一种自动跟踪式太阳能光伏发电系统及方法与流程

本发明属于光伏发电控制技术领域，尤其涉及一种自动跟踪式太阳能光伏发电系统及方法。

背景技术：

太阳能是一种辐射量大、分布广、可利用时间长的清洁可再生能源。因此，太阳能发电技术被全面的研究与开发，但由于太阳能强度弱、连续性差、不稳定等缺点，使得利用太阳能发电效率低和发电不稳定。目前，在利用太阳能光伏发电时，很多太阳能电池板阵列基本上都是固定安装在一个方向，它无法保证太阳光对太阳电池板的垂直照射，使得太阳能电池不能充分利用太阳能资源，发电效率低。

解决这一问题的可行性的途径是实现对太阳的自动跟踪。太阳自动跟踪类似于向日葵效果，随着太阳位置的变化，相应自动地调整太阳电池的偏转角度，从而实现对太阳的跟踪。太阳自动跟踪技术能够使太阳光垂直照射在太阳电池板上，更好、更充分地利用了太阳能资源。据有关研究表明，平板太阳能发电阵列在进行太阳自动跟踪时，可以比原固定模式提高33％的效率。

目前跟踪设备从执行结构来看主要分为单轴和双轴两种方式，单轴跟踪一般是在东西方向跟踪太阳，而双轴跟踪是通过调整两个角度实现跟踪太阳。在太阳跟踪中多用的控制方式为光电跟踪和视日运动轨迹跟踪方式以及两种方式的结合。

光电跟踪主要通过使用光敏传感器，如光敏二极管，进行太阳运动方向的检测。首先，按照一定的方式将光敏传感器固定在太阳跟踪装置上，当太阳的位置发生变化时光敏传感器产生偏差电流，光电检测电路对偏差电流进行放大整形处理输出偏差信号给控制器，控制器接受偏差信号，驱动电机转动，使太阳的入射光线垂直照射在跟踪装置受光面上。

视日运动轨迹跟踪依据天文学中有关太阳天体运行规律的公式，计算跟踪装置当地太阳的日出日落时刻以及太阳的方位参数，再通过计算机编程控制电机转动，改变跟踪装置的偏置角。

申请号为cn201910651187的中国发明专利申请提出的一种基于爬山算法的光伏发电太阳方位跟踪系统及方法，利用光强传感器收集的能量数据，然后通过爬山算法分析数据精确得出太阳运动轨迹跟踪方式的二维太阳方位角和高度角。通过在太阳运动轨迹跟踪方式下加入爬山算法进行对太阳方位角和高度角的精确跟踪，能够较好的消除太阳运动轨迹跟踪方式的积累误差，提供太阳方位的跟踪精度。同时利用光强传感器把整个太阳方位自动跟踪装置分为两种工作模式，能够很好的解决天气变化对太阳方位跟踪稳定性的影响。同时相对较为复杂的光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式切换以及复用系统，更为的简便和实用，在一定程度上节约了电能的损耗。

申请号为cn200910111178的中国发明专利公开一种太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构，它包括太阳能聚光器阵列、高度角联动机构、方位角联动机构；太阳能聚光光伏发电阵列通过一套高度角驱动机构带动整个阵列的所有聚光器倾斜跟踪太阳高度角，通过一套方位角驱动机构带动整个阵列的所有聚光器绕其传动轴旋转跟踪太阳方位角。由于整个太阳能聚光光伏发电阵列，只采用一套太阳高度角驱动机构和一套太阳方位角驱动机构，就可实现整个阵列的所有聚光器二维联动跟踪太阳运行，跟踪成本低廉。而且由于太阳高度角驱动机构和太阳方位角驱动机构完全为简单的机械机构构成，制造容易，跟踪精度高，抗大风能力强。

然而，一方面，视日运动轨迹跟踪为时控，光控是闭环的控制系统，后者是开环的控制系统。对于闭环跟踪系统能够较精准的跟踪太阳，而开环跟踪系统往往在跟踪过程中造成误差积累；另一方面，不管是光控还是时控，都有赖于获取准确的相关参数数据才能使得控制模型或者控制策略有效，如果现场的相关参数传感器采集的数据不够准确，则得出的控制策略就不能实现有效的跟踪控制，反而会降低发电效率。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出一种自动跟踪式太阳能光伏发电系统及方法。所述太阳能光伏发电系统包括多个太阳能光电转换板以及控制该太阳能光电转换板状态变化的追踪控制装置以及多个不同地理方向的多个远程终端单元，所述多个远程终端单元通过现场边缘计算单元与所述追踪控制装置通信；所述现场边缘计算单元接收远端集中式控制平台发送的天气参数信息以及所述多个远程终端单元采集的现场状态传感信号信息后，所述追踪控制装置生成追踪控制指令；基于所述追踪控制指令，控制所述太阳能光电转换板的状态变化；所述状态变化包括所述太阳能光电转换板的角度变化和高度变化。本发明的技术方案能够最大程度的获取准确的控制参数，从而实现准确的自动跟踪控制。

