CN102841611A

CN102841611A - 基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪方法及其系统

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Publication number: CN102841611A
Application number: CN2012102728175A
Authority: CN
Inventors: 华光辉; 丁杰; 吴福保; 周邺飞; 赫卫国; 汪春; 张祥文; 张新龙; 刘海璇; 梁硕
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; State Grid Anhui Electric Power Co Ltd
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2012-12-26

Abstract

本法明涉及一种基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪方法及其系统，该方法包括下述步骤：A、确定地平坐标下的太阳光角度，并生成角度控制指令；B、将角度控制指令下发给光伏电站的光伏组件跟踪装置；C、光伏组件跟踪装置中的驱动系统根据角度控制指令完成光伏组件角度旋转；D、光伏组件跟踪装置中的位置传感器将光伏组件角度位置反馈给光伏组件跟踪装置中的自动跟踪控制器；E、光伏组件角度位置与角度控制指令给出的角度进行比较，形成闭环反馈回路；完成角度控制指令的传送；F、光伏电站监控系统同时接受环境监测仪的光照信息，当光照低于一定数值时，停止自动跟踪系统跟踪。本发明的方法提高光伏电站发电效率的同时节省了成本。

Description

基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪方法及其系统

技术领域

[0001 ] 本发明涉及光伏电站自动化控制技术领域，具体涉及ー种基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪方法及其系统。

背景技术

[0002] 太阳能光伏发电作为太阳能利用的主要方式之一，因其资源潜カ大、可持续利用等特点，成为各国竞相发展的重点，发展前景非常广阔，然而它也存在着密度低、间歇性、空间分布不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。为了提高光伏发电系统的转换效率，提高发电系统的发电量，需要提高光伏阵列吸收太阳能辐射的能力。其主要解决途径是使光伏组件的框架平台受光面能正对太阳，减小太阳光对光伏电池的入射角，使相同辐射条件下比固定安装的光伏组件能吸收更多的太阳辐射能量。

[0003]目前太阳能光伏组件安装方式主要有两种，固定安装和自动跟踪。固定安装方式一般是根据安装地点的纬度，计算出一个最佳倾角，按此倾角面向赤道方向安装，这种安装方式由于太阳光入射角随昼夜、季节变化，光伏组件阵列不能充分吸收太阳能辐射的能量，转换效率不高，但是光伏电站建设成本较低。自动跟踪安装方式需要増加跟踪系统，随昼夜和季节变化不断调整光伏组件角度，使光伏组件最大程度上面向太阳，能提高太阳能吸收效率，降低度电成本，但是光伏电站建设成本相应地有所増加。

[0004] 自动跟踪方法分为两种：单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪只跟踪ー日内太阳由东向西的变化；双轴跟踪既能跟踪ー日内太阳的变化，也能跟踪一年四季太阳的变化，能进ー步提高发电效率，当然其成本也更高。聚光式光伏发电系统必须配备双轴跟踪系统，才能确保焦点正在光伏组件之上，才能发挥出聚光式光伏发电的优势。

[0005] 自动跟踪原理分为主动式跟踪和被动式跟踪。主动式跟踪是根据当地的时间和经纬度，由天文公式经坐标变换后计算出太阳光的入射角度，与光伏阵列位置传感器信号进行比较，控制机械装置将光伏阵列旋转到指定的位置。被动式跟踪是由光敏器件測量出太阳光的入射角度，控制光伏阵列旋转并跟踪太阳光入射角度，其技术较为复杂、成本较高，而且干扰因素多，目前应用较少，有待进ー步研究。

[0006] 主动式跟踪系统一般包括控制器、驱动电路、伺服电机、传动轴、日历时钟电路、光强监测仪、位置传感器、操作键盘、液晶显示等。系统工作吋，首先通过键盘预先存入当地的经纬度信息，然后控制器读取经纬度并通过日历时钟电路获取时间信息，计算出不同时刻太阳仰角与东西偏角，转换为控制指令并发送给驱动电路，驱动伺服电机动作，通过传动轴带动光伏组件旋转，实现向日跟踪。光强监测仪检测到辐射度过低时（比如晚上或阴雨天)，发出停止信号，光伏组件停止转动，可減少磨损。

