CN103605378B - 一种太阳能追日与状态监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能追日与状态监控系统及方法，本系统采用一台上位机作为控制中心，通过天文年历理论展开公式计算太阳的方位角和高度角，然后对大气折射和海拔高度造成的误差进行校正，计算出发电板的水平角和俯仰角，传输到各个追踪传动机构，执行追日动作；同时软件通过网络获取本地天气现象，如阴天，雨、雪，风力等信息，辅以现场光照、风力检测结果，向追日控制装置发送保护、停止、启动，追踪等指令。本系统的优点就是使用集中控制，成本低，抗干扰性强，跟踪误差小。

Description

一种太阳能追日与状态监控系统及方法

技术领域

本发明属于气象技术领域，涉及一种太阳能追日与状态监控系统及方法，具体地说，涉及一种基于网络天气预报与天文年历算法的太阳能追日与状态监控系统及方法。

背景技术

目前的追日系统大致分为3类，第一类使用光敏器件感应太阳方位驱动电机追日；第二类是使用天文历法计算太阳方位，定时驱动发电板转动到一定的水平角和俯仰角。第三类则为前两类的结合，即先计算，再微调。但这3类技术方案全部都是由嵌入式设备实现，每个太阳能发电装置都需要配置一台追日控制机构(运算单元)和追日传动装置(执行单元)，对整个发电厂而言，都属于分散式控制，第一类抗干扰性太差，云朵、灰尘等都可能造成系统的误判。第二类在单片机芯片中进行浮点数运算精度受限，导致追日误差较大，另外不能对天气信息做出响应。第三类将第一类方案与第二类方案进行了结合，精度较高，但增加了成本，同样，不能对大风等恶劣天气及时响应。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种太阳能追日与状态监控系统及方法，本系统采用一台上位机作为控制中心，由软件基于WMO“Guide toMeteorological Instruments and Methods of Observation”推荐的MICHALSKY提出的算法，通过天文年历理论展开公式计算太阳的方位角和高度角，然后对大气折射和海拔高度造成的误差进行校正，计算出发电板的水平角和俯仰角，传输到各个追踪传动机构，执行追日动作；同时软件通过网络获取本地天气现象，如阴天，雨、雪，风力等信息，辅以现场光照、风力检测结果，向追日控制装置发送保护、停止、启动，追踪等指令。本系统的优点就是使用集中控制，成本低，抗干扰性强，跟踪误差小。集中式追日控制，降低成本，可靠性更高。充分利用网络天气信息，控制系统恰当地执行停止、保护、跟踪等动作，既节约能源、又保护了系统，减轻了恶劣天气对系统的破坏。充分利用系统资源，将系统状态监控集成到追日控制中，增加了系统功能，降低了系统整体成本。其技术方案如下：

一种太阳能追日与状态监控系统，主要由上位机、光照检测模块、风力检测装置、CAN总线接口模块和传动装置依次连接而成：

所述上位机运行天文年历算法，定时发送追日信号，每隔30分钟访问网络一次，获取本地天气信息，定时获取光照检测与风力检测装置的测试值，修正从网络获取的天气信息，据日出日落时间和修正后的天气现象发送启动和停止信号，通过定时轮询方式顺序呼叫每个追日传动装置，被呼叫的传动装置及时给出应答，将自己的工作状态作为点对点报文及时发给上位机；

所述光照检测模块实时检测现场光照度，转换为数字值传给上位机，用作对天气预报信息的补充与纠正，采用集成式光电传感器P0188，然后外接ADC0832转换芯片对数据进行转换与采集，在上位机轮询时将现场光照度测试值传给上位机；

所述风力检测模块在上位机轮询时将现场风速测试值传给上位机；

所述CAN总线接口模块负责接收来自下位机(传动装置、光照检测等模块)现场测试数据，并且负责各类控制命令的实际发送，即通过CAN总线接口模块完成了上位机与下位机之间的数据交换，而CAN总线则是各模块间数据通信的媒介；系统采用CAN总线系统，保证了数据通信的可靠性、实时性与可扩展性；

