，在0 90度范围内变化；a为电池板与太阳光线之间的夹角，计算得到相应的夹角达到阴影规避效果的光伏电池板与水平面的夹角f ； 步骤4 计算支架极轴，方法如下Lyi = sqrt ( L2S +L1xi-2- cos(^) ■ Ljs ■ Lx, ), A 为极轴变化后 Lxz 与的夹角，A值区间 、1.
A=45+ ^ +A0 、2.
Α=45- ε +A0 初始夹角由下式计算得到A0=arccos (￡2JS +4^ — Z2m ) Λ2 ■)，其中Atl为一 45°时支架极轴最短时支架主轴Ijs与支架横粱Ilji7间的初始夹角，Ljs、Lxr为标注长度，支架横粱与极轴交点为Y，在极轴伸长最短时，支架横粱与极轴交点为支架极轴转动支点为Ζ，为Z到X的长度，值由测量得到或厂家提供，为支架极轴最短时对应的长度；由上述可计算得到不同的目标角度e时，支架极轴对应的绝对长度，由支架参数可以得到极轴长变化前后长度差对应脉冲计数。
全文摘要
本发明公开了一种基于工业无线网络的光伏单轴跟踪系统及控制方法，包括光伏跟踪支架(21)、支架跟踪控制器(22)、无线网关(24)及中心监控计算机(25)，光伏跟踪支架(21)连接支架跟踪控制器(22)，支架跟踪控制器(22)通过无线网关(24)连接中心监控计算机(25)。本发明采用工业无线通讯的分布式控制方式，不仅能自动根据太阳光方向来调整电池板朝向，且在跟踪过程中不必人工干预，安装方便，可大大减小施工布线的麻烦，结构简单、成本低；故障检测保护功能可以提高系统在恶劣天气条件下的自适应能力；并且能够最大限度地利用太阳能。
文档编号G05D3/12GK102541089SQ20121000823
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者于立业, 张云贵, 张农, 潘秋娟, 王丽娜 申请人:冶金自动化研究设计院