專利名稱：基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
在光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要應(yīng)用，包括在光伏發(fā)電過程中，通過將光伏電池板固定在具有對太陽當前方位和俯仰角跟蹤能力的機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)設(shè)備上，大幅度提高傳統(tǒng)光伏電池板的發(fā)電能力。目前，有兩種跟蹤方式一種跟蹤方式是主動式跟蹤，即通過天文算法計算出當前的太陽的實際方位角和俯仰角，然后機械系統(tǒng)調(diào)整光伏電池板到相應(yīng)的位置；另外一種跟蹤方式是被動式跟蹤，即通過光敏傳感器檢測到太陽位置的變化，機械系統(tǒng)作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)動調(diào)整，以轉(zhuǎn)動到最大化接受太陽能的角度和位置。但是，傳統(tǒng)的主動式跟蹤的技術(shù)解決方案存在以下問題如果通過步進電機和伺服控制器來實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)動，其成本過高；如果通過傳統(tǒng)可編程邏輯控制器(PLC)來實現(xiàn)， 輔以運動控制模塊，成本過高；另外，在安裝系統(tǒng)的過程中，需要非常精確地對初始化的方位角進行精確定位，系統(tǒng)安裝調(diào)試過程繁瑣，且精確度難以控制。被動式跟蹤存在以下問題在惡劣的自然環(huán)境下，當光敏傳感器被污染或者遮蓋時，傳感器可能會得到被嚴重影響、甚至錯誤的測量結(jié)果，那么將會導(dǎo)致跟蹤效果大大下降、甚至方向位置完全錯誤的情況。在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)至少存在以下缺陷
⑴成本高在主動式跟蹤方式中，如果通過步進電機和伺服控制器來實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)動， 則成本過高；如果通過傳統(tǒng)可編程邏輯控制器(PLC)、輔以運動控制模塊來實現(xiàn)，則成本仍然很高；
⑵精確度低在主動式跟蹤方式中，安裝系統(tǒng)時，需要非常精確地對初始化的方位角進行精確定位，精確度難以控制；
⑶操作過程繁瑣在主動式跟蹤方式中，安裝系統(tǒng)時，需要非常精確地對初始化的方位角進行精確定位，系統(tǒng)安裝調(diào)試過程繁瑣；
⑷可靠性差在被動式跟蹤方式中，當光敏傳感器在惡劣的自然環(huán)境中被污染或者遮蓋的時，傳感器可能會得到被嚴重影響的、甚至錯誤的測量結(jié)果，導(dǎo)致跟蹤效果大大下降、 甚至方向位置完全錯誤的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，以實現(xiàn)成本低、精確度高、操作過程簡單與可靠性好的優(yōu)點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括工控主機，以及分別通過工業(yè)通信總線與所述工控主機信號連接的方位角調(diào)節(jié)模塊、俯仰角調(diào)節(jié)模塊及地磁傳感器測量模塊，其中
所述地磁傳感器測量模塊，用于實時采集光伏電池板的俯仰角與方位角，并將實時測量結(jié)果反饋至工控主機；
所述工控主機，用于根據(jù)天文算法計算光伏電池板的當前俯仰角與方位角，將計算結(jié)果與地磁傳感器測量模塊的實時測量結(jié)果進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果實時控制方位角調(diào)節(jié)模塊和/或俯仰角調(diào)節(jié)模塊動作；
所述俯仰角調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)工控主機的控制指令，實時調(diào)節(jié)光伏電池板的俯仰
角；
所述方位角調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)工控主機的控制指令，實時調(diào)節(jié)光伏電池板的方位角。進一步地，所述方位角調(diào)節(jié)模塊，包括依次與工控主機信號連接的第一電機變頻器與方位角電機。進一步地，所述俯仰角調(diào)節(jié)模塊，包括依次與工控主機信號連接的第二電機變頻器與俯仰角電機。進一步地，以上所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，還包括用于為各用電設(shè)備供電的電源模塊，所述電源模塊分別與工控主機、第一電機變頻器、第二電機變頻器、方位角電機、俯仰角電機及地磁傳感器測量模塊電連接。進一步地，所述工控主機至少包括Atmel公司的型號為AT91SAM9G20的微處理器。進一步地，所述地磁傳感器測量模塊至少包括Holleywell公司的型號為HMC 5843的地磁傳感器。進一步地，所述第一電機變頻器與第二電機變頻器，至少包括Omron公司的型號為JX2 200V的電機變頻器。進一步地，所述方位角電機與俯仰角電機，至少包括SEW公司的型號為RX57的電機。同時，本發(fā)明采用的另一技術(shù)方案是一種根據(jù)以上所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括
a、將根據(jù)天文算法計算得到的光伏電池板俯仰角與方位角的理論值，與通過地磁傳感器實時測量得到的光伏電池板當前俯仰角與方位角的測量值，進行比較；
b、當比較結(jié)果超出預(yù)設(shè)誤差范圍時，控制用于調(diào)節(jié)光伏電池板俯仰角的俯仰角調(diào)節(jié)模塊和/或用于調(diào)節(jié)光伏電池板方位角的方位角調(diào)節(jié)模塊，實時調(diào)整當前光伏電池板的俯仰角和/或方位角，并返回步驟a。進一步地，以上所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實現(xiàn)方法， 在步驟a之后，還包括
