CN105183010A - 一种光伏跟踪方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏跟踪方法及系统。光伏跟踪方法包括步骤：获取系统时间，并根据获取到的系统时间计算得出太阳角度值；根据太阳角度值计算得出太阳光在跟踪器上的投影角度；生成并发送“将投影角度作为光伏组件的目标角度”的第一指令；获取所述光伏组件的实际角度；对比所述光伏组件的实际角度与目标角度，得出光伏组件需要调整的角度，并将“需要调整的角度”作为第二指令；驱动光伏组件执行第二指令，使光伏组件调整角度至所述目标角度。本发明通过已知的太阳轨迹来调整光伏组件的角度，其操作步骤简单，运行成本低，能够使光伏组件有效跟踪太阳，从而提高光伏系统的发电效率，并且系统安装方式灵活，地势适应性极佳。

Description

一种光伏跟踪方法和系统

技术领域

本发明涉及光伏系统设计领域，尤指一种光伏跟踪方法和系统。

背景技术

随着社会和科学技术的发展，光伏系统的生产技术不断得到提高，并且日益广泛应用于各个领域。光伏系统是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。光伏系统是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。光伏系统不仅能够将太阳能转化为电能，还能够将电能蓄电池中存储起来，或者用于推动负载工作。

为提高光伏系统的发电效率，降低总运行成本，本领域的技术人员会将光伏系统设计为将光伏组件对太阳全天候追踪，通过传感器或者GPS定位系统来计算得出太阳的位置，然后再将调整光伏组件角度，使其可以正对着光伏组件，从而有效吸收太阳光。但是这种光伏系统一般设计较为复杂，不利于在复杂地势处进行布局，且系统运行成本高。

因此，本申请人致力于提供一种光伏跟踪方法以及系统，通过已知的太阳轨迹来调整光伏组件的角度，其操作步骤简单，运行成本低，能够使光伏组件有效跟踪太阳，从而提高光伏系统的发电效率，并且安装方式灵活，可以应用于复杂地势的环境中，地势适应性极佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏跟踪方法以及系统，通过已知的太阳轨迹来调整光伏组件的角度，其操作步骤简单，运行成本低，能够使光伏组件有效跟踪太阳，从而提高光伏系统的发电效率，并且安装方式灵活，可以应用于复杂地势的环境中，地势适应性极佳。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏跟踪方法，包括步骤：

(1)获取系统时间，并根据获取到的系统时间计算得出太阳角度值；

(2)根据所述太阳角度值计算得出太阳光在跟踪器上的投影角度；

(3)生成并发送“将所述投影角度作为光伏组件的目标角度”的第一指令；

(4)获取所述光伏组件的实际角度；

(5)对比所述光伏组件的实际角度与目标角度，得出所述光伏组件需要调整的角度，并将“需要调整的角度”作为第二指令；

(6)驱动所述光伏组件执行所述第二指令，使所述光伏组件调整角度至所述目标角度。

相较于传统的跟踪方法，本发明中的跟踪方法不包括监测跟踪太阳轨迹的步骤，而是直接采用已知的太阳轨迹来计算得出光伏组件的目标角度，这简化了跟踪方法的步骤，提高了跟踪的效率，并且由于太阳轨迹在一定时间以及地理范围内比较稳定，因此采用已知的太阳轨迹也具有一定的精确度。而且本方法在调整光伏组件的角度前，系统需要获取光伏组件的实际角度，再根据此实际角度和目标角度的对比得出光伏组件实际需要调整的角度，这样设置提高了系统调节光伏组件角度时的精确度。

