CN102541094A - 基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统及其实现方法，该系统包括工控主机，以及分别通过工业通信总线与所述工控主机信号连接的方位角调节模块、俯仰角调节模块及地磁传感器测量模块。本发明所述基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统及其实现方法，可以克服现有技术中成本高、精确度低、操作过程繁琐与可靠性差等缺陷，以实现成本低、精确度高、操作过程简单与可靠性好的优点。

Description

基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体地，涉及基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统及其实现方法。

背景技术

在光伏发电技术领域，跟踪式光伏发电系统的主要应用，包括：在光伏发电过程中，通过将光伏电池板固定在具有对太阳当前方位和俯仰角跟踪能力的机械转动系统设备上，大幅度提高传统光伏电池板的发电能力。

目前，有两种跟踪方式：一种跟踪方式是主动式跟踪，即通过天文算法计算出当前的太阳的实际方位角和俯仰角，然后机械系统调整光伏电池板到相应的位置；另外一种跟踪方式是被动式跟踪，即通过光敏传感器检测到太阳位置的变化，机械系统作出相应的转动调整，以转动到最大化接受太阳能的角度和位置。 

但是，传统的主动式跟踪的技术解决方案存在以下问题：如果通过步进电机和伺服控制器来实现高精度转动，其成本过高；如果通过传统可编程逻辑控制器（PLC）来实现，辅以运动控制模块，成本过高；另外，在安装系统的过程中，需要非常精确地对初始化的方位角进行精确定位，系统安装调试过程繁琐，且精确度难以控制。

被动式跟踪存在以下问题：在恶劣的自然环境下，当光敏传感器被污染或者遮盖时，传感器可能会得到被严重影响、甚至错误的测量结果，那么将会导致跟踪效果大大下降、甚至方向位置完全错误的情况。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中的跟踪式光伏发电系统至少存在以下缺陷：

⑴成本高：在主动式跟踪方式中，如果通过步进电机和伺服控制器来实现高精度转动，则成本过高；如果通过传统可编程逻辑控制器（PLC）、辅以运动控制模块来实现，则成本仍然很高；

⑵精确度低：在主动式跟踪方式中，安装系统时，需要非常精确地对初始化的方位角进行精确定位，精确度难以控制； 

⑶操作过程繁琐：在主动式跟踪方式中，安装系统时，需要非常精确地对初始化的方位角进行精确定位，系统安装调试过程繁琐；

⑷可靠性差：在被动式跟踪方式中，当光敏传感器在恶劣的自然环境中被污染或者遮盖的时，传感器可能会得到被严重影响的、甚至错误的测量结果，导致跟踪效果大大下降、甚至方向位置完全错误的情况。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，以实现成本低、精确度高、操作过程简单与可靠性好的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，包括工控主机，以及分别通过工业通信总线与所述工控主机信号连接的方位角调节模块、俯仰角调节模块及地磁传感器测量模块，其中：

所述地磁传感器测量模块，用于实时采集光伏电池板的俯仰角与方位角，并将实时测量结果反馈至工控主机；

所述工控主机，用于根据天文算法计算光伏电池板的当前俯仰角与方位角，将计算结果与地磁传感器测量模块的实时测量结果进行比较，并根据比较结果实时控制方位角调节模块和/或俯仰角调节模块动作；

所述俯仰角调节模块，用于根据工控主机的控制指令，实时调节光伏电池板的俯仰角；

所述方位角调节模块，用于根据工控主机的控制指令，实时调节光伏电池板的方位角。

进一步地，所述方位角调节模块，包括依次与工控主机信号连接的第一电机变频器与方位角电机。

进一步地，所述俯仰角调节模块，包括依次与工控主机信号连接的第二电机变频器与俯仰角电机。

进一步地，以上所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，还包括用于为各用电设备供电的电源模块，所述电源模块分别与工控主机、第一电机变频器、第二电机变频器、方位角电机、俯仰角电机及地磁传感器测量模块电连接。