[0007] 光伏发电监控系统可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜等设备进行实时监视和控制，通过各种样式的图表及数据快速掌握电站的运行情況，其友好的用户界面、強大的分析功能、完善的故障报警确保了太阳能光伏发电系统的完全可靠和稳定运行。监控系统可以配置GPS (全球定位系统）设备向全站控制设备授吋。光伏发电监控系统是大中型光伏电站的必备内容。

[0008] 为了保证光伏电站的正常运行以及数据分析，通常需要配备环境检测仪来监控光照度強度、周边环境温度、光伏组件温度等指标。气象站可以连接到监控系统上，由监控系统对气象站的数据进行显示、记录及分析。也可以连接到逆变器控制系统、由控制系统对传感器数据进行分析，保证光伏电站的有效运行。

发明内容

[0009] 针对现有技术的不足，本发明提供一种基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪方法及其系统，该方法利用自动跟踪系统中光伏电站监控系统，结合环境检测仪的监测信息，利用通讯的方式控制光伏组件跟踪设备，使光伏组件做向日运动，减小太阳光入射角度，提高光伏电站发电效率。

[0010] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的： [0011] 一种基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

[0012] A、确定地平坐标下的太阳光角度，并生成角度控制指令；

[0013] B、将所述角度控制指令下发给光伏电站的光伏组件跟踪装置；

[0014] C、所述光伏组件跟踪装置中的驱动系统根据角度控制指令完成光伏组件角度旋转;

[0015] D、所述光伏组件跟踪装置中的位置传感器将光伏组件角度位置反馈给光伏组件跟踪装置中的自动跟踪控制器；

[0016] E、所述光伏组件角度位置与角度控制指令给出的角度进行比较，形成闭环反馈回路；完成角度控制指令的传送；

[0017] F、光伏电站监控系统同时接受环境监测仪的光照信息，当光照低于一定数值(參数可设置，一般当光照数值低于10W/m2)时，停止所述自动跟踪系统跟踪。

[0018] 其中，所述步骤A中，光伏电站监控系统通过GPS获得当地的经纬度、日历和时间，通过天文公式计算出天球坐标下的太阳时角，经过坐标变换，得出地平坐标下的太阳光角度，并生成角度控制指令。

[0019] 其中，所述步骤B中，所述光伏电站监控系统用通讯方式下发给光伏电站的光伏组件跟踪装置；所述通讯方式包括RS485和以太网。

[0020] 其中，所述步骤D中，将光伏组件的迎光面对准太阳，光伏组件跟踪装置中的位置传感器将光伏组件角度位置反馈给光伏组件跟踪装置中的自动跟踪控制器。

[0021] 其中，光伏电站环境检测仪对光照进行监测，使光伏组件从日出时开始跟踪太阳位置的变化，当日落或者天空光线极差时，使光伏组件自动恢复到朝东的初始位置。

[0022] 本发明基于另一目的提供的一种基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪系统，其改进之处在于，所述自动跟踪系统包括光伏电站监控系统、环境监测仪、GPS、光伏组件跟踪装置和光伏组件；

[0023] 所述环境监测仪将光照信息传递给光伏电站监控系统；

[0024] 光伏电站监控系统通过GPS获得当地的经纬度、日历和时间，通过天文公式计算出天球坐标下的太阳时角，经过坐标变换，得出地平坐标下的太阳光角度，并生成角度控制指令；

[0025] 光伏组件跟踪装置中的驱动系统根据角度控制指令完成光伏组件角度旋转；

[0026] 光伏组件跟踪装置中的位置传感器将光伏组件角度位置反馈给光伏组件跟踪装置中的控制器。

[0027] 其中，所述光伏电站监控系统包括服务器、工作站、交换机以及通信网络；所述光伏电站监控系统采集光伏电站内各个设备的运行信息，进行实时显示和分析，井根据实际エ况对现场设备发出控制指令。

[0028] 其中，所述光伏组件跟踪装置包括驱动系统、位置传感器和自动跟踪控制器；

[0029] 所述自动跟踪控制器具有通信功能，接受所述光伏电站监控系统下发的控制指令，并将光伏组件角度位置与角度控制指令给出的角度比较后的控制信号传递给驱动系统；

