CN212379765U - 一种自供电平单轴跟踪支架控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种自供电平单轴跟踪支架控制器，包括高压直流电源、高压电源模块、电源管理模块、跟踪控制模块、角度传感器和驱动模块；所述高压直流电源由若干块光伏电池板串联形成；所述高压电源模块从所述高压直流电源直流高压端取电，转换为低压直流电供跟踪支架控制器使用；所述跟踪控制模块采用太阳历算法计算最佳跟踪角度，结合所述角度传感器反馈形成闭环控制，控制所述驱动模块将支架转动到目标角度，实现实时自动跟踪。本实用新型直接从光伏电池板上取电供给平单轴跟踪支架控制器，而不需要从光伏发电现场箱变引出220V交流电到每一个跟踪支架控制器，大大降低了成本，提升了系统可靠性。

Description

一种自供电平单轴跟踪支架控制器

技术领域

本实用新型涉及一种平单轴跟踪支架控制器，特别是涉及一种能够直接从光伏电池板取电，而不需要另外架设电源的自供电平单轴跟踪支架控制器，属于光伏发电领域。

背景技术

随着社会经济的高速发展，能源消耗越来越大。节约能源，保护环境已经成为人类可持续发展的必要条件。人们加强对可再生能源的开发和利用，太阳能光伏发电已经成为目前全球最热门的技术之一。

众所周知，由于太阳能电池板对太阳光的利用具有余弦效应，即太阳能电池板接收到的有效光通量等于光照度乘以电池板面积再乘以太阳光与电池板法线夹角的余弦值。电池板只有正对太阳，即余弦值等于1，才能接收到最大的光通量。因此，具有自动跟踪太阳能力的光伏发电系统能够显著提高发电效率。

目前，人们提出了各种各样的太阳跟踪技术，主要可以分为单轴跟踪和双轴跟踪两类。太阳相对地平面的运动轨迹主要可以分为高度角和方位角两个参量，单轴跟踪技术仅能够跟踪其中一个参量，双轴跟踪技术两个参量都能跟踪。目前，从技术的成熟度、可靠性、成本的角度出发，单轴跟踪技术相对双轴跟踪技术还具有明显的优势。

某一地区太阳在某一时刻的高度角h和方位角l可以由如下方式计算得到，

太阳的高度角h满足：sinh＝sinδ×sinφ+cosδ×cosφ×cosω；

太阳的方位角l满足：sinl＝cosδ×sinω/cosh；

其中：(1)φ为当地纬度；(2)δ为赤尾角(单位：度)计算近似公式为：

δ＝23.45×sin(360×(284+n)/365)，其中n为一年中的第n天；(3)ω为时角(单位：度)计算公式为：ω＝(12-T)×15，其中T为当地时间。

因此，可以计算出当地任一时刻的太阳高度角和方位角，在此基础上，可以进一步计算出最佳的跟踪角度。

当前，平单轴跟踪支架光伏发电通常采用场供电方式给跟踪支架控制器供电，即从光伏发电现场箱变引出220V交流电到每一个跟踪支架控制器。通常一个光伏发电子阵都有上百台跟踪支架控制器，现场需要铺设大量的电力电缆，大大增加了先期投入成本和后期维护成本，同时由于线缆布置复杂造成系统可靠性降低。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种自供电平单轴跟踪支架控制器。

本实用新型具体采用如下技术方案：

一种自供电平单轴跟踪支架控制器,其特征在于包括高压直流电源、高压电源模块、电源管理模块、跟踪控制模块、角度传感器和驱动模块；所述高压直流电源由若干块光伏电池板串联形成；所述高压电源模块采用DC/DC模块，从所述高压直流电源直流高压端取电，转换为低压直流电供跟踪支架控制器使用；所述跟踪控制模块采用太阳历算法计算最佳跟踪角度，结合所述角度传感器反馈形成闭环控制，控制所述驱动模块将支架转动到目标角度，实现实时自动跟踪。

本实用新型的自供电平单轴跟踪支架控制器，直接从光伏电池板上取电供给平单轴跟踪支架控制器，而不需要从光伏发电现场箱变引出220V交流电到每一个跟踪支架控制器，大大降低了成本，提升了系统可靠性。

优选地，所述跟踪支架控制器还包括蓄电池和电源管理模块，所述蓄电池作为备用电源，所述电源管理模块提供蓄电池充放电管理功能和主备电切换功能。在阳光充足电池板正常发电的时候给蓄电池充电，在阴雨天电池板不能发电的时候由蓄电池供电，保证跟踪支架能够回复到安全位置。

优选地，所述跟踪支架控制器还包括限位开关，所述限位开关限定支架在设定角度范围内转动跟踪，当触动限位开关，支架停止动作。

优选地，所述跟踪支架控制器还包括电池包加热模块，主要由两块电阻加热板，两个温度探头，控制电路板，保温材料和外壳组成，两个温度探头分别紧贴蓄电池两侧面，两块电阻加热板包覆在蓄电池两侧，蓄电池及电阻加热板都包覆在保温材料中，最外层布置保护外壳；所述控制电路板通过温度探头采集蓄电池工作温度，当温度低于零度时，控制电阻加热板对蓄电池进行加热至设定温度。电池包加热模块，能够保证在低温气候下控制器能够正常工作。