所述传动装置由CAN总线接口模块和跟踪控制模块组成，接口模块接收上位机各类指令、解析后由跟踪控制模块驱动电机进行旋转；另CAN总线接口模块接收到上位机轮询指令时，将发电板的当前位置状态、发电状态上传，如果发电板上安装了光照、风力等检测模块，则该类现场检测值也将通过传动装置的CAN总线接口模块上传。

一种太阳能追日与状态监控方法，包括以下步骤：

1)在设置模式下进行硬件初始化工作，接收过滤初始化和接收屏蔽初始化，包括节点地址初始化，CAN中断初始化，CAN发送口与接收口初始化，接收控制寄存器初始化和波特率初始化；初始化完成后设置为工作模式；

2)软件启动，通过上位机软件接口配置发电板所在的经纬度信息、海拔信息，县市信息，防风保护启动阈值、光照度阈值的信息，时间校验频率等。这里通过中国天气网(www.weather.com.cn)采集天气信息；

3)通过网络校验系统时间，如果距离上一次采集时间达30分钟(由于中国天气网每小时跟新一次)，则在中国天气网上采集本地的日出日落时间与天气信息；

4)软件通过轮询方式顺序呼叫每个传动装置与检测装置，被呼叫的传动装置及时给出应答，将自己的工作状态或检测值作为点对点报文及时发给上位机，上位机将数据处理后并上报，如果发现系统出错信息，则发送报警信息；

5)如果网络天气信息获取风力大于6级，且本地风力检测装置检测值持续超出防风保护阈值，则上位机广播防风保护指令，使发电板高度角较快地回到90°位置，以进行保护；

6)如果网络天气信息获取天气现象为阴雨雪天气，且现场光照检测装置检测光照度位于阈值之下，则上位机广播停止追日信号，使系统停止运行以节约能源；

7)如果当前时间在追日开启时间段内，则将时间换算为儒略历，计算出黄道坐标与天球坐标，并根据本地纬度信息计算出太阳高度角与方位角，如果到达日落时间，则转步骤11)；

8)然后根据高度角与大气折射误差的关系表得到出高度角的影响误差，计算海拔高度对高度角的影响，传动跟踪装置设计的跟踪角度为15°～90°，已经避开了误差较大的时间段，计算之后根据需要进行修正；

9)判断系统是否处于追日开启状态，如果是，上位机则广播水平角和俯仰角，传动系统驱动太阳能发电板到指定位置；

10)返回步骤3)循环执行；

11)关闭系统追日状态，广播保护指令，使高度角回到90°位置，以进行夜间保护，系统将不在发送任何指令，计算出下一天的日出时间，然后开启定时；定时到达后，系统执行步骤3)；

12)发电站工作人员，通过网络即可监控各发电板工作状态信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、拥有追日系统的太阳能发电装置比无追日装置系统的发电效率高30％～50％，已经为业内公认。

2、本技术方案采用集中式追日控制，相对其他的追日方案，降低了追日系统成本，并且可靠性较高。

3、根据网络天气信息，控制追日执行系统恰当地执行启动、停止、保护、跟踪等动作，既节约能源、又保护系统，减轻了恶劣天气对系统的破坏。

4、本系统特别适合的是大型太阳能发电站，其在较小的地理区域内小间距密集拥有数百台发电板的情况，这里在每个地理区域之内安装少量的辅助光照与风力检测系统与一台控制中心即可。

5、辅助光照与风力检测系统补偿天气预报信息的不及时性与误报，使系统设计更加合理，运行更加可靠。

6、充分利用系统资源与网络条件，集成系统状态监控模块，增加了系统功能的同时，降低了系统整体成本。

附图说明

图1是本发明太阳能追日与状态监控系统结构图；

图2是跟踪架结构图；

图3是CAN总线硬件电路图；

图4是本发明太阳能追日与状态监控方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，一种太阳能追日与状态监控系，由上位机、光照检测装置、风力检测装置，追日传动装置等组成。本设计中一条CAN总线可以带100台传动装置，小于CAN总线要求的上限，发电站可以根据实际需要，扩展上位机连接CAN总线的数量。本设计将追日系统分为控制单元和执行单元，其中控制单元主要功能是计算、发布指令、采集环境信息。执行单元这里指追日传动装置。

