太阳能自动跟踪电站技术文档 选何老师毕业论文的参考资料.docx
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太阳能自动跟踪电站技术文档
1、功能
一年春夏秋冬四季、每天日升日落，阳光日照角度时刻都在变化，如果系统帆板能够时刻正对太阳，效率才会达到最佳状态。
华艺阳光自动跟踪电站控制系统是根据太阳每天不同的运行轨迹而高精度跟踪太阳运行角度，使其跟踪误差可以不超过0.1度。
2、原理
1.控制器简介
该控制器可全天候控制光伏电站、光热系统或定日镜的运行轨迹（以时间控制为主光伏控制为辅），无论是在阴天还是晴天均可以跟踪太阳运行轨迹，带有通用RS485工业通信总线，可将当前设备运行状态实时反馈，方便用户使用与维护，用户还可以通过可选组件来提高控制精度。
可选组件为：
光伏聚焦传感器（用于聚光型跟踪电站的高精度跟踪，阴天或多云天气情况下光控与时控自动切换，无需人工干涉；光伏控制跟踪误差小于±0.1度）。
时间校正模块（用于自动修正控制器运行时钟与经纬度的偏差，可保证常年时控精度小于±1度）。
风力测速计（用于风速检测，当地风速高于18/m.s时，电站会自动将面向太阳的帆板放置于水平位置，将损害降至最小）。
在不使用上述可选组件的情况下控制器的运行时钟在－40～85℃下可保证年±2分钟的时控误差，用户可根据自己实际情况使用标准配备的操作面板对时钟进行校正。
2.控制器硬件组成和各部分详解
图1控制器硬件结构
（1）光伏聚焦传感器
图2光伏聚焦传感器
考虑到信号线的长度，电压信号易受外界干扰所以该传感器以PFM脉冲频率调制输出信号，通过光电隔离由MCU微控制器在单位时间内对脉冲个数进行计数从而准确测量传感器的输出信号，抗干扰能力强。
光伏聚焦传感器用于需要高精度跟踪太阳运行轨迹的场合，优点是可达到0.1度以内的跟踪精度，缺点是跟踪角度小，在阴雨或多云天气因素的影响下超过跟踪角度的范围（±7度）时容易跟丢，因此只适合于晴朗天气下的精细跟踪。
在本控制器中以数据计算理论根据当地经纬度以及精确时间等信息计算一年中每一天的不同时刻太阳所在的高度和方位角实现跟踪，精度保证在1度以内，对于普通系统的应用可完全满足要求（如平板光伏电站，非聚光的光热系统）。
但对于特殊的高精度聚光型光伏发电以及光热系统精度则不适用，此时辅以光伏聚焦传感器配合使用取长补短则完全可以满足要求。
（2）风速计
图3风速计
该风速计输出信号为10个脉冲/m.s，驱动能力放大后经信号线通过光电隔离由MCU微控制器在单位时间内对脉冲个数进行计数从而准确测量风速信号，当风速超过18m/s一段时间后控制器将抗风状态，将面向太阳的帆板放置于平行于地面的水平状态，实践证明该位置为最佳抗风位置。
（3）限位信号
图4限位信号
这里列举出了4个位置限位与2个保护限位，每天正常情况下光伏系统均要从X,Y轴的初始限位开始运转，结束于X,Y轴的停止限位；意外情况下（如电机换相失败等原因）当运转至位置限位时却未停止继续运转至X或Y轴保护限位，控制器将强制停止X或Y轴继续运转，保护设备不受损坏提高了安全性。
（4）手动操作
图5手动操作
在设备安装调试的开始阶段可使用手动功能进行位置调试，这一点很有用。
（5）GPS校正与时钟输入
图6GPS校正
当没有GPS模块时，控制器自带的时钟系统在工业环境下可提供误差为±2分钟/年的时间精度，相当于一年内仅产生±0.5度的时控误差，当不能满足控制精度时需要人工进行校正。
在这里GPS模块可以提供非常精确的当地所处经纬度与时间数据，每隔一段时间会自动对控制器进行修正，省去了人工校正的麻烦。
（6）LCD显示
图7LED显示模块
LCD显示模块主要显示控制器的各项控制与运行参数，方便用户使用与维护。
（7）控制信号的输出
图8控制器信号输出