进一步地，所述工控主机至少包括Atmel公司的型号为AT91SAM9G20的微处理器。

进一步地，所述地磁传感器测量模块至少包括Holleywell公司的型号为HMC 5843的地磁传感器。

进一步地，所述第一电机变频器与第二电机变频器，至少包括Omron公司的型号为JX2 200V的电机变频器。

进一步地，所述方位角电机与俯仰角电机，至少包括SEW公司的型号为RX57的电机。

同时，本发明采用的另一技术方案是：一种根据以上所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统的实现方法，包括：

a、将根据天文算法计算得到的光伏电池板俯仰角与方位角的理论值，与通过地磁传感器实时测量得到的光伏电池板当前俯仰角与方位角的测量值，进行比较；

b、当比较结果超出预设误差范围时，控制用于调节光伏电池板俯仰角的俯仰角调节模块和/或用于调节光伏电池板方位角的方位角调节模块，实时调整当前光伏电池板的俯仰角和/或方位角，并返回步骤a。

进一步地，以上所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统的实现方法，在步骤a之后，还包括：

c、当比较结果在预设误差范围内时，本次调整跟踪过程结束。

本发明各实施例的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统及其实现方法，由于该系统包括工控主机，以及分别通过工业通信总线与工控主机信号连接的方位角调节模块、俯仰角调节模块及地磁传感器测量模块；可以基于高精度的三维地磁传感器对光伏电池板的当前实际方位和角度进行测量，基于天文算法对光伏电池板的当前方位与角度的理论值进行计算，将测量值与理论值进行比较，闭环调节控制，以实时跟踪当前太阳位置并及时调节光伏电池板的当前方位和角度；从而可以克服现有技术中成本高、精确度低、操作过程繁琐与可靠性差的缺陷，以实现成本低、精确度高、操作过程简单与可靠性好的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统的工作原理示意图；

图2为根据本发明基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统中闭环控制回路的工作原理示意图；

图3为根据本发明基于三维地磁传感器的光伏发电跟踪方法的流程示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-工控主机；2-第一电机变频器；3-第二电机变频器；4-地磁传感器测量模块；5-方位角电机；6-俯仰角电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

系统实施例

根据本发明实施例，提供了基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统。如图1和图2所示，本实施例包括工控主机1，分别通过工业通信总线与所述工控主机1信号连接的方位角调节模块、俯仰角调节模块及地磁传感器测量模块4，以及用于为各用电设备供电的电源模块，电源模块分别与工控主机1、第一电机变频器2、第二电机变频器3、方位角电机5、俯仰角电机6及地磁传感器测量模块4电连接。这里，工控主机1至少包括Atmel公司的型号为AT91SAM9G20的微处理器，地磁传感器测量模块4至少包括Holleywell公司的型号为HMC 5843的地磁传感器。

其中，上述地磁传感器测量模块4，用于在方位角调节模块和/或俯仰角调节模块及外界扰动控制下，实时采集光伏电池板的俯仰角与方位角，并将实时测量结果反馈至工控主机1；工控主机1，用于根据天文算法计算光伏电池板的当前俯仰角与方位角，将计算结果与地磁传感器测量模块4的实时测量结果进行比较，并根据比较结果实时控制方位角调节模块和/或俯仰角调节模块动作；俯仰角调节模块，用于根据工控主机1的控制指令，实时调节光伏电池板的俯仰角；方位角调节模块，用于根据工控主机1的控制指令，实时调节光伏电池板的方位角。

在上述实施例中，方位角调节模块，包括依次与工控主机1信号连接的第一电机变频器2与方位角电机5；俯仰角调节模块，包括依次与工控主机1信号连接的第二电机变频器3与俯仰角电机6。这里，第一电机变频器2与第二电机变频器3，至少包括Omron公司的型号为JX2 200V的电机变频器；方位角电机5与俯仰角电机6，至少包括SEW公司的型号为RX57的电机。

在上述实施例中，三维的地磁传感器，可以测量出当前被测量物体在地球任何一个位置的方位角、俯仰角和转动角，得到一个测量值；然后通过工业通信数据总线（如ModBus RTU）传输到工控主机1（如微处理器）中；在微处理器中运行的实时天文算法，可以通过输入当前的时间和精确的经纬度，计算出当前时间点的太阳相对于当前的经纬度的具体方位角和俯仰角，得到一个理论值；然后通过控制电机转动带动光伏电池板和地磁传感器一起转动，直到地磁传感器的测量值，即当前光伏电池板的实际角度，几乎等于当前天文算法计算的理论值，从而达到通过用天文算法来实时跟踪当前太阳位置。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了基于三维地磁传感器的光伏发电跟踪方法。如图3所示，本实施例包括：