(1)上位机：系统采用上位机作为控制中心，上位机可以是PC，也可能是基于Android的智能操作系统。网络可以选择无线或者有线，采用嵌入式智能系统将更加节能。其主要功能为：1、运行天文年历算法，定时发送追日信号(位置信息)；2、每隔30分钟访问网络一次，获取本地天气信息(天气现象、气温、风力等)。3、定时获取光照检测与风力检测装置的测试值，修正从网络获取的天气信息。4、根据日出日落时间和修正后的天气现象发送启动和停止信号。5、通过定时轮询方式顺序呼叫每个追日传动装置，被呼叫的传动装置及时给出应答，将自己的工作状态(根据需要可以附加发电状态等)作为点对点报文及时发给上位机。

(2)光照检测模块：其安装到任一太阳能发电板上，光照面与发电板位于同一平面，且跟随系统追日转动，该模块实时检测现场光照度，转换为数字值传给上位机，用作对天气预报信息的补充与纠正，所以对光照精确度要求不高。本发明采用集成式光电传感器P0188，然后外接ADC0832转换芯片对数据进行转换与采集。在上位机轮询时将现场光照度测试值传给上位机，为了提高抗干扰能力，可以分散安装2～3个光照检测模块。

(3)风力检测模块：其安装高度与太阳能发电板基本一致，可以采用市场常见的风速测试设备，也可以自行设计，风力值同样在上位机轮询时将现场风速测试值传给上位机，但风速测试值波动较大，所以一般采用多次采集结果的平均值。

(4)传动装置：其采用回转装置加推杆的方式进行设计，如图2所示，电机1通过减速器驱动回转盘满足方位角跟踪，电机2通过减速器实现的推杆结构控制高度角跟踪。跟踪器转速要求非常慢，而且追日系统的跟踪面一般达到40m²左右，在光伏发电模组全部安装上以后，整个运动机构达3吨左右，因此传动装置采用了大减速比，小功率电机的执行机构，使回转盘减速比到达了200000：1，这样不仅满足其稳定性要求，同时降低了系统的功耗，提高了系统的执行精度。追日系统设计高度角为15～90°，即跟踪面的法线与水平面夹角为15～90°，方位角可以实现260°旋转。

(5)CAN总线接口模块：如图3所示，其中CAN控制器采用美国MicrochipTechnology公司的8位单片机PIC18F458的内嵌CAN控制器，支持CAN2.0B协议，包含3个发送缓冲器、2个接受缓冲器、2个接收屏蔽器和6个接收过滤器。CAN收发器选用Phillips公司的CAN收发器PCA82C250。6N137光耦隔离信号，以提高CAN总线的抗干扰能力。R2是终端匹配电阻，当网络上其他节点无终端电阻时通过跳线器JP选用，其阻值根据距离而定。本方案采用29位扩展帧格式的标识符，其中第28-21位表示节点组号，第20-13位表示发送节点地址，第12位表示报文类型，既是广播报文还是点对点报文，第7-0位表示接收节点地址。

参照图4，一种太阳能追日与状态监控方法，包括以下步骤：

1)在设置模式下进行硬件初始化工作，接收过滤初始化和接收屏蔽初始化，包括节点地址初始化，CAN中断初始化，CAN发送口与接收口初始化，接收控制寄存器初始化和波特率初始化；初始化完成后设置为工作模式。

2)软件启动，通过上位机软件接口配置发电板所在的经纬度信息、海拔信息，县市信息，防风保护启动阈值、光照度阈值等信息，时间校验频率等。这里通过中国天气网(www.weather.com.cn)采集天气信息。

3)通过网络校验系统时间，在中国天气网上采集本地的日出日落时间与天气信息，(日出日落时间也可以计算得出)。

4)软件通过轮询方式顺序呼叫每个传动装置与检测装置(光照与风力检测装置)，被呼叫的传动装置及时给出应答，将自己的工作状态或检测值作为点对点报文及时发给上位机，上位机将数据处理后并上报，如果发现系统出错信息，则发送报警信息。