控制器的最终目的是驱动执行机构完成控制动作，在本设计中考虑到设备的安全使用加入了硬件联锁电路，即某轴正向运转的同时决不可反向运转，提高了控制系统的可靠性。
MCU微控制器的驱动输出电流很小，增加了一个门缓冲器，减少驱动电流突变对MCU的干扰。
光耦继电器实际上是带有光电隔离的场效应管，可以驱动不超过30V500mA的交直流负载，在本设计中驱动小型交流固态继电器来完成设备的控制，与普通电磁继电器相比其优点是响应速度快、不存在开关寿命和电弧干扰问题，整体提高了控制器的抗干扰能力。
（8）RS485通讯接口
图9RS485通讯接口
RS485通信接口可将当前光伏系统的运行状态实时反馈给监控中心，本例中采用光电隔离的方式可有效防止MCU受到来自外界通信线上的干扰；考虑到通信线距离较远（通常在1～2Km），过压防护是必须考虑的问题，在设计上采用专用气体放电管与专用TVS组合的分级防护，实践证明可非常有效的降低接口过压损坏率。
（9）控制算法以及光控流程
控制器采用时控算法为主，光控为辅的控制方式，优点是不受天气因素的影响真正做到可靠且较高精度跟踪太阳轨迹的目的。
1 时控算法
根据太阳能电站所在地的年、月、日、小时，分钟以及当地的经纬度数据计算当地的太阳方位参数，其中包括太阳高度角与太阳方位角。
太阳高度角：
指的是与当地地平线的高度。
太阳方位角：
指的是太阳与地面方向的夹角，规定正南方为0度，自南由东向北依次为0～－180度；自南由西向北依次为0～180度。
当地时间T：
计算方法比较简单，我们在济南却使用的北京时间（手表上的时间），北京的经度为120度，而济南的经度为117度。
一个经度的时间差为4分钟，所以北京时间比济南本地时间快12分钟，例如北京时间为10：
12分，则济南时间为10：
00（注意计算时应将分钟部分转化为小数）。
日积N：
故名思意，就是某年某月某日在这个年份中是第几天，例如2009年1月10日的日积为41，即在2009年里的第41天，年份则用来计算是否为闰年，因为有365天或366天之说。
日角θ：
θ=2∏t／365.2422
这里T又分成两个部分N和N0这里的N就是日积
T=N-N0
其中N0为：
N0=79.6764＋0.2422×（年份－1985）
－INT〔（年份－1985）／4
时间误差et：
当知道T，N的时候就可以计算时间误差了。
et的计算方法由下列公式完成：
et=0.0028－1.9857sinθ＋9.9059sin2θ
－7.0924cosθ－0.6882cos2θ
真太阳时刻time：
由于太阳运行并不规律，要准确求出每时每刻的太阳位置的基准则为真太阳时刻，那么计算公式则为：
time＝T+et。
时角A：
时角的计算公式A＝15×（time－12）角度单位。
太阳赤纬角B：
赤纬角的近似计算公式：
sinB＝0.3723＋23.2567sinθ＋0.1149sin2θ
－0.1712sin3θ－0.758cosθ＋0.3656cos2θ＋0.0201cos3θ
上述参数计算完成后将当地纬度W参与进来就可以计算太阳高度角C与太阳方位角D了。
太阳高度角计算公式：
sinC＝sinB×sinW＋cosB×cosW×cosA
太阳方位角计算公式：
cosD＝（sinC×sinW－sinB）÷（cosC×cosW）
2 光控流程
光伏聚光传感器在前面的介绍中已经提到有三路信号输出，其中光强信号输出要求在1500Hz以上时天气为晴朗天气，地面有清晰的物体投影；X，Y轴光聚焦信号在正对太阳时输出为2500Hz，每变化±0.1度频率变化±100Hz。
流程如下：
图10光控流程图
3、
材料清单
部件名称
电站控制器
套料清单
PCB版本号
V2.0
部件要求
UL认证
部件说明
控制器＋驱动
价格
厂家
材料名称
规格型号
单位
数量
封装
代用
板中位号
0.76
整流桥
2W10
个
2
直插
A1,A2
0.6
贴片电容
0.1uF