附图说明

图1为自供电平单轴跟踪支架控制器结构框图；其中，

101—光伏电池板 102—高压电源模块

103—电源管理模块 104—蓄电池

105—跟踪控制模块 106—GPS模块

107—角度传感器 108—限位开关

109—驱动模块

图2为DC/DC模块示意图；

图3为电源管理模块示意图；

图4为电池包加热模块示意图；

图5为跟踪控制原理图；

图6为限位开关示意图；

图7为驱动模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本实用新型的自供电平单轴跟踪支架控制器做进一步的详细描述，但不能因此而限制本实用新型的保护范围。

实施例1

图1是本实施例中自供电平单轴跟踪支架控制器结构框图。自供电平单轴跟踪支架控制器由若干个光伏电池板101、高压电源模块102、电源管理模块103、蓄电池104、跟踪控制模块105、GPS模块106、角度传感器107、限位开关108和驱动模块109等组件构成。

本实施例中使用了26块415W单晶双面光伏电池板串连，形成高压直流电源，开路电压约为1300V。

本实施例中高压电源模块102使用了一个1500V转32V直流DC/DC模块，功率为150W。DC/DC模块示意图如图2所示，主要由输入滤波电路201、高压开关管202、高频变压器203、整流电路204、输出滤波电路205、控制芯片206构成。高压输入经过输入滤波电路201，滤除输入电压中的干扰信号，经过高压开关管202转换为脉冲电压，再经过高频变压器203降压为低压脉冲电压，再经过整流电路204转换为低压直流，最后经过输出滤波电路205，滤除输出电压中的杂散脉冲成分，最终输出低纹波的低压直流电压供跟踪支架控制器使用，是系统主电源。本实施例控制芯片206采用型号为FAN301H的控制器，控制器采集输出电压值，与设定值比较，进而控制高压开关管202的开关频率，构成闭环控制输出稳定的电压。

蓄电池104作为备用电源，当主电源不能供电时，可以保持跟踪支架控制器正常工作。本实施例中蓄电池104使用了一个24V/10Ah的磷酸铁锂电池，主要由8串2并合计16块电芯构成。

电源管理模块103主要具有两个功能：蓄电池充放电管理功能和主备电切换功能。充放电管理功能主要包括充电、充电过流过压保护、放电过流欠压保护、锂电池低温自动预热等。主备电切换功能主要包括主电断电后自动切换到备电供电、主电正常后自动切换到主电供电。

如图3所示为电源管理模块示意图。本实施例中电源管理模块采用恒流源充电电路301实现，恒流源充电电路301以锂电池充电管理专用芯片LT3653为核心，结合外围电路，实现锂电池充放电管理及主备电切换功能。

高压电源模块102作为主电源给恒流源充电电路301供电，产生恒定电流给锂电池302充电。主电源及锂电池输出分别通过两个二极管303、304并联给负载供电。本实施例中主电为32V直流电压。恒流源充电电路301先以1A恒流对锂电池充电至27V，再以0.1A涓流将锂电池充满至28.2V。正常工作时，主电32V高于锂电池28.2V，二极管304不能导通，所以只有主电对负载供电；当主电掉电时，低于锂电池28.2V，二极管303不能导通，所以只有锂电池对负载供电；当主电恢复正常时，主电32V高于锂电池28.2V，二极管304不能导通，所以只有主电对负载供电，这样就实现了主备电自动切换。

跟踪控制模块105根据系统时间、安装位置地理坐标(可以手动输入)以及跟踪支架结构参数(例如电池板宽度、列间距等)，采用太阳历算法计算出最佳跟踪角度，结合角度传感器反馈构成闭环控制，控制驱动模块将支架转动到目标角度，从而实现实时自动跟踪。平单轴跟踪算法属于本领域普通技术人员熟悉的现有技术，本实用新型不涉及对跟踪算法的改进。

本实施例中跟踪控制模块以单片机STM32F103为核心，运行频率为72MHz，能够快速计算出跟踪目标角度，并且控制驱动模块将支架转动到目标角度。

如图5为跟踪控制原理图，单片机501获取实时时钟芯片502的当前时钟信息，通过天文算法计算出当前太阳高度角和方位角，进而计算出支架的最佳跟踪目标角度。角度传感器503安装在支架主梁下面，单片机501通过角度传感器503获取支架的当前实际角度，通过比较实际角度和目标角度，来控制H桥正反转驱动电路507，进而驱动电机，使得支架的实际角度向目标角度逐步靠近，直至两者的误差在允许的跟踪误差范围之内。限位开关504主要起到保护支架在设定角度范围内转动跟踪，当触动限位开关时，支架停止动作。GPS模块505用于每日一次校时，以保证系统时间准确。人机接口506主要包括键盘和LCD显示，可以通过键盘对系统参数进行设置，同时LCD显示当前工作状态。通信接口508提供有线及无线通信功能，上位机通过通信接口可以控制跟踪控制模块的工作模式，也能获取跟踪控制模块的工作状态。