5)如果网络天气信息获取风力大于6级，且本地风力检测装置检测值持续超出防风保护阈值，则上位机广播防风保护指令，使发电板高度角较快地回到90°位置，以进行保护。

6)如果网络天气信息获取天气现象为阴雨雪天气，且现场光照检测装置检测光照度位于阈值之下，则上位机广播停止追日信号，使系统停止运行以节约能源。

7)如果当前时间在追日开启时间段内(日出日落时间内)，则将时间换算为儒略历，计算出黄道坐标与天球坐标，并根据本地纬度信息计算出太阳高度角与方位角，这里采用的具体算法为由Michalsky在文献“THE ASTRONOMICAL ALMANC’S ALGORITHM FORAPPROXIMATE SOLAR POSITION(1950-2050)，solar energy vol.40，No.3.pp.227-2351988”中提出的算法。如果到达日落时间，则转步骤11)。

8)然后根据高度角与大气折射误差的关系表得到出高度角的影响误差，计算海拔高度对高度角的影响。传动跟踪装置设计的跟踪角度为15°～90°，已经避开了误差较大的时间段，计算之后根据需要进行修正。

9)判断系统是否处于追日开启状态，如果是，上位机则广播水平角和俯仰角，传动系统驱动太阳能发电板到指定位置。

10)返回步骤3)循环执行。

11)关闭系统追日状态，广播保护指令，使高度角回到90°位置，以进行夜间保护，系统将不再发送任何指令，计算出下一天的日出时间，然后开启定时；定时到达后，系统执行步骤3)。

12)发电站工作人员，通过网络即可监控各发电板工作状态信息。

以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种太阳能追日与状态监控系统，其特征在于，主要由上位机、光照检测装置、风力检测装置、CAN总线接口模块和追日传动跟踪装置组成：

所述上位机运行天文年历算法，定时发送追日信号，每隔30分钟访问网络一次，获取本地天气信息，定时获取光照检测与风力检测装置的测试值，修正从网络获取的天气信息，根据日出日落时间和修正后的天气现象发送启动和停止信号，通过定时轮询方式顺序呼叫每个追日传动跟踪装置，被呼叫的追日传动跟踪装置及时给出应答，将其工作状态作为点对点报文及时发给上位机；

所述光照检测装置实时检测现场光照度，转换为数字值传给上位机，用作对天气预报信息的补充与纠正，采用集成式光电传感器PO188，然后外接ADC0832转换芯片对数据进行转换与采集，在上位机轮询时将现场光照度测试值传给上位机；

所述风力检测装置在上位机轮询时将现场风速测试值传给上位机；所述CAN总线接口模块负责接收来自下位机的现场测试数据，并且负责各类控制命令的实际发送，通过CAN总线接口模块完成了上位机与下位机之间的数据交换，CAN总线则是各模块间数据通信的媒介；所述的太阳能追日与状态监控系统采用CAN总线系统，保证了数据通信的可靠性、实时性与可扩展性；

所述追日传动跟踪装置由CAN总线接口模块和跟踪控制模块组成，接口模块接收上位机各类指令、解析后由跟踪控制模块驱动电机进行旋转；CAN总线接口模块接收到上位机轮询指令时，将发电板的当前位置状态、发电状态上传；

其中，所述的太阳能追日与状态监控的监控方法包括如下步骤，1)在设置模式下进行硬件初始化工作，接收过滤初始化和接收屏蔽初始化，包括节点地址初始化，CAN中断初始化，CAN发送口与接收口初始化，接收控制寄存器初始化和波特率初始化；初始化完成后设置为工作模式；

2)软件启动，通过上位机软件接口配置发电板所在的经纬度信息、海拔信息，县市信息，防风保护启动阈值、光照度阈值的信息，时间校验频率，通过中国天气网www.weather.com.cn采集天气信息；

3)通过网络校验太阳能追日与状态监控系统时间，在中国天气网上采集本地的日出日落时间与天气信息；

4)软件通过轮询方式顺序呼叫每个追日传动跟踪装置与光照检测装置和风力检测装置，被呼叫的追日传动跟踪装置、各个检测装置及时给出应答，将其工作状态或检测值作为点对点报文及时发给上位机，上位机将数据处理后并上报，如果发现所述的太阳能追日与状态监控系统出错信息，则发送报警信息；