片
15
0805
C1~C3,C5~C16
0.2
电解电容
16V220uF
个
2
直插
C4,C30
0.7
电解电容
50V470uF
个
2
直插
C27,C29
0.2
电解电容
35V220uF
个
1
直插
C28
4
贴片钽电容
35V1uF
片
10
3528
C17,C19,C22~C26,C31~C33
1.8
贴片钽电容
16V22uF
片
3
3528
C34,C35,C48
0.04
贴片电容
30P
片
2
0805
C20,C21
0.08
贴片电容
22P
片
4
0805
C38~C41
0.04
贴片电容
15P
片
2
0805
C36,C37
0.12
贴片电容
0.33uF
片
6
0805
C42~C47
7
超级电容
5.5V1F
个
1
立式直插
C18
0.1
按键接口
FPC_1.0mm
个
1
贴片
KEY
5
双排插针
2．54mm×10
脚
10
立式IDC
CON1
5
双排插针座
2．54mm×10
脚
10
立式IDC
CON2
0.75
单排插针
2．54mm×5
脚
5
SIP5
CON3
0.75
单排插针座
2．54mm×5
脚
5
SIP5
CON4
0.27
单排插针
2．54mm×3
脚
3
SIP3
J8
0.12
单排插针
2．54mm×2
脚
2
SIP2
JP1
0.03
贴片二极管
1N4148
个
1
贴片
D1
1.05
肖特基二极管
1N5824
个
3
直插
D2,D3,D4
0.21
整流二极管
1N4007
个
3
贴片
D5,D6,D7
0.2
保险座
5×20mm
个
1
直插
F1
0.2
自恢复保险
JK60-025
个
2
直插
F3,F4
0.1
自恢复保险
JK60-010
个
1
直插
F5
0.36
PCB插座
5.08mm×3
个
1
直插
J1
0.65
PCB插座
5.08mm×5
个
1
直插
J5
2.34
PCB插座
2.54mm×6
个
3
SIP6
J2,J9,J11
0.09
PCB插座
2.54mm×3
个
1
SIP3
J3
0.3
PCB插座
2.54mm×5
个
2
SIP5
J4,J6
0.3
PCB插座
2.54mm×10
个
1
SIP10
J7
0.06
PCB插座
2.54mm×2
个
1
SIP2
J13
0.18
PCB插座
2.0mm×6
个
1
SIP6
J12
2
HKE
信号继电器
HRM1H-S-DC12V
个
1
直插
K1
0.1
双色发光二极管
共阳3mm
个
1
直插
L2
0.21
绿色发光二极管
高亮3mm
个
3
直插
L1,L3,L4
0.84
红色发光二极管
高亮3mm
个
12
直插
L5~L16
0.15
贴片红色LED
高亮
片
1
0805
L17
3
功率电感
100uH
个
3
直插
LL1~LL3
0.35
贴片三极管
9012
片
5
SOT-23
Q1~Q3,Q6,Q7
0.14
贴片三极管
9013
片
2
SOT-23
Q4,Q5
0.01
贴片电阻
180欧
片
1
1206
R1
部件名称
电站控制器
套料清单
PCB版本号
V2.0
部件要求
UL认证
部件说明
控制器＋驱动
价格
厂家
材料名称
规格型号
单位
数量
封装
板中位号
0.01
贴片电阻
180欧
片
1
1206
R1
0.04
贴片电阻
2.4K
片
4
1206
R38~R41
0.08
贴片电阻
2K
片
8
1206
R46~R53
0.01
贴片电阻
100欧
片
1
1206
R76
0.04
贴片电阻
10欧
片
4
1210
R63~R66
0.1
贴片电阻
5.1K
片
10
0805
R3~R7,R9,R34,R35,R54,R56
0.36
贴片电阻
10K
片
36
0805
R2,R10~R13,R18~R33,R37
