一种漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统及其控制方法.pdf

本发明提供一种低成本、高可靠性的漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统及其控制方法。漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统包括漂浮动力平台及自动跟踪控制系统；漂浮动力平台在水平维度自主转动或移动自动跟踪太阳方位角；自动跟踪控制系统包括：卫星定位子系统、岸基测距定位子系统、传感采集子系统、主控子系统、动力控制子系统。本发明提供一种基于上述的漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统的控制方法，利用神经网络算法实时分析漂浮动力平台相对地理坐标、绝对地理坐标、时间、太阳入射角、太阳方位角等数据，得出最佳光照位置，控制水下驱动器推动漂浮动力平台转动或移动到目标方位，实现漂浮动力平台对太阳方位角的实时跟踪。

权利要求书
1.   一种漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统，其特征在于：包括漂浮动力平台及自动跟踪控制系统；所述自动跟踪控制系统安装在所述漂浮动力平台上；所述漂浮动力平台顶部承载一个或多个固定式太阳能发电装置；所述漂浮动力平台在水平维度自主转动或移动自动跟踪太阳方位角；
所述漂浮动力平台包括：
一浮力结构子系统，所述浮力结构子系统包括一个或多个浮力结构单元，所述多个浮力结构单元间通过一连接结构连接；
一动力子系统，所述动力子结构包括一个或多个水下驱动器，所述水下驱动器与所述浮力结构子系统连接；
一锚定子系统，所述锚定子系统包括一个或多个定位锚及定位锚牵引装置，所述定位锚的锚链与定位锚牵引装置的输出端连接，所述定位锚牵引装置安装在浮力结构子系统顶部或内部；
一外部连接子系统，所述外部连接子系统的一端与所述漂浮动力平台转动中心连接，其另一端与陆地或其他漂浮动力平台连接；
所述自动跟踪控制系统包括：
一卫星定位子系统，所述卫星定位子系统包括多个卫星定位数据采集模块，所述卫星定位数据采集模块安装在所述漂浮动力平台的顶部；
一岸基测距定位子系统，所述岸基测距定位子系统包括多个测距定位数据采集模块及一个或多个岸基定位点，所述测距定位数据采集模块安装在所述漂浮动力平台的顶部，所述岸基定位点固定安装在岸基上；
一传感采集子系统，所述传感采集子系统包括一个或多个光线传感采集模块及一个或多个风向风速传感采集模块；所述光线传感采集模块安装在所述漂浮动力平台顶部，所述风向风速传感采集模块安装在所述漂浮动力平台顶部；
一主控子系统，所述主控子系统包括一个或多个主控计算处理模块，安装在所述漂浮动力平台顶部或内部，所述主控计算处理模块实时接收卫星定位子系统、岸基测距定位子系统、传感采集子系统、动力控制子系统的输出数据，向动力控制子系统发送控制指令数据；
一动力控制子系统，所述动力控制子系统包括一个或多个动力驱动模块，安装在所述漂浮动力平台顶部或内部，所述动力驱动模块控制一个或多个所述定位锚牵引装置及所述水下驱动器运行，并实时采集一个或多个所述定位锚牵引装置及所述水下驱动器运行数据。

2.  根据权利要求1所述的漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统，其特征在于：所述测距定位数据采集模块为激光测距定位数据采集模块或超声波测距定位数据采集模块。

3.  根据权利要求1所述的漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统，其特征在于：所述水下驱动器为螺旋桨推进器或喷水推进器。

4.  根据权利要求1所述的漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统，其特征在于：多个浮力结构单元间的连接结构为刚接结构或铰接结构。

5.  一种基于权利要求1所述的漂浮式太阳能跟踪光伏发电系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：由所述岸基测距定位子系统多个测距定位数据采集模块分别测量所在点与所述一个或多个岸基定位点之间相对地理坐标数据，并将该数据传送至所述主控子系统；所述卫星定位子系统多个卫星定位数据采集模块分别测量所在点绝对地理坐标数据和时间，并将该数据传送至所述主控子系统；
步骤S2：所述传感采集子系统光线传感采集模块实时测量所处环境的太阳光照数据，并将该数据传送至所述主控子系统，由主控子系统得出太阳入射角和方位角；所述传感采集子系统风向风速传感采集模块实时测量所处环境的风向和风速数据，并将该数据传送至主控子系统；所述动力控制子系统动力驱动模块实时采集所述定位锚牵引装置运行工况及所述水下驱动器运行工况数据，并将数据传送至主控子系统；
步骤S3：所述主控子系统一个或多个主控计算处理模块利用神经网络算法分析步骤S1、S2得到的相对地理坐标、绝对地理坐标、时间、太阳入射角、太阳方位角、风向、风速、定位锚牵引装置运行工况及水下驱动器运行工况数据，得出所述漂浮动力平台实时跟踪太阳方位角的最佳目标方位指令数据，将该指令数据传送至所述动力控制子系统；
步骤S4：所述动力控制子系统动力驱动模块根据步骤S3接收到的指令数据实时控制所述一个或多个水下驱动器的驱动动力强度及驱动方向，推动所述漂浮动力平台转动或移动到目标方位，实现所述漂浮动力平台对太阳方位角的实时跟踪；
步骤S5：所述主控子系统一个或多个主控计算处理模块利用神经网络算法分析步骤S2得到的风向和风速数据，根据所述漂浮动力平台所处环境的风向和风速是否在安全阈值范围得出起锚或下锚指令数据，将该指令数据传送至所述动力控制子系统；
步骤S6：所述动力控制子系统动力驱动模块根据步骤S5接收到下锚指令时控制所述一个或多个定位锚牵引装置将所述一个或多个定位锚下沉至水底，将所述漂浮动力平台安全锚泊；所述动力控制子系统动力驱动模块根据步骤S5接收到起锚指令时控制所述一个或多个定位锚牵引装置将所述定位锚升起，所述漂浮动力平台可以自由移动或转动。