在本发明的第一个方面，提出一种自动跟踪式太阳能光伏发电系统，所述系统包括太阳能光电转换板以及与所述太阳能光电转换板通信的追踪控制装置；

作为本发明的第一个优点，所述系统还包括分布于所述太阳能光电转换板周围的多个处于不同方位的远程终端单元，所述多个远程终端单元通过现场边缘计算单元与所述追踪控制装置进行数据通信；

所述远程终端单元包括光敏传感器和风速传感器，所述现场边缘计算终端与远端集中式控制平台无线通信；

作为本发明的第二个优点，所述现场边缘计算单元接收所述远端集中式控制平台发送的天气参数信息，所述天气参数信息包括所述太阳能光电转换板所处位置的第一风速信息以及第二天气类型信息；

所述多个远程终端单元分别通过所述光敏传感器采集第三光强信号，通过所述风速传感器采集第四风速信息，并将所述第三光强信号与所述第四风速信息发送给所述现场边缘计算单元；

所述现场边缘计算单元汇总所述多个远程终端单元的所述第三光强信号与所述第四风速信息后，生成控制调整信号；

作为本发明的第三个优点，所述追踪控制装置接收所述控制调整信号以及所述第一风速信息以及第二天气类型信息，将所述控制调整信号与所述第一风速信息以及第二天气类型信息进行比较后，生成追踪控制指令；

基于所述追踪控制指令，控制所述太阳能光电转换板的状态变化。

更具体的，作为体现上述优点的关键技术手段，所述远端集中式控制平台包括地理信息数据库，所述地理信息数据库保存有所述太阳能光电转换板的地理位置信息；

所述远端集中式控制平台通过实时天气数据库获取与所述地理位置信息对应的天气参数信息，并将其发送至所述地理位置信息对应的所述光电转换板的所述追踪控制装置。

所述现场边缘计算单元接收远端集中式控制平台发送的天气参数信息以及所述多个远程终端单元采集的现场状态传感信号信息后，所述追踪控制装置生成追踪控制指令；

基于所述追踪控制指令，控制所述太阳能光电转换板的状态变化；

所述状态变化包括所述太阳能光电转换板的角度变化和高度变化。

在本发明的第二个方面，提出一种太阳能光伏发电系统的自动跟踪控制方法，所述太阳能光伏发电系统包括多个太阳能光电转换板以及控制该太阳能光电转换板状态变化的追踪控制装置；

具体来说，在以所述每个太阳能光电转换板为圆心、半径为r的目标范围内，均布置有多个不同地理方向的多个远程终端单元，所述多个远程终端单元通过现场边缘计算单元与所述追踪控制装置通信。

所述现场边缘计算单元接收远端集中式控制平台发送的天气参数信息以及所述多个远程终端单元采集的现场状态传感信号信息后，所述追踪控制装置生成追踪控制指令，具体包括如下步骤：

