利用光感差的光伏跟蹤裝置及基於網絡的監控方法

2023-05-27 21:11:31 2

專利名稱：利用光感差的光伏跟蹤裝置及基於網絡的監控方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能跟蹤裝置及其監控方法，具體是一種利用光感差的光伏跟
蹤裝置及基於網絡的監控方法。
二背景技術：
近年來，能源緊張問題已經引起各國恐慌，人們開發了各種可再生清潔能源的利用技術，包括風能、太陽能、核能以及地熱能等。其中太陽能作為一種清潔無汙染、取之不盡、用之不竭的可再生能源，已經在世界各國被廣泛利用。目前，太陽能的利用分為光熱和光電兩種方式，其中光電用途更加廣泛。將太陽能轉化為電能需要吸收太陽光照的電池板以及配套的電力設備，如電流轉化設備和電路控制元件等。用電池板吸收光照發電，比較常見的技術是選用固定支架，按照當地地理位置條件計算得到一定角度後安裝。但由於太陽光照具有方向性、分散性及不穩定性等特點，這種安裝方式存在光電轉換效率低等缺點。而光伏跟蹤技術可以根據太陽轉動而調整電池板角度，以實現較高的光電轉換效率。光伏跟蹤系統大體可分為程序式和光傳感式。程序式跟蹤系統是利用統計數據計算得出的經驗資料，而實際的光照情況不管是緯度還是經度都有差別，對光傳感模式而言，如果傳感器出現故障或陰雨等天氣，光感部件會喪失工作能力，也會出現錯誤命令和操作等，如果出現跟蹤錯誤或其他故障，必須到現場檢查其跟蹤和控制裝置情況才可發現問題並解決，不能實現對跟蹤系統的遠距離控制。對大型光伏電站來說，通常都有大量的跟蹤系統組成，更無法對某一系統出現的問題採取即時補救措施，影響工作效率等。
三
發明內容
本發明的目的就是針對現有技術存在的缺陷，提供一種工作效率高，準確度高的利用光感差的光伏跟蹤裝置及基於網絡的監控方法。 其技術方案是利用光感差的光伏跟蹤裝置，包括光感部分和主體部分，光感部分結構包括安裝在光感部分的最頂層的透光孔，安裝於透光孔的一旁，並不被透光孔幹擾，始終接受完全光照的，測量光照方位角的第1光照度傳感器，安裝於透光孔的一側邊緣部分垂直下方的，不能始終完全接受光照，測量光照方位角的第2光照度傳感器，安裝於透光孔中間部分垂直下方的，可始終完全接受光照，測量光照高度角的第3光照度傳感器，安裝於透光孔另一側邊緣部分垂直下方的，不能始終完全接受光照，測量光照高度角的第4光照度傳感器，其中第1角度傳感器用於測量東西方向傾斜度(經度)，第2角度傳感器用於測量南北方向傾斜度(緯度)；主體部分包括接收第1、第2、第3、第4光照度傳感器探測到的光照度值的輸入部，對比從輸入部傳來的光照度值後，並生成由角度傳感器測得的太陽緯度及經度，輸出緯度及經度跟蹤信號的信號處理部，回應信號處理部的經度跟蹤信號，驅動跟蹤裝置的光感部分按東西方向轉動的第1發動機的經度跟蹤驅動部，回應信號處理部的緯度跟蹤信號，驅動跟蹤裝置的光感部分按南北方向轉動的第2發動機的緯度跟蹤驅動部，傳送從信號處理部輸出的太陽緯度及經度數據的發送部，存儲信號處理部的歷史緯度、經度數據的存儲部，其中，所述的光感部分能夠在東西方向-90°至+90°的角度範圍內旋轉，主體部分能夠在南北方向-45°至+45°的角度範圍內旋轉。
其基於網絡的監控方法是通過以下步驟來實現的
1)設定太陽緯度及經度測量範圍；