如图6，限位开关主要由壳体601，触动杆602，限位销603、604，触点605，引线606构成。触点605为常开触点。限位开关安装在支架主梁下方，其触动杆可以跟随支架在平面内顺时针或逆时针旋转，限位销603、604分别位于触动杆602两侧，与触动杆602在同一圆周平面内，限制触动杆602顺时针或逆时针转动角度。当触动杆602顺时针或逆时针旋转碰到限位销时，触点605闭合，从而导致两个引线606短路，单片机STM32F103检测到这种短路信号时，立即停止驱动电路，从而保护支架在限位销限定的范围内工作。本实施例采用型号为LXJM1-8108的限位开关实现。

为了保证在低温气候下控制器能够正常工作，本实施例还设计了电池包加热模块，结构如图4所示，两块电阻加热板401、402包覆在锂电池两侧，温度探头404、405紧贴锂电池表面，锂电池及加热板都包覆在保温材料407中，最外层是保护外壳408。控制电路板以单片机STC15L32为核心，通过温度探头采集锂电池工作温度，当温度低于零度时，控制加热板加热，加热至温度达到25摄氏度停止加热。通过对锂电池包进行加热保温，就能够在低温环境下仍然能够对锂电池充放电，从而延长锂电池的使用寿命，提供了系统的可靠性。

本实施例中驱动模块采用了H桥正反转驱动电路、直流无刷电机和回转减速装置，具有6000Nm的输出扭矩，满足支架转动需求。H桥正反转驱动电路与跟踪控制模块连接，驱动电机与H桥正反转驱动电路连接。如图7所示，回转减速装置主要由蜗轮702，蜗杆703及外壳704构成，直流无刷电机701通过蜗杆703推动蜗轮702旋转，蜗轮702与支架螺丝连接，蜗轮旋转即带动支架转动。电机连线有正负两根输入线，当电压为+24～+32V时，电机正转，蜗杆推动蜗轮逆时针旋转；当电压为-24～-32V时，电机反转，蜗杆推动蜗轮顺时针旋转。

以上实施例仅用以说明而并非限制本实用新型的技术方案，不脱离本实用新型精神和范围的技术方案均应涵盖在本实用新型的专利申请范围当中。

Claims (7)

1.一种自供电平单轴跟踪支架控制器,其特征在于包括高压直流电源、高压电源模块、电源管理模块、跟踪控制模块、角度传感器和驱动模块；所述高压直流电源由若干块光伏电池板串联形成；所述高压电源模块采用DC/DC模块，从所述高压直流电源直流高压端取电，转换为低压直流电供跟踪支架控制器使用；所述跟踪控制模块以单片机为核心，采用太阳历算法计算最佳跟踪角度，结合所述角度传感器反馈形成闭环控制，控制所述驱动模块将支架转动到目标角度，实现实时自动跟踪。

2.如权利要求1所述的自供电平单轴跟踪支架控制器,其特征在于还包括蓄电池和电源管理模块，所述蓄电池作为备用电源，所述电源管理模块提供蓄电池充放电管理功能和主备电切换功能。

3.如权利要求2所述的自供电平单轴跟踪支架控制器,其特征在于还包括电池包加热模块，主要由两块电阻加热板，两个温度探头，控制电路板，保温材料和外壳组成，两个温度探头分别紧贴蓄电池两侧面，两块电阻加热板包覆在蓄电池两侧，蓄电池及电阻加热板都包覆在保温材料中，最外层布置保护外壳；所述控制电路板通过温度探头采集蓄电池工作温度，当温度低于零度时，控制电阻加热板对蓄电池进行加热至设定温度。

4.如权利要求1所述的自供电平单轴跟踪支架控制器,其特征在于还包括GPS模块，用于校准系统时间。

5.如权利要求1所述的自供电平单轴跟踪支架控制器,其特征在于包括限位开关，所述限位开关限定支架在设定角度范围内转动跟踪，当触动限位开关，支架停止动作。

6.如权利要求5所述的自供电平单轴跟踪支架控制器,其特征在于所述限位开关主要由壳体，触动杆，两个限位销，触点，引线构成；所述两个限位销分别布置在触动杆的两侧；所述触点为常开触点；限位开关与支架联动安装，使触动杆在平面内顺时针或逆时针旋转，当触动杆碰到任一限位销时，触点闭合，使两个引线短路，单片机检测到短路信号时，立即停止驱动电路。

7.如权利要求1所述的自供电平单轴跟踪支架控制器,其特征在于所述驱动模块包括H桥正反转驱动电路、驱动电机、回转减速装置，所述H桥正反转驱动电路与跟踪控制模块连接，所述驱动电机与H桥正反转驱动电路连接，所述回转减速装置主要由蜗轮和蜗杆组成，所述驱动电机通过蜗杆推动蜗轮旋转，所述蜗轮带动支架转动。

Images