s1：获取所述远程终端单元采集的现场状态传感信号信息，所述现场状态传感信号信息包括通过所述远程终端单元采集的现场风速信息与现场光强信息；

s2：基于所述现场风速信息与现场光强信息生成控制调整信号；

s3：获取所述远端集中式控制平台发送的天气参数信息，所述天气参数信息包括所述太阳能光电转换板所处位置的实时风速信息以及实时天气类型信息；

s4：基于所述天气类型信息，从预定的关系数据库中查找对应的光强信号范围；

s5：基于所述光强信号范围、控制调整信号、实时风速信息之一或者其组合，生成追踪控制指令。

其中，所述预定的关系数据库保存有不同地理位置的不同时间段的天气类型信息与光强信号范围的对应关系。

所述追踪控制指令基于所述光强信息和所述风速信息的多个时间序列值生成，

基于所述追踪控制指令，控制所述太阳能光电转换板的状态变化，具体包括：

基于多个光强信号值，太阳方位角驱动机构调整所述太阳能光电转化板的角度(太阳方位角)；

基于所述风速信息，太阳高度角驱动机构调整所述太阳能光电转化板的高度(太阳高高度角)。

本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的自动跟踪式太阳能光伏发电系统的整体示意图；

图2是图1所述实施例中远程终端单元(rtu)的分布示意图；

图3是图1所述实施例的系统工作原理示意图；

图4是利用图1所述系统实现的自动跟踪控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。

参见图1，是本发明一个实施例的自动跟踪式太阳能光伏发电系统的整体示意图。

在图1中，所述系统包括太阳能光电转换板以及与所述太阳能光电转换板通信的追踪控制装置。

所述系统还包括分布于所述太阳能光电转换板周围的多个处于不同方位的远程终端单元，所述多个远程终端单元通过现场边缘计算单元与所述追踪控制装置进行数据通信。

所述远端集中式控制平台包括地理信息数据库，所述地理信息数据库保存有所述太阳能光电转换板的地理位置信息；

所述远端集中式控制平台通过实时天气数据库获取与所述地理位置信息对应的天气参数信息，并将其发送至所述地理位置信息对应的所述光电转换板的所述追踪控制装置。

所述追踪控制装置内置控制数据库，所述控制数据库预先保存不同地理位置的不同时间段的天气类型信息与光强信号范围的对应关系。

在图1中，虽然未示出，所述远程终端单元包括光敏传感器和风速传感器，所述现场边缘计算终端与远端集中式控制平台无线通信；

所述多个远程终端单元分别通过所述光敏传感器采集第三光强信号，通过所述风速传感器采集第四风速信息，并将所述第三光强信号与所述第四风速信息发送给所述现场边缘计算单元。

在图1基础上，参见图2，是图1所述实施例中远程终端单元(rtu)的分布示意图。

图2中，所述多个处于不同方位的远程终端单元，包括处于预定目标范围内的四个不同地理方向的四个远程终端单元，所述预定目标范围为以所述太阳能光电转换板中心，半径为r的圆圈范围；所述四个不同地理方向为东南西北，所述四个远程终端分别位于所述圆圈的东南西北四个方向的圆周上。

所述第一终端单元(rtu1)、所述第二终端单元(rtu2)位于同一条直径上，所述第三终端单元(rtu3)、所述第四终端单元(rtu4)位于同一条直径上。

值得注意的是，在本发明的上述实施例中，首次使用了边缘计算单元与远程终端单元。

边缘计算指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算处于物理实体和工业连接之间，或处于物理实体的顶端。

本实施例所述的边缘计算单元，是指布置于所述光伏发电现场的用于实现本地现场的边缘计算的终端设备，能够避免数据堵塞，同时还可以和远端集中式控制平台支持的云计算配合。

远程终端单元(remoteterminalunit，rtu)，是一种针对通信距离较长和工业现场环境恶劣而设计的具有模块化结构的、特殊的计算机测控单元。

rtu可以用各种不同的硬件和软件来实现，取决于被控现场的性质、现场环境条件、系统的复杂性、对数据通信的要求、实时报警报告、模拟信号测量精度、状态监控、设备的调节控制和开关控制。由于各制造商采用的数据传输协议、信息结构和检错技术不同，各制造厂家一般都生产scada系统中配套的专用rtu.

本实施例的rtu是专用于光伏发电现场数据监测的测控模块。

在图1-图2基础上，参见图3。

所述现场边缘计算单元汇总所述多个远程终端单元的所述第三光强信号与所述第四风速信息后，生成控制调整信号；

所述追踪控制装置接收所述控制调整信号以及所述第一风速信息以及第二天气类型信息，将所述控制调整信号与所述第一风速信息以及第二天气类型信息进行比较后，生成追踪控制指令；

基于所述追踪控制指令，控制所述太阳能光电转换板的状态变化。

所述状态变化包括所述太阳能光电转换板的角度变化和高度变化。

这里的角度与高度分别可以是太阳高度角和太阳方位角。

在图1-图3基础上，进一步参见图4，给出了利用图1所述系统实现的自动跟踪控制方法流程示意图。

图4中，一种太阳能光伏发电系统的自动跟踪控制方法，所述太阳能光伏发电系统包括多个太阳能光电转换板以及控制该太阳能光电转换板状态变化的追踪控制装置；

在以所述每个太阳能光电转换板为圆心、半径为r的目标范围内，均布置有多个不同地理方向的多个远程终端单元，所述多个远程终端单元通过现场边缘计算单元与所述追踪控制装置通信；