2)設定跟蹤系統跟蹤時間； 3)調節跟蹤裝置以跟蹤太陽光照，並生成與跟蹤到的太陽緯度及經度相對應的跟蹤裝置傾斜度； 4)比較生成的傾斜度數據是否屬於已設定的太陽經緯度範圍；
5)將傾斜度數據傳送給電池板角度調節器；
6)利用傳送的傾斜度數據調節電池板。 本發明的效果是能夠更加精確的跟蹤光照，提高光吸收轉換效率；能夠更加便捷、及時的跟蹤光照，能夠一次性完成驅動大量太陽能電池板，提高驅動效率，可以最大限度的減少角度調節裝置的由於加速和減速造成的磨損，降低角度調節器的故障發生率，延長裝置壽命，降低運營成本，在大型光伏電站的離線操作應用中更具有優勢。
四

附圖1是本發明利用光感差的光伏跟蹤裝置的大致示意圖； 附圖2是表示利用光感差的光伏跟蹤裝置中光感部分和主體部分在各自方向上旋轉角度範圍的示意圖； 附圖3是跟蹤裝置光感部分某一瞬間的工作示意圖(側面)； 附圖4是跟蹤裝置在某工作瞬間的切面俯視圖； 附圖5是跟蹤裝置光感部分某工作瞬間的俯視圖； 附圖6是春/秋分時，該跟蹤裝置跟蹤太陽緯度的工作示意圖； 附圖7是本發明光伏跟蹤裝置中主體部分大致方塊圖； 附圖8是本發明用於光伏跟蹤、監控系統的工作模塊圖； 附圖9是基於網絡的光伏跟蹤監控系統工作順序圖； 附圖10是本發明應用於光伏跟蹤監控系統的工作方塊圖； 附圖11電池板調節工作的過程方塊圖。
五具體實施例方式
參照附圖，本發明的詳細內容及具體工作過程可參照附圖及接下來的文字介紹來說明。 如圖l，本跟蹤裝置包括光感部分(110)、主體部分(120)及控制光感部分東西轉向的第l旋轉軸(141)和控制南北轉向的第2旋轉軸(142)和跟蹤裝置的支撐柱(130)。主體部分(120)的一側上端通過第l旋轉軸(141)連接光感部分(IIO)，並由支撐部(130)來支撐。 光感部分上面安裝了測量太陽方位角和高度角的光照傳感器，包括隨太陽轉動能一直完全接受光照和有時不能完全接受光照的光照傳感器。當其中的光照傳感器不能完全接受光照時，它輸出的光照值會比完全接受光照的傳感器輸出的值小。
主體部分包括接受從光感部分傳來光照度值的輸入部(710)、信號處理部(720)、經度跟蹤驅動部(730)、緯度跟蹤驅動部(740)、向電池板角度調節部輸送信號的發送部(750)、存儲光感部分歷史數據的存儲部(760)和第l發動機(光感部分)、第2發動機(主體部分)。 跟蹤裝置的光感部分(110)是通過第1旋轉軸(141)以東西方向旋轉，而主體部分(120)則通過第2旋轉軸(142)以南北方向旋轉。整個裝置通過支撐(130)固定在地面。
如圖2所示，跟蹤裝置的光感部分(110)以第l旋轉軸為基準按東西方向旋轉，主體部分(120)則以第2旋轉軸(142)為基準按南北方向旋轉。第l旋轉軸(141)和第2旋轉軸(142)類似x軸和y軸一樣垂直交叉即通過第l旋轉軸(141)光感部分(110)按東西方向轉動，主體部分(120)不會轉動；而主體部分(120)通過第2旋轉軸(142)轉動時，光感部分(110)就會一同在南北方向轉動。 其中，假設太陽可以位於南半球上的任意位置，光感部分(110)和主體部分(120)的旋轉角度範圍可分別達到最大-90° -+90° 。 如圖3所示，整個光感部分(110)包括透光孔(310)、第1光照傳感器(321)、第2光照傳感器(322)、第3光照傳感器(323)和第4光照傳感器(324);以及兩個角度傳感器(331) 、 (332)。 