[0030] 所述位置传感器将光伏组件角度位置信号反馈给光伏组件跟踪装置中的自动跟踪控制器。

[0031] 其中，所述驱动系统包括伺服电机和传动轴，所述驱动系统带动整个光伏组件转动。

[0032] 与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

[0033] I、本发明提供的自动跟踪方法接受GPS及环境监测仪的光照信息，由光伏电站监控系统通过通信的方式统一向全站的跟踪装置发送角度控制指令，控制光伏组件向日跟踪，减小太阳光入射角度，提高光伏电站发电效率。

[0034] 2、本发明提供的集中式自动跟踪方法比常规分布式控制方法更为精确，而且能降低建设成本。

[0035] 3、本发明提供的自动跟踪方法，其中，光伏电站监控系统接受GPS对时信息，其时间比从普通日历时间芯片里读取的时间更为精确，而且节省了分散式控制的硬件投资，能够降低自动跟踪系统成本。

附图说明

[0036] 图I是本发明提供的基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪系统结构图。具体实施方式

[0037] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进ー步的详细说明。

[0038] 基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪系统结构图如附图I所示，自动跟踪系统包括光伏电站监控系统、环境监测仪、GPS、光伏组件跟踪装置和光伏组件；环境监测仪和GPS分别与光伏电站监控系统连接；光伏电站监控系统、光伏组件跟踪装置和光伏组件依次连接。

[0039] 基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪方法具体如下：

[0040] 光伏电站监控系统通过GPS获得当地的经纬度、日历和时间，通过天文公式计算出天球坐标下的太阳时角，然后经坐标变换，得出地平坐标下的太阳光角度，生成角度控制指令并统ー用通讯的方式下方给全站的光伏组件跟踪装置，光伏组件跟踪装置中的驱动系统根据指令完成旋转动作，将光伏组件的迎光面对准太阳，光伏组件跟踪装置的位置传感器将当前光伏组件角度位置反馈给光伏组件跟踪装置中的控制器，与角度控制指令给出的角度进行比较，形成闭环反馈回路，能够精确完成角度控制指令。光伏电站监控系统同时接受环境监测仪的光照信息，当光照低于一定数值(參数可设置，一般当光照数值低于IOW/m2)时，停止自动跟踪系统跟踪，減少不必要的动作，降低磨损和能耗。

[0041] 本发明的方法利用大中型光伏电站必须具备的光伏电站监控系统，计算出迎光仰角和东西偏角，并以通信形式将控制指令下发给光伏组件跟踪装置，控制光伏组件转动。光伏组件监控系统接受GPS对时信息，其时间比从普通日历时间芯片里读取的时间更为精确，而且节省了分散式控制的硬件投资，能够降低自动跟踪系统成本。光伏电站环境检测仪对光照进行监测，使光伏组件从日出时开始跟踪太阳位置的变化，当日落或者天空光线极差时，使光伏组件自动恢复到朝东的初始位置。

[0042] 角度计算具体如下：

[0043] (I)太阳赤纬度：

·[0044] 太阳直射点就是太阳直射光线与地平面的垂直交点,太阳赤纬度就是太阳直射点处所处的纬度，即由地心与日心的连线同地球赤道平面之间的夹角，用S表示。它随季节变化，变化范围是：-23° 26’彡δ彡23° 26’。

[0045] 太阳赤纬度计算公式为：

[δ = -20.16 + 0.252/7 (I <η< 80)

j δ = 0.252(// -80) (80 < n< 173)

[0046] ]δ = 23.433-0.252(^-173) (173く》<265)①；

ぶ=-0.252(/2-265) (265 < »<355)

S = —23.433+ 0.252(/?-355) (355 < η < 366)

[0047] 式中η表示全年当真的任一天，可取1-366。当太阳位于赤道以北吋，δ为正；太阳位于赤道以南时，δ为负。

[0048] (2)太阳时角：

[0049] 当地的太阳时间计算公式Hs :

[0050] H、= H“ + — 土 ~②；

丨' 60 15

[0051] 式中：Hls，为光伏电站所在地标准时间，我国为北京时间；Lls(l为所在地所对应的经度，Lsm为标准时间地点对应的经度，北京时间取东经120° ；E为地球公转引起的Hs和钟表时间之间的修正值；最后ー项东半球取负号，西半球取正号，我国为东半球，应该取负号。

