CN102269990B - 一种光伏发电阵列的智能控制网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光伏发电阵列的智能控制网络系统，包括智能控制中心模块、传感器组和由至少两组光伏电板模块组成的阵列组。传感器组包括风速风向传感器、空气沙尘传感器和GPS模块。光伏电板模块包括机械转动装置、微控制器、驱动电路和角度传感器。传感器组直接连接到智能控制中心模块，而光伏电板模块与智能控制中心用网络结构连接。本发明通过一个智能控制中心模块和一个高精度传感器组，同时控制一个由数十个或数百个光伏电板组成的光伏发电阵列，根据天气条件及太阳位置，实时调整每个光伏电板的机械状态，使得整个光伏电板阵列的发电量达到最大，同时兼顾设备的工作寿命与长期稳定性，降低了设备成本和维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能控制网络系统，尤其涉及一种光伏发电阵列的智能控制网络系统。
背景技术
普通硅基平板式光伏板的主要结构仅为光伏电池，结构固定且较为简单，而聚光式光伏板由高转换率光伏电池、聚光器（透镜或反射镜）、散热器、太阳能自动追踪器和恶劣天气应对装置组成，需要实时地调整光伏板的倾角与转角，最大程度地将入射太阳光聚集到光伏电池上，使系统发电量最大化，同时兼顾光伏板长期使用时的稳定性及使用寿命等问题。
目前用于聚光式光伏电板的控制系统通常由太阳能自动追踪器和恶劣天气应对控制器组成。太阳能自动追踪器由太阳位置传感器、数据存储器及相应的控制电路组成。从追踪控制的方法上可分为光强控制、时空控制和光强时空混合控制这三大类。恶劣天气应对控制器是由风向风速传感器及相应的反馈控制电路组成，当所测得的风速大于光伏电板机械结构所能承受的极限，控制电路将光伏电板调整到水平或其他受大风压力最小的位置。
采用光强控制的太阳自动追踪器由一组光敏电阻或电池及其相应的电流平衡电路构成，通过反馈电路实时地调整电板的机械状态，使得相对方向的光敏电阻或电池所测得的光电流完全相同。这种方法具有测量快、电路简单和易于实现等优点，但在多云和阴天、清晨和傍晚会出现无法跟踪或误追踪的问题。户外长期使用时，一旦光敏电阻或电池表面落入灰尘，光强测量的结果将出现严重误差。由于控制器计算能力和速度的限制，采用时空控制的追踪器预先将一年365天太阳位置的数据存入控制器，运行时控制器根据当前时间，对存储器中数据进行查表和拟合，得到当前太阳的位置。但太阳的位置与年份有关，简单地以一年为周期重复使用这些存入控制器的数据，会导致较大的追踪误差。采用光强时空混合控制的追踪器则使用光强测量与太阳位置数据相结合的办法，在太阳位置数据的基础上引入光强反馈，通过该光强反馈在天文数据附近做微调节，以此减小查表拟合法的长期误差。但光强测量部分仍然不能避免户外长期使用时稳定性与可靠性欠佳的问题，包括光敏电阻或电池长期使用时性能衰减的问题，因此这种方法并不能显著地降低追踪误差。
恶劣天气应对控制器方面，目前已知的系统只考虑了强风天气的因素。而在我国，太阳能资源丰富且适合安装聚光式光伏电站的地区大部分位于西北荒漠地带，这些地方沙尘暴天气频繁，这种沙尘对聚光式电板中的聚光器（透射镜或反射镜）会有很强的磨损，从而降低聚光效率。因此，恶劣天气应对控制器还需要对这类沙尘暴天气做出响应并给出合理的控制措施。
特别指出的是，降低聚光式光伏发电成本的首要条件是光伏板的规模化应用，也就是组建聚光式光伏发电阵列。目前已知的控制系统都是针对单个光伏板设计的，应用于大规模光伏发电阵列时，只简单地进行光伏电板数量的倍增，如图1所示。使用时，每个光伏电板都装有上述的太阳能自动追踪器和恶劣天气应对控制器，这样的结构增加了光伏发电站的硬件成本和维护费用。而为了控制成本，不得不采用低精度的控制器及传感器，使得太阳能自动追踪器和恶劣天气应对控制器在技术和最终性能上都受到了限制。
发明内容