优选地，所述光伏跟踪方法还包括步骤：获取卫星时间以及地理位置，与系统时间进行对比后校准所述系统时间。

这样设置可以调节系统时间的准确度，从而提高光伏系统跟踪的精确度。

优选地，所述光伏跟踪方法还包括步骤：采集环境风速，生成环境风速信息，并根据环境风速信息决定是否生成大风保护指令。

这样设置提高了系统的安全性。

优选地，所述光伏跟踪方法在步骤(1)前设置步骤：将输入电压调整为系统电压。

这样设置可以降低系统对于电源的要求，从而提高了系统的灵活性。

优选地，所述步骤(3)中生成的第一指令由一个主控系统生成并发送至多个驱动装置，且一个驱动装置可以用于驱动多个所述光伏组件执行指令。

这样设置使本系统的应用更为灵活，且扩大了本系统的应用范围。

本发明还提供了一种光伏跟踪系统，包括驱动装置，还包括中央主机，所述中央主机内设有时间电路、第一MCU执行模块和无线发送模块，所述时间电路用于获取系统时间，所述第一MCU执行模块用于根据所述时间电路获取的系统时间计算得出太阳角度值，并通过所述太阳角度值计算得出太阳光在跟踪器上的投影角度，并生成“将所述投影角度作为光伏组件的目标角度”的第一指令。

所述驱动装置的数目为一个或者多个，所述驱动装置与至少一个光伏组件连接，所述驱动装置上设有无线接收模块和第二MCU执行模块，所述无线接收模块用于接收所述无线发送模块发送的第一指令，并将其发送给所述第二MCU执行模块。

每个所述光伏组件上均设有一角度感应模块，所述角度感应模块用于感应所述光伏组件的实际角度，并将其发送给所述第二MCU执行模块，所述第二MCU执行模块分析所述第一指令和所述光伏组件的实际角度后，将“需要调整的角度”作为第二指令，驱动所述光伏组件执行所述第二指令调整角度至目标角度。

本系统通过设置中央主机根据已知的太阳轨迹来计算得到光伏组件的目标角度，驱动装置根据目标角度以及光伏组件的实际角度的比较得出光伏组件需要调整的角度，再由驱动装置驱动光伏组件调整角度至目标角度。本系统的操作步骤少，运行成本低。并且由于中央主机和驱动装置通过无效接收模块和无线发送模块收发指令，从而提高了本系统的灵活性，可以使本系统可以安装到地势较复杂的环境中，并且有效减少了系统中电缆的长度，更加便于系统的布置，且提高了系统的安全性。

优选地，所述驱动装置的数目为多个，多个所述驱动装置设置在不同区域，且所述驱动装置与多个光伏组件连接，所述多个光伏组件设置在同一区域。

这样设置可以提高本系统的灵活性，可以根据实际情况设置驱动装置的数目以及每个驱动装置连接的光伏组件的数目。

优选地，所述驱动装置的工作电压取自于所述光伏组件生成的电能。

这样设置，避免了在系统中为驱动装置再配备额外的电源，实现了自取自用，节约了成本，并且可以提升光伏跟踪系统的工作效率。

优选地，所述第一MCU执行模块通过天文算法计算太阳角度值，通过跟踪算法计算太阳光在跟踪器上的投影角度。

优选地，所述中央主机内还设有GPS模块，所述GPS模块用于获取卫星时间，所述卫星时间用于校准所述时间电路获取的系统时间。

通过GPS模块来校准系统时间的准确度，从而提高中央主机计算光伏组件的目标角度的精确度。

优选地，所述中央主机内还设有风感采集模块，所述风感采集模块用于实时采集环境风速，生成环境风速信息并将其发送至所述第一MCU执行模块，所述第一MCU执行模块根据所述环境风速信息决定是否生成大风保护指令；

风感采集模块的设置可以在大风环境中保护系统不受破坏。

优选地，所述中央主机内还设有电源管理模块，所述电源管理模块用于将输入电压调整为系统电压。

电源管理模块的设置降低了系统对输入电压的要求，从而提高了系统的灵活性。

优选地，所述中央主机内部的第一MCU执行模块、无线发送模块、电源管理模块、GPS模块和风感采集模块均采用冗余备份。

当上述模块出现故障时，系统可以采用冗余备份的模块，这样可以避免系统由于个别模块的故障造成整个系统不能正常工作。

优选地，所述无线发送模块和无线接收模块均采用433M无线模块。

优选地，所述电源管理模块包括一ORING控制器，用于对系统电源进行热备份。

ORING控制器可以使系统在不同的电源之间进行切换，这样设置可以避免正在使用的电源发生故障时，系统不能正常工作。

综上所述，本发明的光伏跟踪方法和系统可以实现以下有益效果。

1、本发明的光伏跟踪方法直接通过已知的太阳轨迹得出光伏组件的目标角度，再对比光伏组件的实际角度，得出光伏组件需要调节的角度，再驱动光伏组件调整至目标角度。本方法操作步骤少，总运行成本低，且用本发明方法来调节光伏组件时，其角度调节精度较高。