[0052] E = 9. 87sin2B-7. 53cos2B_l. 5sinB ③；

[0053]式中：

「 ΐ D 360(" —81.)ハ

[0054] B =----；

364

[0055] 太阳时角ω在正午时为0，每隔ー小时ω増加15°，上午为正，下午为负。即：

[0056] ω =--(12⑤；

24

[0057] (3)太阳迎光仰角、东西偏角计算：

[0058] 太阳的迎光仰角（即太阳高度角）α的计算公式为：

[0059] α = 90。-| φ - δ | ⑥；[0060] 式中：φ为光伏电站所在地纬度。

[0061] 太阳东西偏角Y的计算表达式为：

[0062]

[0063] 式中：Φ为地理纬度。

[0064] 利用上述式⑥和式⑦，可以精确求出任意地区、季节某一时刻的太阳迎角和东西偏角，确定太阳的具体位置，通过驱动系统的伺服电机驱动光伏组件(方阵）转动跟踪太阳。

[0065] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管參照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1. 一种基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤： A、确定地平坐标下的太阳光角度，并生成角度控制指令； B、将所述角度控制指令下发给光伏电站的光伏组件跟踪装置； C、所述光伏组件跟踪装置中的驱动系统根据角度控制指令完成光伏组件角度旋转； D、所述光伏组件跟踪装置中的位置传感器将光伏组件角度位置反馈给光伏组件跟踪装置中的自动跟踪控制器； E、所述光伏组件角度位置与角度控制指令给出的角度进行比较，形成闭环反馈回路；完成角度控制指令的传送； F、光伏电站监控系统同时接受环境监测仪的光照信息，当光照低于一定数值时，停止所述自动跟踪系统跟踪。

2.如权利要求I所述的电池组件自动跟踪方法，其特征在于，所述步骤A中，光伏电站监控系统通过GPS获得当地的经纬度、日历和时间，通过天文公式计算出天球坐标下的太阳时角，经过坐标变换，得出地平坐标下的太阳光角度，并生成角度控制指令。

3.如权利要求I所述的电池组件自动跟踪方法，其特征在于，所述步骤B中，所述光伏电站监控系统用通讯方式下发给光伏电站的光伏组件跟踪装置；所述通讯方式包括RS485和以太网。

4.如权利要求I所述的电池组件自动跟踪方法，其特征在于，所述步骤D中，将光伏组件的迎光面对准太阳，光伏组件跟踪装置中的位置传感器将光伏组件角度位置反馈给光伏组件跟踪装置中的自动跟踪控制器。

5.如权利要求I所述的电池组件自动跟踪方法，其特征在于，光伏电站环境检测仪对光照进行监测，使光伏组件从日出时开始跟踪太阳位置的变化，当日落或者天空光线极差吋，使光伏组件自动恢复到朝东的初始位置。

6. 一种基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪系统，其特征在干，所述自动跟踪系统包括光伏电站监控系统、环境监测仪、GPS、光伏组件跟踪装置和光伏组件；所述环境监测仪将光照信息传递给光伏电站监控系统；光伏电站监控系统通过GPS获得当地的经纬度、日历和时间，通过天文公式计算出天球坐标下的太阳时角，经过坐标变换，得出地平坐标下的太阳光角度，并生成角度控制指令；光伏组件跟踪装置中的驱动系统根据角度控制指令完成光伏组件角度旋转；光伏组件跟踪装置中的位置传感器将光伏组件角度位置反馈给光伏组件跟踪装置中的控制器。

7.如权利要求6所述的基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪系统，其特征在于，所述光伏电站监控系统包括服务器、工作站、交换机以及通信网络；所述光伏电站监控系统采集光伏电站内各个设备的运行信息，进行实时显示和分析，井根据实际エ况对现场设备发出控制指令。

8.如权利要求6所述的基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪系统，其特征在于，所述光伏组件跟踪装置包括驱动系统、位置传感器和自动跟踪控制器；所述自动跟踪控制器具有通信功能，接受所述光伏电站监控系统下发的控制指令，并将光伏组件角度位置与角度控制指令给出的角度比较后的控制信号传递给驱动系统；所述位置传感器将光伏组件角度位置信号反馈给光伏组件跟踪装置中的自动跟踪控制器。

9.如权利要求8所述的基于光伏电站监控系统的电池组件自动跟踪系统，其特征在于，所述驱动系统包括伺服电机和传动轴，所述驱动系统带动整个光伏组件转动。