其中，透光孔(310)安裝在光感部分的最頂層，為狹長的長方形。第1光照傳感器(321)安裝在透光孔(310) —側、光感部分的最前端，並不受任何部件遮掩，在跟蹤光照過程中永遠能完全接受關照；在透光孔(310)中間部分的垂直下方安置光照傳感器(323)，在跟蹤光照的緯度過程中，傳感器(323)也能始終完全接受光照。 第2光照度傳感器(322)及第4光照度傳感器(324)分別安裝在透光孔(310)的一側及另一側邊緣部分的垂直下方。其中，第2光照度傳感器(322)跟蹤太陽經度，而第4光照度傳感器(324)跟蹤太陽緯度。當光照通過透光孔(310)完全照射到第2、第3、第4等光照度傳感器時，傳感器會顯示相對較高的光照度值。隨著太陽的位置變化，當光照不能通過透光孔(310)完全照射到第2和第4光照傳感器時，第2和第4光照傳感器則輸出相對較低的光照度值。 如圖3所示，第2光照度傳感器(322)、第3光照度傳感器(323)及第4光照度傳
感器可安裝在同一平面同一直線上。整個光感部分可以在東西方向180°轉動。 如圖4所示，跟蹤裝置的光感部分在東西方向180°角度內轉動，同時跟隨主體部
分進行南北方向一定角度的轉動。 如圖5所示，跟蹤裝置的光感部分在第一旋轉軸(141)連接處、東西方向180°角度範圍內轉動。 當光感部分(110)按照東西和南北方向以一定角度轉動，直至其上面一直接受光照、測量太陽方位角的光照傳感器(321)和同樣測量方位角有時不能完全接受光照的光照傳感器(322)輸出相同的光照度值；同樣，一直接受光照、測量太陽高度角的光照傳感器(323)和同樣測量方位角有時不能完全接受光照的光照傳感器(324)輸出相同的光照度值。此時，通過光感部分的兩個角度傳感器(331)、 (332)計算出光感部分(110)在南北和東西兩個方向轉過的角度，生成最終的光照傾斜度數據(經度盒緯度)，通過信號的傳輸和主體部分的控制裝置，就可以準確的跟蹤光照。這裡指的相同的光照度值，不是指數值上的完全相等，而是根據用戶設定的某個範圍。設定不同，範圍值也不同。 如圖6(a)所示，光照可以通過透光孔(310)完全照射在第3光照傳感器(323)上，但是卻因為遮擋原因不能照射在第4光照傳感器(324)上面，這樣第3、4光照傳感器在輸出的光照度值上存在差異，光照傳感器(323)輸出的光照度值大於光照傳感器(324)輸出的。 如圖6(b)所示，這是在(a)工作狀態下，跟蹤裝置的光感部分(110)按南北方向轉動37°以後的工作狀態。此時的現象可以由示意圖看出不僅光照可以通過透光孔(310)完全照射到第3光照傳感器(323)上，而且也可以完全照射到第4光照傳感器(324)上。結果是第3、第4光照傳感器輸出的光照度值基本一致，完成了對光照緯度的跟蹤。
同樣的道理也適用於跟蹤裝置對太陽經度的跟蹤。當光照不能通過透光孔完全照射到負責跟蹤光照經度的第2傳感器(322)上時，第2傳感器輸出的光照度值就跟始終可以完全接受光照的第1傳感器輸出的值存在差異。通過光感部分東西方向的轉動，直至光照通過透光孔(310)可完全照射到第2光照傳感器上，那麼第1光照傳感器(321)和第2光照傳感器(322)輸出的光照度值就基本一致，完成對光照經度方向的跟蹤。