2、本发明的光伏跟踪系统通过中央主机计算得出光伏组件的目标角度，驱动装置再对比角度感应模块获取的光伏组件的实际角度，得出光伏组件需要调节的角度，最后由驱动装置驱动光伏组件调整角度至目标角度。本系统设计简单、执行的步骤少、运行成本低，且中央主机与驱动装置之间通过无线发送模块和无线接收模块收发信息，从而提高了系统的灵活性，使本系统可以应用到地势较为复杂的环境中，且系统中电缆少，使其布置方便、安全性高。

3、本发明的光伏跟踪系统可以设为一个中央主机与多个驱动装置连接，每个驱动装置与多个光伏组件连接的形式，这样在地势较为复杂的环境中，可以分区域布置驱动装置和光伏组件，使本系统的应用更为灵活。

4、本发明的光伏跟踪系统通过设置GPS模块来校准系统时间，从而提高系统的精确度；通过设置风感采集模块，可以保护系统在大风环境中不受破坏；通过设置电源管理模块，降低了系统对输入电压的要求，从而提高系统的灵活性。

5、本发明的光伏跟踪系统的中央主机内部的第一MCU执行模块、无线发送模块、电源管理模块、GPS模块和风感采集模块均采用冗余备份，这样设置可以提高系统的安全性，避免由于部分模块发生故障导致整个系统不能正常工作。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明光伏跟踪方法的具体实施例一的流程示意图；

图2是本发明光伏跟踪方法的具体实施例二的流程示意图；

图3是本发明光伏跟踪系统的具体实施例一的结构示意图；

图4是本发明光伏跟踪系统的具体实施例二的结构示意图；

图5是本发明光伏跟踪系统的具体实施例二的局部结构示意图；

图6是纬度39.6°、经度116.2°以及海拔高度55m处的太阳轨迹图；

图7是本发明光伏跟踪系统使用的跟踪算法的示意图；

图8是本发明光伏跟踪系统的具体实施例三的俯视图。

附图标号说明：

中央主机1，时间电路11，第一MCU执行模块12，无线发送模块13，驱动装置2、M1、M2、M3、M4，无线接收模块21，第二MCU执行模块22，光伏组件3、L11、L12、L13、L21、L22、L23、L31、L32、L33、L41、L42、L43，角度感应模块31，跟踪器32；

太阳光线A，太阳光线投影轴线B，光伏组件实际角度位置C，光伏组件目标角度位置D，调整角度E。

具体实施方式

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，下面将对实施例或现有技术描述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。

如图1所示，公开了光伏跟踪方法的具体实施例一，包括步骤：

S1获取系统时间，并根据获取到的系统时间计算得出太阳角度值；

S2根据所述太阳角度值计算得出太阳光在跟踪器上的投影角度；

S3生成并发送“将所述投影角度作为光伏组件的目标角度”的第一指令；

S4获取所述光伏组件的实际角度；

S5对比所述光伏组件的实际角度与目标角度，得出所述光伏组件需要调整的角度，并将“需要调整的角度”作为第二指令；

S6驱动所述光伏组件执行所述第二指令，使所述光伏组件调整角度至所述目标角度。

示例性的，如图2所示，公开了光伏跟踪方法的具体实施例二。具体实施例二包括具体实施例1中的步骤S1至步骤S6，另外具体实施例二还包括：

步骤S01将输入电压调整为系统电压；

步骤S02获取卫星时间以及地理位置，与系统时间进行对比后校准所述系统时间；

步骤S03采集环境风速，生成环境风速信息，并根据环境风速信息决定是否生成大风保护指令。

需要说明的是，在本发明的光伏跟踪方法的其它具体实施例中步骤S01、步骤S02和步骤S03均可以选择性设置，且步骤S01设置在步骤S1之前，而步骤S02和步骤S03在光伏跟踪方法中的顺序位置均可以按照需要进行调整。