为了弥补现有技术的欠缺，针对大规模光伏发电阵列，本发明从整个阵列的角度来构建控制网络系统，实现系统优化与综合管理。本发明公开这种智能控制网络系统。
本发明采用的技术方案是：一种智能控制网络系统，包括智能控制中心模块、传感器组和由至少两个光伏电板模块组成的阵列组，所述智能控制中心模块通过有线或无线的方式与光伏电板阵列模块连接，还通过网关与互联网连接，通过互联网对光伏电板阵列模块发出控制信号或查询工作状态，所述智能控制中心模块从一个高精度传感器组接收风速、风向、沙尘浓度、地理经纬度和时间的数据；
所述传感器组包括风速风向传感器、空气沙尘传感器和GPS模块，所述传感器组通过SPI、RS232或ADC采样口与智能控制中心模块连接，所述空气沙尘传感器用激光散射的方法，将测得的散射激光强度转化成空气中沙尘浓度的数据，所述GPS模块获取光伏电板阵列模块的地理经纬度数据，并与卫星上的原子钟同步，得到时间数据；
所述光伏电板控制模块包括机械转动装置、微控制器、驱动电路和角度传感器，所述微控制器通过SPI或RS232方式分别与角度传感器及驱动电路连接，所述微控制器接收智能控制中心模块发出的控制信号后，结合所述角度传感器测得的角度位置，对驱动电路进行反馈控制，驱动机械转动装置。
所述智能控制中心模块具有双精度浮点型数据的运算和处理能力，所述智能控制中心模块为数字信号处理器、高性能微控制器或高性能可编程逻辑控制器的一种。
所述智能控制中心模块与光伏电板连接方式为工业现场总线或以太网，通讯协议为RS232、RS485、Modbus、Zigbee或CAN。
所述光伏电板上的微控制器为普通性能的微控制器或普通性能的可编程逻辑控制器。
所述角度传感器为地磁传感器、霍尔传感器、加速度传感器或陀螺仪中的一种或多种。
本发明的优点是，通过一个智能控制中心模块同时控制一个光伏电板阵列模块，根据天气条件及太阳位置，实时调整每个光伏电板的机械状态，使得整个光伏电板阵列模块的发电量达到最大，同时兼顾设备的工作寿命与长期稳定性，降低了设备成本和维护成本。
更具体地表现在以下几个方面：
1、采用高性能数据处理器进行实时的天文学计算，在两千年范围数据精度高达0.0003度，极大的提高了数据的精确性，为光伏电板在任意时刻精确地正对太阳提供了前提条件，从而增加了光伏电站的发电量。
2、使用角度传感器对机械转动进行反馈控制，提高了机械转动的精度，也就是追踪太阳的精度，从而增加了光伏电站的发电量。
3、在恶劣天气尤其是沙尘暴天气，通过调整光伏电板的角度，减少了沙尘对聚光器的磨损，延长了光伏电板的工作寿命，增加了聚光式光伏电板在我国西北荒漠地区使用的长期稳定性和可靠性，从而降低了光伏电站的维护费用。
4、智能控制中心采模块用高性能处理器，高速地进行双精度浮点型数据的运算，而光伏电板采用普通性能的微处理器，进行简单的信号收发与控制，这样的硬件配置及集约式分工大大地降低了整个光伏电站控制系统的硬件成本。
5、智能控制中心与互联网连接，光伏电站的工作人员可以通过互联网远程地控制每个光伏电板，优化系统工作状态，只有当光伏电板发生严重故障时，才需要前往现场进行修理与维护，进一步降低了整个光伏电站的维护费用。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为背景技术的结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明中传感器组的结构示意图。
图4为本发明中光伏电板的结构示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