如圖7，主體部分包括輸入部(710)、信號處理部(720)、經度跟蹤驅動部(730)、緯度跟蹤驅動部(740)、發送部(750)。 跟蹤裝置的光感部分(110)將從第1至第4光照傳感器探測到的光照度值輸入輸入部(710)。信號處理部(720)對從輸入部(710)輸出的第1光照度傳感器及第2光照度傳感器的光照度值進行對比後輸出經度跟蹤信號，同時對第3光照度傳感器及第4光照度傳感器的光照度值進行對比後輸出緯度跟蹤信號。 經度跟蹤驅動部(730)回應信號處理部(720)的經度跟蹤信號，驅動控制跟蹤裝置光感部分(110)按東西方向旋轉的第1發動機。隨著第1發動機的驅動，跟蹤裝置的光感部分(110)按東西方向轉動，直到第l光照度傳感器及第2光照度傳感器輸出相同的光照度值。 諱度跟蹤驅動部(740)回應信號處理部(720)的諱度跟蹤信號，驅動控制主體部分(120)按南北方向旋轉的第2發動機。隨著第2發動機的轉動，主體部分(120)按南北方向轉動，直到第3光照度傳感器及第4光照度傳感器輸出相同的光照度值。
此時，測量東西方向旋轉角度的第1角度傳感器(331)及測量南北方向旋轉角度的第2角度傳感器(332)測量生成跟蹤裝置轉動後的傾斜度數據(緯度和經度)。並比較該數值是否在設定的太陽位置測量範圍內。如果生成的傾斜度數據在太陽位置的測量範圍內，就會將該數值傳送到發送部(750)。發送部(750)以有線或無線的方式向電池板角度調節部(701)傳送，電池板角度調節部(701)利用該傾斜數值(經度緯度)調整電池板位置。
同時，如圖3所示，跟蹤裝置的光感部分(110)包括測量東西方向旋轉角度的第1角度傳感器(331)及測量南北方向旋轉角度的第2角度傳感器(332)。並且，第2角度傳感器(332)測得的南北方向的數據，不僅僅指光感部分(110)的位置，而且也代表了主體部分(120)的位置，因為整個跟蹤裝置的南北方向是由第二旋轉軸(142)轉動得到。
主體部分(120)還可包括另行存儲太陽緯度、經度數據的存儲部(760)。存儲在存儲部(760)裡的太陽諱度及經度數據可按照日期及時間進行存儲。陰天或雨雪天，跟蹤裝置的光感部分(110)不能正常工作時，會利用存儲在存儲部(760)裡的數據中前一天的數據或一段時間內集光率最高的那一天的數據來調節跟蹤裝置的光感部分(110)及主體部分(120)角度，從而避免錯誤操作。 氣象條件良好時，利用光感差的光伏跟蹤裝置會用4個光照度傳感器跟蹤太陽，
而氣象狀況惡劣時，為了防止誤操作，則採用根據程序跟蹤太陽的方式。 主體部分(120)可用以利用有線或無線網絡連接的監控裝置進行控制。監控裝置
將監控主體部分的狀況，例如，遇到強風等突發情況時將變更為安全模式等信號傳送給主
體部分(120)。 監控裝置通過有線、無線的方式與光伏跟蹤裝置及電池板角度調節裝置(701)連接，以監測跟蹤裝置的主體部分(120)及光感部分(110)的狀態。利用基於網絡的監控方式，不僅可以對大型光伏電站中跟蹤裝置的主體部分(120)和光感部分(110)進行監控，而且還能迅速應對這些裝置的誤操作或自然災害引起的損失。 如圖8所示，整個光伏發電的跟蹤系統包括跟蹤裝置(810)、電池板角度調節部(820)和監控裝置(830)。 其中，監控裝置(830)通過網絡與跟蹤裝置(810)及電池板角度調節裝置(820)連接，以監控光伏跟蹤裝置(810)和角度調節裝置(820)的狀態，並對電池板調節裝置和跟蹤裝置出現的故障等問題採取即時響應。