具体的，在上述两个具体实施例中，步骤S3中生成的第一指令由一个主控系统生成并发送至多个驱动装置，且一个驱动装置用于驱动多个所述光伏组件执行指令。这样设置使本方法的应用更为灵活，且扩大了本方法的应用范围。

如图3所示，本具体实施例公开了一种光伏跟踪系统，包括中央主机1、驱动装置2，中央主机1内设有时间电路11、第一MCU执行模块12和无线发送模块13，时间电路11用于获取系统时间，第一MCU执行模块12用于根据时间电路11获取的系统时间计算得出太阳角度值，并通过太阳角度值计算得出太阳光在跟踪器32上的投影角度，并生成“将所述投影角度作为光伏组件的目标角度”的第一指令。

在具体实施例一种，驱动装置2的数目为一个，驱动装置与一个光伏组件3连接，驱动装置2上设有无线接收模块21和第二MCU执行模块22，无线接收模块21用于接收由中央主机内1的无线发送模块13发送的第一指令，并将其发送给第二MCU执行模块22。

光伏组件3上设有角度感应模块31，角度感应模块31用于感应光伏组件3的实际角度，并将其发送给第二MCU执行模块22，第二MCU执行模块22分析第一指令和光伏组件3的实际角度后，将“需要调整的角度”作为第二指令，驱动光伏组件3执行第二指令，驱动光伏组件3调整角度至目标角度。

具体的，驱动装置2的工作电压取自于光伏组件3生成的电能。

具体的，中央主机1的第一MCU执行模块12根据实际的太阳轨迹通过天文算法计算得到太阳角度值，通过跟踪算法计算太阳光在跟踪器上的投影角度，从而得到光伏组件最后的目标角度。

图6为纬度39.6°、经度116.2°以及海拔高度55m处的太阳轨迹全年路线图。不同的地点，太阳轨迹图不一样。基于不同的气象卫星，总结出来的太阳轨迹图也会略有不同。以欧洲和中国为例，Meteonorm气象卫星的数据较准确。

天文算法通过公式(1)和(2)可计算得到太阳角度值，太阳角度值包括太阳的高度hs和方位角As：

(1)sinh_s＝sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cosΩ

${\mathrm{cosA}}_s=\frac{sin\mathrm{\δ}\·\cos \mathrm{\φ}-cos\mathrm{\δ}\·\cos \mathrm{\φ}\·cos\mathrm{\Ω}}{{\sinh }_s}---\left(2\right)$

日出、日落时刻的太阳方位角计算公式采用公式(3)：

(3)cosAs＝-sinδ/cosφ

式中：为当地纬度，δ为太阳赤纬，δ作为公知知识可查询得到。

Ω为太阳时角，Ω的计算公式为：

(4)Ω＝(TT-12)×15°

式中：TT以正午12时为0。

TT为真太阳时，TT的计算公式为：

(5)TT＝CT+LC+EQ,

式中：CT为北京时，LC为经度订正(4min/度)，地方子午圈在北京子午圈的东边时，LC为正，反之为负，EQ为时差

如图7所示，跟踪算法实现将太阳光线A投影到太阳光线投影轴线B的分量。在三维空间中，光伏组件3跟随跟踪器32旋转，旋转的度数为调整角度E，从光伏组件实际角度位置C运动到光伏组件目标角度位置D，光伏组件目标角度位置D与太阳光线投影轴线B处于空间垂直状态。

示例性的，中央主机内还设有GPS模块，GPS模块用于获取卫星时间，卫星时间用于校准所述时间电路获取的系统时间。通过GPS模块来校准系统时间的准确度，从而提高中央主机计算光伏组件的目标角度的精确度。