5)如果网络天气信息获取风力大于6级，且本地风力检测装置检测值持续超出防风保护启动阈值，则上位机广播防风保护指令，使发电板高度角较快地回到90°位置，以进行保护；

6)如果网络天气信息获取天气现象为阴雨雪天气，且现场光照检测装置检测光照度位于阈值之下，则上位机广播停止追日信号，使所述的太阳能追日与状态监控系统停止运行以节约能源；

7)如果当前时间在追日开启时间段内，则将时间换算为儒略历，计算出黄道坐标与天球坐标，并根据本地纬度信息计算出太阳高度角与方位角，如果到达日落时间，则转步骤11)；8)然后根据高度角与大气折射误差的关系 表得到出高度角的影响误差，计算海拔高度对高度角的影响，追日传动跟踪装置设计的跟踪角度为15°～90°，已经避开了误差较大的时间段，计算之后根据需要进行修正；

9)判断所述的太阳能追日与状态监控系统是否处于追日开启状态，如果是，上位机则广播水平角和俯仰角，追日传动跟踪装置驱动太阳能发电板到指定位置；

10)返回步骤3)循环执行；

11)关闭所述的太阳能追日与状态监控系统追日状态，广播保护指令，使高度角回到90°位置，以进行夜间保护，所述的太阳能追日与状态监控系统将不再发送任何指令，计算出下一天的日出时间，然后开启定时；定时到达后，所述的太阳能追日与状态监控系统执行步骤3)；

12)发电站工作人员，通过网络即可监控各发电板工作状态信息。

2.一种太阳能追日与状态监控的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在设置模式下进行硬件初始化工作，接收过滤初始化和接收屏蔽初始化，包括节点地址初始化，CAN中断初始化，CAN发送口与接收口初始化，接收控制寄存器初始化和波特率初始化；初始化完成后设置为工作模式；

2)软件启动，通过上位机软件接口配置发电板所在的经纬度信息、海拔信息，县市信息，防风保护启动阈值、光照度阈值的信息，时间校验频率，通过中国天气网www.weather.com.cn采集天气信息；

3)通过网络校验太阳能追日与状态监控系统时间，在中国天气网上采集本地的日出日落时间与天气信息；

4)软件通过轮询方式顺序呼叫每个追日传动跟踪装置与光照检测装置和风力检测装置，被呼叫的追日传动跟踪装置、各个检测装置及时给出应答， 将其工作状态或检测值作为点对点报文及时发给上位机，上位机将数据处理后并上报，如果发现所述的太阳能追日与状态监控系统出错信息，则发送报警信息；

5)如果网络天气信息获取风力大于6级，且本地风力检测装置检测值持续超出防风保护启动阈值，则上位机广播防风保护指令，使发电板高度角较快地回到90°位置，以进行保护；

6)如果网络天气信息获取天气现象为阴雨雪天气，且现场光照检测装置检测光照度位于阈值之下，则上位机广播停止追日信号，使所述的太阳能追日与状态监控系统停止运行以节约能源；

7)如果当前时间在追日开启时间段内，则将时间换算为儒略历，计算出黄道坐标与天球坐标，并根据本地纬度信息计算出太阳高度角与方位角，如果到达日落时间，则转步骤11)；

8)然后根据高度角与大气折射误差的关系表得到出高度角的影响误差，计算海拔高度对高度角的影响，追日传动跟踪装置设计的跟踪角度为15°-90°，已经避开了误差较大的时间段，计算之后根据需要进行修正；

9)判断所述的太阳能追日与状态监控系统是否处于追日开启状态，如果是，上位机则广播水平角和俯仰角，追日传动跟踪装置驱动太阳能发电板到指定位置；

10)返回步骤3)循环执行；

11)关闭所述的太阳能追日与状态监控系统追日状态，广播保护指令，使高度角回到90°位置，以进行夜间保护，所述的太阳能追日与状态监控系统将不再发送任何指令，计算出下一天的日出时间，然后开启定时；定时到达后，所述的太阳能追日与状态监控系统执行步骤3)；

12)发电站工作人员，通过网络即可监控各发电板工作状态信息。