同時，光伏跟蹤裝置(810)和電池板角度調節裝置(820)的關係是跟蹤裝置(810)將跟蹤信號發送給電池板調節裝置(820)，調節裝置在轉動後，會將轉動角度發送給跟蹤裝置比較，確定從跟蹤裝置輸出的轉動角度與實際電池板轉動角度一致。 如圖9所示，整個工作過程先後包括測量範圍設定階段(S910)、跟蹤時間設定階段(S920)、光照位置跟蹤階段(S930)、傾斜度數據對比階段(S940)及傾斜度數據傳送階段(S950)。 在設定測量範圍階段(S910)設定所要測量光照位置的範圍。光照位置用緯度及經度表示，在實際應用中，可按需要設定太陽的緯度範圍及經度範圍等。設定測量範圍階段(S910)之前，可將光伏跟蹤裝置及電池板角度調節裝置的東西方向角度及南北方向角度初始化為O。。這對於更改當前和前一天的測量範圍或跟蹤時間等事項或調整跟蹤系統發生的錯誤操作很有幫助。 在跟蹤時間設定階段(S920)設定光照跟蹤時間。具體操作可以按當前的日出及日落時間設定，必要時也可以設定更短或更長的跟蹤時間。 如果當地的風力達到能影響電池板角度調節裝置或光伏跟蹤裝置的驅動，電池板會因風力被破損。在這種情況下，監控裝置會按如下安全模式控制整個跟蹤裝置和電池板角度調節裝置不會再根據跟蹤裝置的的南北方向及東西方向的角度調節來跟蹤光照，而是以電池板角度調節裝置的水平面為基準，傳送事先設定的傾斜度數據(0° 15°以下)來調節電池板角度，以防故障或誤操作。 在太陽位置跟蹤階段(S930)，調節跟蹤裝置的南北和東西方向的角度後跟蹤太陽的位置，並生成與跟蹤到的太陽位置相對應的跟蹤裝置傾斜度數據。跟蹤裝置在南北方向的轉動可獲得太陽的緯度數值，而在東西方向的轉動可獲得太陽的經度數值。其中，東西及南北方向的轉動分別通過轉動連接光感部分的第一旋轉軸(141)和連接主體部分的第二轉動軸(142)以及各自上面的發動機驅動完成。
在太陽位置跟蹤階段(S930)生成的跟蹤裝置的傾斜度數據可利用安裝於跟蹤裝置內部的2個角度傳感器來生成。其中，角度傳感器(332)測量隨著跟蹤裝置的南北方向轉動得出的南北方向傾斜度(緯度)，角度傳感器(331)測量隨著跟蹤裝置的東西方向轉動得出的東西方向傾斜度(經度)。 在傾斜度數據對比階段(S940)，將通過太陽位置跟蹤階段(S930)生成的傾斜度數據是否在設定的太陽位置測量範圍內進行對比。如果生成的傾斜度數據在太陽位置的測量範圍內，就會執行傾斜度數據傳送階段(S950);如果生成的傾斜度數據在太陽位置的測量範圍以外，則需要在測量範圍發定階段(S910)重新設定太陽位置的測量範圍。
在傾斜度數據傳送階段(S950)，將通過太陽位置跟蹤階段(S930))生成的傾斜度數據傳送給電池板角度調節裝置。電池板角度調節裝置根據此數據進行相應的位置調整。在此階段，為了確認傾斜度數據傳送是否準確完成，電池板角度調節裝置會生成相應的傾斜度數據並傳送給跟蹤裝置。跟蹤裝置則對接收到來自電池板的傾斜度數據和傳出的跟蹤裝置傾斜度數據進行對比，如果不一致，則重新將跟蹤裝置的傾斜度數據傳送給電池板角度調節裝置重新調整。 上述各階段(S910-S950)可利用基於網絡的監控系統對太陽能跟蹤裝置、電池板角度調節裝置的監測完成。這樣，不僅能對光伏發電現場的非正常問題及時解決，並在大型發電站的即時管理方面具有很重要的實際應用意義。 