R55~R58,R67~R71,R77~R82
R101,R102
0.05
贴片电阻
330欧
片
5
0805
R8,R14~R17
0.04
贴片电阻
2K
片
4
0805
R36,R72,R83,R84,R100
0.04
贴片电阻
100K
片
4
0805
R42~R45
0.06
贴片电阻
1K
片
6
0805
R59~R62,R74,R75
0.01
贴片电阻
47K
片
1
0805
R73
15
台湾
功率纽子开关
250V10A
个
1
直插
S1
2
欧姆龙
微型限位开关
24V1A
个
1
直插
S2
19
耀华德昌
控制变压器
PT4812T双15V
个
1
直插
T1
8.5
贴片TVS
SMAJ16CA
片
17
贴片
TVS1~TVS13,TVS16~TVS19
TVS27,TVS28
2
贴片TVS
SMAJ6.0CA
片
4
贴片
TVS20,TVS21,TVS29,TVS30
1
TVS
P6KE36CA
个
2
直插
TVS14,TVS15
10
TVS
1.5KE400CA
个
8
直插
交流负载
TVS22~TVS26,TVS31~TVS33
360
快达
固态继电器
CX480D5
个
4
直插
交流负载
SSR1~SSR4
0
气体放电管
TED-485
个
3
直插
VR5,VR6,VR7
15.5
美信
精密时钟芯片
DS3231
个
1
贴片
工业级
U1
27.6
华帮
单片机
W77IE058A
个
1
PLCC44
工业级
U2
2.5
双反相器
SN74LVC2GU04
个
1
DBV-6
U3
3.5
国半
DC降压器
LM2576-12V
个
1
TO-263
U4
7
国半
DC降压器
LM2576-5V
个
2
TO-263
U6,U26
4
铁电
存储器
FM24C04
个
1
SO-8
U5
1
双4译码器
74HC139
个
1
SO-16
U7
0.8
8选1模拟开关
CD4051
个
1
SO-16
工业级
U8
3
美信
看门狗
MAX813L
个
1
SO-8
工业级
U9
7
232电平转换
MAX232CPE
个
2
SO-16
U10,U34
4
光耦
4N25
个
4
DIP-6
U11~U14
4.16
光耦
TLP521
个
8
DIP-4
U15~U22
7.6
光耦继电器
AQW212
个
2
DIP-8
U23,U24
20.4
贴片单片机
PIC18F4620
片
1
QFP44
工业级
U25
17
贴片单片机
PIC18F2520
片
1
SOL-28
工业级
U28
85
金鹏
液晶显示器
OCM12864-2
个
1
宽温
U27
24.5
美信
串口扩展芯片
密脚MAX3100
片
1
QSOP16
工业级
U29
6.6
通信光耦
6N137
个
3
DIP-8
U30,U31,U32
5
485电平转换
SN65LBC184
片
1
SO-8
工业级
U33
1.6
2脚贴片晶振
4.0M
片
2
贴片
Y1,Y2
0.8
2脚贴片晶振
11.0592M
片
1
贴片
Y3
0.8
2脚贴片晶振
3.6864M
片
1
贴片
Y4
部件名称
电站控制器
套料清单
PCB版本号
V2.0
部件要求
UL认证
部件说明
机箱、线路板
价格
厂家
材料名称
规格型号
单位
数量
封装
代用
板中位号
170
宁波
防水机箱
个
1
量大可减50
26.78
Pcb板
个
1
主控板
11.65
Pcb板
个
1
显示校时
67.16
Pcb板
个
1
量大可减30
薄膜按键背板
65
华通公司
薄膜按键
个
1
195
深圳易天达大
GPS模块
个
1
158
深圳乔合里
防水接头
套
6
工程可减16.53
接头防水
合计
1401.96
预计批量成本
1305.43
升级会员 