示例性的，中央主机1内还设有风感采集模块，风感采集模块用于实时采集环境风速，生成环境风速信息并将其发送至第一MCU执行模块12，第一MCU执行模块12根据所述环境风速信息决定是否生成大风保护指令。风感采集模块的设置可以在大风环境中保护系统不受破坏。

示例性的，中央主机1内还设有电源管理模块，电源管理模块用于将输入电压调整为系统电压。电源管理模块的设置降低了系统对输入电压的要求，从而提高了系统的灵活性。

具体的，中央主机1内部的第一MCU执行模块12、无线发送模块13、电源管理模块、GPS模块和风感采集模块均采用冗余备份。在接口上采用单刀双掷器件，使系统可以在备份模块之间进行切换。当某一模块出现故障时，系统可以通过采用冗余备份的相应模块，避免由于个别模块的故障造成整个系统不能正常工作。

具体的，中央主机1内的无线发送模块13和驱动装置2内的无线接收模块21均采用433M无线模块。

示例性的，电源管理模块包括一ORING控制器，用于对系统电源进行热备份，提高系统的安全性能。

如图4所示，具体实施例二与具体实施例一的不同之处在于，在具体实施例一中，驱动装置2的数目为一个，在具体实施例二中，驱动装置的数目为四个，分别为驱动装置M1、M2、M3、M4。另外，在具体实施例一中，驱动装置2仅与一个光伏组件3连接，在具体实施例二中，一个驱动装置与三个光伏组件连接，具体表现形式为，驱动装置M1与光伏组件L11、L12、L13连接，驱动装置M2与光伏组件L21、L22、L23连接，驱动装置M3与光伏组件L31、L32、L33连接，驱动装置M4与光伏组件L41、L42、L43连接。

具体实施例二在应用中，可以根据地势将驱动装置M1以及光伏组件L11、L12、L13设置在第一区域，将驱动装置M2以及光伏组件L21、L22、L23设置在第二区域，将驱动装置M3以及光伏组件L31、L32、L33设置在第三区域，将驱动装置M4以及光伏组件L41、L42、L43设置在第四区域。如图5所示，光伏组件L11、L12、L13按照不同的地势集中排布。

这样的分布体现了本发明的光伏跟踪方法可以灵活地根据地势进行排布，地形适用性极佳。并且，中央主机1和驱动装置M1、M2、M3、M4是通过无线发送模块和无线接收模块收发信息，因此可以减少光伏跟踪系统在施工时电缆的排布，提高了施工效率，且系统的安全性得到了提高。

当然了，在其他具体实施例中，驱动装置的个数可以根据实际需要设为两个、六个、十个、或者更多个数，每个驱动装置连接的光伏组件的个数也可以设为两个、五个、八个或者更多个数，并且同一系统中不同的驱动装置连接的光伏组件的数目可以不同；GPS模块、风感采集模块以及电源管理模块均可以选择性设置；此外，还需要说明的是，中央主机的数目为多个的光伏跟踪系统也应在本发明的保护范围内。

示例性的，图4中所示的光伏跟踪系统的具体实施例二的具体应用情况如下：

中央主机1内的时间电路11获取系统时间，第一MCU执行模块12根据时间电路11获取的系统时间通过天文算法计算得出太阳角度值，并根据太阳角度值通过跟踪算法计算得出太阳光在跟踪器上的投影角度，并生成“将所述投影角度作为光伏组件的目标角度”的第一指令。

中央主机1通过无线发送模块13将第一指令发送给驱动装置M1、M2、M3、M4，驱动装置M1、M2、M3、M4上的无线接收模块21接收第一指令并将其发送至第二MCU执行模块22。

驱动装置M1、M2、M3、M4上连接的光伏组件的角度感应模块31感应光伏组件的实际角度，并将其发送给第二MCU执行模块22，第二MCU执行模块22分析第一指令和光伏组件的实际角度后，将“需要调整的角度”作为第二指令。驱动装置M1、M2、M3、M4分别驱动各自连接的光伏组件执行第二指令，使其调整角度至目标角度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光伏跟踪方法，其特征在于，包括步骤：