c、當比較結(jié)果在預(yù)設(shè)誤差范圍內(nèi)時，本次調(diào)整跟蹤過程結(jié)束。本發(fā)明各實施例的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，由于該系統(tǒng)包括工控主機，以及分別通過工業(yè)通信總線與工控主機信號連接的方位角調(diào)節(jié)模塊、俯仰角調(diào)節(jié)模塊及地磁傳感器測量模塊；可以基于高精度的三維地磁傳感器對光伏電池板的當前實際方位和角度進行測量，基于天文算法對光伏電池板的當前方位與角度的理論值進行計算，將測量值與理論值進行比較，閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，以實時跟蹤當前太陽位置并及時調(diào)節(jié)光伏電池板的當前方位和角度；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中成本高、精確度低、操作過程繁瑣與可靠性差的缺陷，以實現(xiàn)成本低、精確度高、操作過程簡單與可靠性好的優(yōu)點。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。


附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中
圖1為根據(jù)本發(fā)明基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理示意圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)中閉環(huán)控制回路的工作原理示意圖3為根據(jù)本發(fā)明基于三維地磁傳感器的光伏發(fā)電跟蹤方法的流程示意圖。結(jié)合附圖，本發(fā)明實施例中附圖標記如下
1-工控主機；2-第一電機變頻器；3-第二電機變頻器；4-地磁傳感器測量模塊；5-方位角電機；6-俯仰角電機。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應(yīng)當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。系統(tǒng)實施例
根據(jù)本發(fā)明實施例，提供了基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)。如圖1和圖 2所示，本實施例包括工控主機1，分別通過工業(yè)通信總線與所述工控主機1信號連接的方位角調(diào)節(jié)模塊、俯仰角調(diào)節(jié)模塊及地磁傳感器測量模塊4，以及用于為各用電設(shè)備供電的電源模塊，電源模塊分別與工控主機1、第一電機變頻器2、第二電機變頻器3、方位角電機5、 俯仰角電機6及地磁傳感器測量模塊4電連接。這里，工控主機1至少包括Atmel公司的型號為AT91SAM9G20的微處理器，地磁傳感器測量模塊4至少包括Holleywell公司的型號為HMC 5843的地磁傳感器。其中，上述地磁傳感器測量模塊4，用于在方位角調(diào)節(jié)模塊和/或俯仰角調(diào)節(jié)模塊及外界擾動控制下，實時采集光伏電池板的俯仰角與方位角，并將實時測量結(jié)果反饋至工控主機1 ；工控主機1，用于根據(jù)天文算法計算光伏電池板的當前俯仰角與方位角，將計算結(jié)果與地磁傳感器測量模塊4的實時測量結(jié)果進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果實時控制方位角調(diào)節(jié)模塊和/或俯仰角調(diào)節(jié)模塊動作；俯仰角調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)工控主機1的控制指令， 實時調(diào)節(jié)光伏電池板的俯仰角；方位角調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)工控主機1的控制指令，實時調(diào)節(jié)光伏電池板的方位角。在上述實施例中，方位角調(diào)節(jié)模塊，包括依次與工控主機1信號連接的第一電機變頻器2與方位角電機5 ；俯仰角調(diào)節(jié)模塊，包括依次與工控主機1信號連接的第二電機變頻器3與俯仰角電機6。這里，第一電機變頻器2與第二電機變頻器3，至少包括Omron公司的型號為JX2 200V的電機變頻器；方位角電機5與俯仰角電機6，至少包括SEW公司的型號為RX57的電機。在上述實施例中，三維的地磁傳感器，可以測量出當前被測量物體在地球任何一個位置的方位角、俯仰角和轉(zhuǎn)動角，得到一個測量值；然后通過工業(yè)通信數(shù)據(jù)總線(如 ModBus RTU)傳輸?shù)焦た刂鳈C1 (如微處理器)中；在微處理器中運行的實時天文算法，可以通過輸入當前的時間和精確的經(jīng)緯度，計算出當前時間點的太陽相對于當前的經(jīng)緯度的具體方位角和俯仰角，得到一個理論值；然后通過控制電機轉(zhuǎn)動帶動光伏電池板和地磁傳感器一起轉(zhuǎn)動，直到地磁傳感器的測量值，即當前光伏電池板的實際角度，幾乎等于當前天文算法計算的理論值，從而達到通過用天文算法來實時跟蹤當前太陽位置。方法實施例
根據(jù)本發(fā)明實施例，提供了基于三維地磁傳感器的光伏發(fā)電跟蹤方法。如圖3所示，本實施例包括
步驟100 啟動電源模塊，執(zhí)行步驟101 ；
步驟101 工控主機(如微處理器)根據(jù)天文算法，計算得到光伏電池板俯仰角與方位角的理論值，執(zhí)行步驟102;
步驟102 地磁傳感器實時測量，得到光伏電池板當前俯仰角與方位角的測量值，執(zhí)行步驟103 ；
步驟103 將步驟101得到的理論值與步驟103得到的測量值進行比較，執(zhí)行步驟104 或步驟105 ；