如圖10及圖ll，在太陽跟蹤裝置通過一系列過程跟蹤太陽而生成傾斜數據後，會將該數據傳送到電池板角度調節裝置，電池板角度調節裝置則根據接受到的傾斜度數據調節電池板的角度。在每次跟蹤裝置和電池板角度調整的運行過程中，為了確認數據準確，需經過多次的發送及接收過程。而每次跟蹤裝置和電池板角度調節裝置的運行都會通過監控裝置來進行監測及控制。 本發明基於網絡的對小規模的跟蹤裝置和大規模的電池板角度調節裝置的監控，可適用於一次驅動即可完成對太陽的跟蹤系統。同時該監控系統不僅在電站等現場，在對遠離電站的即時監控方面更具有獨有的優勢。
權利要求
利用光感差的光伏跟蹤裝置，包括光感部分和主體部分，其特徵在於光感部分結構包括安裝在光感部分的最頂層的透光孔，安裝於透光孔的一旁，並不被透光孔幹擾，始終接受完全光照的，測量光照方位角的第1光照度傳感器，安裝於透光孔的一側邊緣部分垂直下方的，不能始終完全接受光照，測量光照方位角的第2光照度傳感器，安裝於透光孔中間部分垂直下方的，可始終完全接受光照，測量光照高度角的第3光照度傳感器，安裝於透光孔另一側邊緣部分垂直下方的，不能始終完全接受光照，測量光照高度角的第4光照度傳感器，其中第1角度傳感器用於測量東西方向傾斜度(經度)，第2角度傳感器用於測量南北方向傾斜度(緯度)；主體部分包括接收第1、第2、第3、第4光照度傳感器探測到的光照度值的輸入部，對比從輸入部傳來的光照度值後，並生成由角度傳感器測得的太陽緯度及經度，輸出緯度及經度跟蹤信號的信號處理部，回應信號處理部的經度跟蹤信號，驅動跟蹤裝置的光感部分按東西方向轉動的第1發動機的經度跟蹤驅動部，回應信號處理部的緯度跟蹤信號，驅動跟蹤裝置的光感部分按南北方向轉動的第2發動機的緯度跟蹤驅動部，傳送從信號處理部輸出的太陽緯度及經度數據的發送部，存儲信號處理部的歷史緯度、經度數據的存儲部，其中，所述的光感部分能夠在東西方向-90°至+90°的角度範圍內旋轉，主體部分能夠在南北方向-45°至+45°的角度範圍內旋轉。
2. 利用光感差的光伏跟蹤裝置及基於網絡的監控方法，其特徵在於其基於網絡的監 控方法是通過以下步驟來實現的1) 設定太陽緯度及經度測量範圍；2) 設定跟蹤系統跟蹤時間；3) 調節跟蹤裝置以跟蹤太陽光照，並生成與跟蹤到的太陽緯度及經度相對應的跟蹤裝 置傾斜度；4) 比較生成的傾斜度數據是否屬於已設定的太陽經緯度範圍；5) 將傾斜度數據傳送給電池板角度調節器；6) 利用傳送的傾斜度數據調節電池板。
全文摘要
本發明涉及一種太陽能跟蹤裝置及其監控方法，具體是一種利用光感差的光伏跟蹤裝置及基於網絡的監控方法。利用光感差的光伏跟蹤裝置，包括光感部分和主體部分，其基於網絡的監控方法是通過設定太陽緯度及經度測量範圍、設定跟蹤系統跟蹤時間、調節跟蹤裝置以跟蹤太陽光照，並生成與跟蹤到的太陽緯度及經度相對應的跟蹤裝置傾斜度、比較生成的傾斜度數據是否屬於已設定的太陽經緯度範圍、將傾斜度數據傳送給電池板角度調節器、利用傳送的傾斜度數據調節電池板的步驟來實現的。本發明能夠更加精確的跟蹤光照，提高光吸收轉換效率，在大型光伏電站的離線操作應用中更具有優勢。
文檔編號G05D3/00GK101777856SQ20101001153
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者蓋劍剛 申請人:東營光伏太陽能有限公司