(1)获取系统时间，并根据获取到的系统时间计算得出太阳角度值；

(2)根据所述太阳角度值计算得出太阳光在跟踪器上的投影角度；

(3)生成并发送“将所述投影角度作为光伏组件的目标角度”的第一指令；

(4)获取所述光伏组件的实际角度；

(5)对比所述光伏组件的实际角度与目标角度，得出所述光伏组件需要调整的角度，并将“需要调整的角度”作为第二指令；

(6)驱动所述光伏组件执行所述第二指令，使所述光伏组件调整角度至所述目标角度。

2.如权利要求1所述的光伏跟踪方法，其特征在于：

所述光伏跟踪方法还包括步骤：获取卫星时间以及地理位置，与系统时间进行对比后校准所述系统时间；

和/或；

包括步骤：采集环境风速，生成环境风速信息，并根据环境风速信息决定是否生成大风保护指令；

和/或；

在步骤(1)前设置步骤：将输入电压调整为系统电压。

3.如权利要求1或2任一项权利要求所述的光伏跟踪方法，其特征在于：

所述步骤(3)中生成的第一指令由一个主控系统生成并发送至多个驱动装置，且一个驱动装置可以用于驱动多个所述光伏组件执行指令。

4.一种光伏跟踪系统，包括驱动装置，其特征在于：

还包括中央主机，所述中央主机内设有时间电路、第一MCU执行模块和无线发送模块，所述时间电路用于获取系统时间，所述第一MCU执行模块用于根据所述时间电路获取的系统时间计算得出太阳角度值，并通过所述太阳角度值计算得出太阳光在跟踪器上的投影角度，并生成“将所述投影角度作为光伏组件的目标角度”的第一指令；

所述驱动装置的数目为一个或者多个，所述驱动装置与至少一个光伏组件连接，所述驱动装置上设有无线接收模块和第二MCU执行模块，所述无线接收模块用于接收所述无线发送模块发送的第一指令，并将其发送给所述第二MCU执行模块；

每个所述光伏组件上均设有一角度感应模块，所述角度感应模块用于感应所述光伏组件的实际角度，并将其发送给所述第二MCU执行模块，所述第二MCU执行模块分析所述第一指令和所述光伏组件的实际角度后，将“需要调整的角度”作为第二指令，驱动所述光伏组件执行所述第二指令调整角度至目标角度。

5.如权利要求4所述的光伏跟踪系统，其特征在于：

所述驱动装置的数目为多个，多个所述驱动装置设置在不同区域，且所述驱动装置与多个光伏组件连接，所述多个光伏组件设置在同一区域。

6.如权利要求4所述的光伏跟踪系统，其特征在于：

所述驱动装置的工作电压取自于所述光伏组件生成的电能。

7.如权利要求4所述的光伏跟踪系统，其特征在于：

所述第一MCU执行模块通过天文算法计算太阳角度值，通过跟踪算法计算太阳光在跟踪器上的投影角度。

8.如权利要求4所述的光伏跟踪系统，其特征在于：

所述中央主机内还设有GPS模块，所述GPS模块用于获取卫星时间，所述卫星时间用于校准所述时间电路的系统时间；

和/或；

所述中央主机内还设有风感采集模块，所述风感采集模块用于实时采集环境风速，生成环境风速信息并将其发送至所述第一MCU执行模块，所述第一MCU执行模块根据所述环境风速信息决定是否生成大风保护指令；

和/或；

所述中央主机内还设有电源管理模块，所述电源管理模块用于将输入电压调整为系统电压。

9.如权利要求8所述的光伏跟踪系统，其特征在于：

所述中央主机内部的第一MCU执行模块、无线发送模块、电源管理模块、GPS模块和风感采集模块均采用冗余备份。

10.如权利要求4至9中任一项所述的光伏跟踪系统，其特征在于：

所述无线发送模块和无线接收模块均采用433M无线模块；

和/或；

所述电源管理模块包括一ORING控制器，用于对系统电源进行热备份。