步骤100：启动电源模块，执行步骤101；

步骤101：工控主机（如微处理器）根据天文算法，计算得到光伏电池板俯仰角与方位角的理论值，执行步骤102；

步骤102：地磁传感器实时测量，得到光伏电池板当前俯仰角与方位角的测量值，执行步骤103；

步骤103：将步骤101得到的理论值与步骤103得到的测量值进行比较，执行步骤104或步骤105；

步骤104：当比较结果在预设误差范围内时，本次调整跟踪过程结束；

步骤105：当比较结果超出预设误差范围时，控制用于调节光伏电池板俯仰角的俯仰角调节模块和/或用于调节光伏电池板方位角的方位角调节模块，实时调整当前光伏电池板的俯仰角和/或方位角，并返回步骤102。

在步骤100-步骤105显示的实施例中，基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统的相关性能参见图1和图2的相关说明，在此不再赘述。

综上所述，本发明各实施例的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统及其实现方法，主要是基于传统的主动式跟踪方式，将地磁传感器结合天文算法的控制方式应用在跟踪式光伏发电系统中，可以达到以下有益效果：

⑴大幅度降低了系统的成本，只需要一般交流电机和地磁传感器配合就可以达到跟踪效果；

⑵精确度提高，避免了在实际的应用过程当中由于机械系统的焊接和安装的误差累积导致最终跟踪效果差、精确度不高的问题；

⑶安装过程简单方便、系统稳定性强且维护费用低，适用于不同的天气状况和恶劣自然环境。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，其特征在于，包括工控主机，以及分别通过工业通信总线与所述工控主机信号连接的方位角调节模块、俯仰角调节模块及地磁传感器测量模块，其中：

所述地磁传感器测量模块，用于实时采集光伏电池板的俯仰角与方位角，并将实时测量结果反馈至工控主机；

所述工控主机，用于根据天文算法计算光伏电池板的当前俯仰角与方位角，将计算结果与地磁传感器测量模块的实时测量结果进行比较，并根据比较结果实时控制方位角调节模块和/或俯仰角调节模块动作；

所述俯仰角调节模块，用于根据工控主机的控制指令，实时调节光伏电池板的俯仰角；

所述方位角调节模块，用于根据工控主机的控制指令，实时调节光伏电池板的方位角。

2.根据权利要求1所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，其特征在于，所述方位角调节模块，包括依次与工控主机信号连接的第一电机变频器与方位角电机。

3.根据权利要求1所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，其特征在于，所述俯仰角调节模块，包括依次与工控主机信号连接的第二电机变频器与俯仰角电机。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，其特征在于，还包括用于为各用电设备供电的电源模块，所述电源模块分别与工控主机、第一电机变频器、第二电机变频器、方位角电机、俯仰角电机及地磁传感器测量模块电连接。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，其特征在于，所述工控主机至少包括Atmel公司的型号为AT91SAM9G20的微处理器。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，其特征在于，所述地磁传感器测量模块至少包括Holleywell公司的型号为HMC 5843的地磁传感器。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，其特征在于，所述第一电机变频器与第二电机变频器，至少包括Omron公司的型号为JX2 200V的电机变频器。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统，其特征在于，所述方位角电机与俯仰角电机，至少包括SEW公司的型号为RX57的电机。

9.一种根据权利要求1所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统的实现方法，其特征在于，包括：

a、将根据天文算法计算得到的光伏电池板俯仰角与方位角的理论值，与通过地磁传感器实时测量得到的光伏电池板当前俯仰角与方位角的测量值，进行比较；

b、当比较结果超出预设误差范围时，控制用于调节光伏电池板俯仰角的俯仰角调节模块和/或用于调节光伏电池板方位角的方位角调节模块，实时调整当前光伏电池板的俯仰角和/或方位角，并返回步骤a。

10.根据权利要求9所述的基于三维地磁传感器的跟踪式光伏发电系统的实现方法，其特征在于，在步骤a之后，还包括：

c、当比较结果在预设误差范围内时，本次调整跟踪过程结束。

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