参照图2至图4，本发明的一种智能控制网络系统，包括智能控制中心模块、传感器组和由128个光伏电板阵列模块组成的阵列组，传感器组包括风速风向传感器、空气沙尘传感器和GPS模块，光伏电板阵列模块包括安装有机械转动装置、微控制器、驱动电路和角度传感器的光伏电板，智能控制中心模块采用TMS320系列的DSP，DSP通过SPI口与GPS模块连接，获取经纬度和时间数据，通过RS232口与风速风向传感器连接，获取风速、风向的数据，通过ADC口与空气沙尘传感器连接，获取沙尘浓度的数据，DSP的CAN总线接口与光伏电板上的微控制器的CAN接口连接，而每个光伏电板上的微控制器之间也以CAN接口连接，构成串行网络结构；DSP的以太网口通过网关与互联网连接；控制器通过SPI分别与角度传感器及驱动电路连接，驱动电路与机械转动的动力装置连接；光伏电板上的微控制器采用C8051系列单片机，角度传感器采用一个二维各向异性的磁阻传感器和一个微机电结构的陀螺仪，磁阻传感器根据测量地磁的方向得到转角的绝对量，陀螺仪测量角加速度，然后通过C8051系列单片机对角加速度进行二次积分后得到倾角的绝对量。
下面对本发明的工作过程做进一步说明：DSP从GPS模块获取当前的时间，根据当前的时间计算出太阳的位置及光伏电板的转角和倾角的改变量，然后每个光伏电板上的微控制器发送控制信号，微控制器接收到信号后，给驱动电路发送信号，驱动机械转动装置改变光伏电板的转角和倾角。另一方面，DSP从风速风向传感器和空气沙尘传感器获取风速、风向和沙尘浓度的数据，当风速大于DSP预设风速值时，DSP发出信号将光伏电板放平，以减小电板所受的风力，当沙尘浓度超过DSP预设沙尘浓度值时，DSP结合风向的信号，将光伏电板调整为背对沙尘运动的方向，以减少沙尘对聚光器的磨损。
由此可见，本发明通过一个智能控制中心模块同时控制一个含有数十个或数百个光伏电板的阵列，根据天气条件及太阳位置，实时调整每个光伏电板的机械状态，使得整个光伏电板阵列的发电量达到最大，同时兼顾设备的工作寿命与长期稳定性，降低了设备成本和维护成本。
Claims (5)
1.一种光伏发电阵列的智能控制网络系统，包括智能控制中心模块、传感器组和由至少两个光伏电板模块组成的阵列组，其特征在于，所述智能控制中心模块通过有线或无线的方式与光伏发电阵列中的每个光伏电板模块连接，所述智能控制中心模块还与互联网连接，通过互联网对光伏电板阵列进行远程控制和工作状态查询，所述智能控制中心模块接收传感器组的时间、风速、风向和沙尘浓度的数据，DSP从GPS接受时间数据后，根据时间进行计算并控制光伏电板转角和倾角；DSP从GPS接收风速、风向、沙尘浓度的数据后，根据接收到的数值与DSP的预设值进行比较再控制光伏电板转角和倾角。
所述传感器组包括风速风向传感器、空气沙尘传感器和GPS模块，所述传感器组通过SPI、RS232或ADC采样口与智能控制中心模块连接，所述空气沙尘传感器用激光散射的方法，测得空气中沙尘的浓度，所述GPS模块获取光伏电板阵列的地理经纬度数据，并实时地与卫星上的原子钟同步，得到时间数据；
所述光伏电板模块包括机械转动装置、微控制器、驱动电路和角度传感器，所述微控制器通过SPI或RS232方式分别与角度传感器及驱动电路连接，所述微控制器接收智能控制中心模块发出的控制信号，结合所述角度传感器测得的角度位置，对驱动电路进行反馈控制，驱动机械转动装置。
2.根据权利要求1所述的一种光伏发电阵列的智能控制网络系统，其特征在于，所述智能控制中心模块具有双精度浮点型数据的运算和处理能力，所述智能控制中心模块为数字信号处理器、微控制器或可编程逻辑控制器的一种。
3.根据权利要求1所述的一种光伏发电阵列的智能控制网络系统，其特征在于，所述智能控制中心模块与光伏阵列中的每个光伏电板模块连接方式为工业现场总线或以太网，通讯协议为RS232、RS485、Modbus、Zigbee或CAN。
4.根据权利要求1所述的一种光伏发电阵列的智能控制网络系统，其特征在于，所述光伏电板上的微控制器为微控制器或可编程逻辑控制器。
5.根据权利要求1所述的一种光伏发电阵列的智能控制网络系统，其特征在于，所述传感器组中的角度传感器为地磁传感器、霍尔传感器、加速度传感器或陀螺仪中的一种或多种。
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