所述现场边缘计算单元接收远端集中式控制平台发送的天气参数信息以及所述多个远程终端单元采集的现场状态传感信号信息后，所述追踪控制装置生成追踪控制指令；

基于所述追踪控制指令，控制所述太阳能光电转换板的状态变化；所述状态变化包括所述太阳能光电转换板的角度变化和高度变化。

所述现场边缘计算单元接收远端集中式控制平台发送的天气参数信息以及所述多个远程终端单元采集的现场状态传感信号信息后，所述追踪控制装置生成追踪控制指令，具体包括如下步骤：

s1：获取所述远程终端单元采集的现场状态传感信号信息，所述现场状态传感信号信息包括通过所述远程终端单元采集的现场风速信息与现场光强信息；

s2：基于所述现场风速信息与现场光强信息生成控制调整信号；

s3：获取所述远端集中式控制平台发送的天气参数信息，所述天气参数信息包括所述太阳能光电转换板所处位置的实时风速信息以及实时天气类型信息；

s4：基于所述天气类型信息，从预定的关系数据库中查找对应的光强信号范围；

s5：基于所述光强信号范围、控制调整信号、实时风速信息之一或者其组合，生成追踪控制指令。

其中，所述预定的关系数据库保存有不同地理位置的不同时间段的天气类型信息与光强信号范围的对应关系。

所述追踪控制指令基于所述光强信息和所述风速信息的多个时间序列值生成，

基于所述追踪控制指令，控制所述太阳能光电转换板的状态变化，具体包括：

基于多个光强信号值，调整所述太阳能光电转化板的角度；

基于所述风速信息，调整所述太阳能光电转化板的高度。

作为一个更具体的实施例，当所述rtu为图2所述的设置时，所述现场边缘计算单元汇总所述多个远程终端单元的所述第三光强信号与所述第四风速信息后，生成控制调整信号，具体包括：

获取所述第一终端单元、所述第二终端单元、所述第三终端单元和第四终端单元各自采集的所述第三光强信号l1、l2、l3、l4与第四风速信息

判断与与是否方向相同；

如果与与方向均相同，则所述控制调整信号为ct＝{avgl，maxv}’

其中，

如果仅与方向相同，则所述控制调整信号为：

ct＝{avgl，maxv}；

其中，

如果仅与方向相同，则所述控制调整信号为：

ct＝{avgl，maxv}；

其中，

所述追踪控制装置接收所述控制调整信号以及所述第一风速信息以及第二天气类型信息，将所述控制调整信号与所述第一风速信息以及第二天气类型信息进行比较后，生成追踪控制指令，具体包括：

所述追踪控制装置内置控制数据库，所述控制数据库预先保存不同地理位置的不同时间段的天气类型信息与光强信号范围的对应关系；

基于所述对应关系，所述追踪控制装置获取所述第二天气类型信息对应的光强信号范围；

判断所述控制调整信号中的avgl值是否落入所述光强信号范围；

如果是，则基于所述控制调整信号生成追踪控制指令；

如果否，则基于光强信号范围与所述控制调整信号中的maxv值生成追踪控制指令。

所述第二天气类型信息cweather＝{c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7}；

其中，c1代表阴天，c2代表晴天，c3代表多云，c4代表雨天，c5代表雪天，c6代表冰雹天，c7代表除c1-c6之外的其他天气；

所述表示风速信息的大小值，i＝1，2，3，4。

需要指出的是，在获得准确的所述光强信息和所述风速信息的多个时间序列值之后，具体如何生成追踪控制指令，以及基于追踪控制指令中的光强信号值和/或风速信息控制所述太阳能光电转换板的状态变化，本领域存在多种已知的现有技术，例如前述背景技术提到的光控和日控技术；

举例来说，对于光控技术，可以在获取光强信号值之后，当太阳的位置发生变化时光敏传感器产生偏差电流，光电检测电路对偏差电流进行放大整形处理输出偏差信号给控制器，控制器接受偏差信号，驱动电机转动，使太阳的入射光线垂直照射在跟踪装置受光面上。

对于日控技术，则可以根据风速信息校正所述太阳方位角的转动倾向，以纠正累积偏差。

当然，这不是本发明的重点，本发明的创造性之处在于在这之前所述光强信息和所述风速信息的数据获取以及准确性。

更多的如何基于已经获取的光强信息和所述风速信息生成追踪控制指令，可参见如下现有技术，本发明对此不再赘述。

f.r.rubio，m.g.ortega，f.gordillo.applicationofnewcontrolstrategyforsuntracking[j].energyconversionandmanagement，2007，48(7)：2174-2184

王尚文，高伟，黄树红.混合双轴太阳自动跟踪装置的研究[j].可再生能源，2007，25(6)：22-25

marlettwentzel，anastassiospouris.thedevelopmentimpactofsolarcookers：areviewofsolarcookingresearchinsouthafrica[c].energypolicy，2007，35(3)：1909-1919。

王海军，基于阴晴判断的混合双轴太阳跟踪判断系统[d].

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。