步驟104 當比較結(jié)果在預(yù)設(shè)誤差范圍內(nèi)時，本次調(diào)整跟蹤過程結(jié)束； 步驟105 當比較結(jié)果超出預(yù)設(shè)誤差范圍時，控制用于調(diào)節(jié)光伏電池板俯仰角的俯仰角調(diào)節(jié)模塊和/或用于調(diào)節(jié)光伏電池板方位角的方位角調(diào)節(jié)模塊，實時調(diào)整當前光伏電池板的俯仰角和/或方位角，并返回步驟102。在步驟100-步驟105顯示的實施例中，基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)性能參見圖1和圖2的相關(guān)說明，在此不再贅述。綜上所述，本發(fā)明各實施例的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，主要是基于傳統(tǒng)的主動式跟蹤方式，將地磁傳感器結(jié)合天文算法的控制方式應(yīng)用在跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可以達到以下有益效果
(1)大幅度降低了系統(tǒng)的成本，只需要一般交流電機和地磁傳感器配合就可以達到跟蹤效果；
⑵精確度提高，避免了在實際的應(yīng)用過程當中由于機械系統(tǒng)的焊接和安裝的誤差累積導(dǎo)致最終跟蹤效果差、精確度不高的問題；
⑶安裝過程簡單方便、系統(tǒng)穩(wěn)定性強且維護費用低，適用于不同的天氣狀況和惡劣自然環(huán)境。最后應(yīng)說明的是以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括工控主機，以及分別通過工業(yè)通信總線與所述工控主機信號連接的方位角調(diào)節(jié)模塊、俯仰角調(diào)節(jié)模塊及地磁傳感器測量模塊，其中所述地磁傳感器測量模塊，用于實時采集光伏電池板的俯仰角與方位角，并將實時測量結(jié)果反饋至工控主機；所述工控主機，用于根據(jù)天文算法計算光伏電池板的當前俯仰角與方位角，將計算結(jié)果與地磁傳感器測量模塊的實時測量結(jié)果進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果實時控制方位角調(diào)節(jié)模塊和/或俯仰角調(diào)節(jié)模塊動作；所述俯仰角調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)工控主機的控制指令，實時調(diào)節(jié)光伏電池板的俯仰角；所述方位角調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)工控主機的控制指令，實時調(diào)節(jié)光伏電池板的方位角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 所述方位角調(diào)節(jié)模塊，包括依次與工控主機信號連接的第一電機變頻器與方位角電機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于， 所述俯仰角調(diào)節(jié)模塊，包括依次與工控主機信號連接的第二電機變頻器與俯仰角電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于為各用電設(shè)備供電的電源模塊，所述電源模塊分別與工控主機、第一電機變頻器、第二電機變頻器、方位角電機、俯仰角電機及地磁傳感器測量模塊電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述工控主機至少包括Atmel公司的型號為AT91SAM9G20的微處理器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述地磁傳感器測量模塊至少包括Holleywell公司的型號為HMC 5843的地磁傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)， 其特征在于，所述第一電機變頻器與第二電機變頻器，至少包括Omron公司的型號為JX2 200V的電機變頻器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述方位角電機與俯仰角電機，至少包括SEW公司的型號為RX57的電機。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，包括a、將根據(jù)天文算法計算得到的光伏電池板俯仰角與方位角的理論值，與通過地磁傳感器實時測量得到的光伏電池板當前俯仰角與方位角的測量值，進行比較；b、當比較結(jié)果超出預(yù)設(shè)誤差范圍時，控制用于調(diào)節(jié)光伏電池板俯仰角的俯仰角調(diào)節(jié)模塊和/或用于調(diào)節(jié)光伏電池板方位角的方位角調(diào)節(jié)模塊，實時調(diào)整當前光伏電池板的俯仰角和/或方位角，并返回步驟a。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實現(xiàn)方法， 其特征在于，在步驟a之后，還包括C、當比較結(jié)果在預(yù)設(shè)誤差范圍內(nèi)時，本次調(diào)整跟蹤過程結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)包括工控主機，以及分別通過工業(yè)通信總線與所述工控主機信號連接的方位角調(diào)節(jié)模塊、俯仰角調(diào)節(jié)模塊及地磁傳感器測量模塊。本發(fā)明所述基于三維地磁傳感器的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中成本高、精確度低、操作過程繁瑣與可靠性差等缺陷，以實現(xiàn)成本低、精確度高、操作過程簡單與可靠性好的優(yōu)點。
文檔編號H02N6/00GK102541094SQ20121003161
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者宋啟明, 李睿 申請人:無錫泰克塞斯新能源科技有限公司