6.  根据权利要求5所述漂浮式太阳能跟踪光伏发电系统的控制方法，其特征在于：利用卫星定位测量绝对地理坐标和岸基测距测量相对地理坐标得出两套互相冗余的所述漂浮动力平台方位数据，所述两套数据可以单独或同时使用。

7.  根据权利要求5所述漂浮式太阳能跟踪光伏发电系统的控制方法，其特征在于：利用地理坐标及时间计算得出太阳方位角数据和利用光线传感采集模块与控制子系统得出的太阳方位角数据得出两套互相冗余的太阳方位角数据，所述两套数据可以单独或同时使用。

说明书一种漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，尤其是一种漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统及其控制方法。
背景技术
太阳能是一种无污染、可再生的清洁能源。
水库、湖泊、江河和海洋等水上建设漂浮式太阳能发电装置，可以充分利用占地球表面71%的水上日照面积，有利于太阳能发电技术的推广应用。
现有技术中已将太阳能发电单轴跟踪系统应用到太阳能发电技术中，通过实时跟踪太阳运动轨迹，提高太阳能发电装置所接收到太阳辐射量，从而提高太阳能发电装置的发电效率。传统的太能跟踪系统包括单轴自动跟踪系统、步进式自动跟踪系统及双轴跟踪系统。在专利号为CN102637041中公开了一种百叶窗双轴跟踪太阳能光伏发电系统，在该系统中只能实现单个控制系统控制单个或数个光伏发电组件。要控制整个光伏发电系统太阳板需要设置多个跟踪系统，成本极高；依赖大量机械转动元件，整体可靠性低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种低成本、高可靠性的漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统及其控制方法。
本发明采用以下技术方案实现：一种漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统，包括漂浮动力平台及自动跟踪控制系统；所述自动跟踪控制系统安装在所述漂浮动力平台上；所述漂浮动力平台顶部承载一个或多个固定式太阳能发电装置；所述漂浮动力平台在水平维度自主转动或移动自动跟踪太阳方位角；所述漂浮动力平台包括：一浮力结构子系统，所述浮力结构子系统包括一个或多个浮力结构单元，所述多个浮力结构单元间通过一连接结构连接；一动力子系统，所述动力子结构包括一个或多个水下驱动器，所述水下驱动器与所述浮力结构子系统连接；一锚定子系统，所述锚定子系统包括一个或多个定位锚及定位锚牵引装置，所述定位锚的锚链与定位锚牵引装置的输出端连接，所述定位锚牵引装置安装在浮力结构子系统顶部或内部；一外部连接子系统，所述外部连接子系统的一端与所述漂浮动力平台转动中心连接，其另一端与陆地或其他漂浮动力平台连接；所述自动跟踪控制系统包括：一卫星定位子系统，所述卫星定位子系统包括多个卫星定位数据采集模块，所述卫星定位数据采集模块安装在所述漂浮动力平台的顶部；一岸基测距定位子系统，所述岸基测距定位子系统包括多个测距定位数据采集模块及一个或多个岸基定位点，所述测距定位数据采集模块安装在所述漂浮动力平台的顶部，所述岸基定位点固定安装在岸基上；一传感采集子系统，所述传感采集子系统包括一个或多个光线传感采集模块及一个或多个风向风速传感采集模块；所述光线传感采集模块安装在所述漂浮动力平台顶部，所述风向风速传感采集模块安装在所述漂浮动力平台顶部；一主控子系统，所述主控子系统包括一个或多个主控计算处理模块，安装在所述漂浮动力平台顶部或内部，所述主控计算处理模块实时接收卫星定位子系统、岸基测距定位子系统、传感采集子系统、动力控制子系统的输出数据，向动力控制子系统发送控制指令数据；一动力控制子系统，所述动力控制子系统包括一个或多个动力驱动模块，安装在所述漂浮动力平台顶部或内部，所述动力驱动模块控制一个或多个所述定位锚牵引装置及所述水下驱动器运行，并实时采集一个或多个所述定位锚牵引装置及所述水下驱动器运行数据。
在本发明一实施例中，所述测距定位数据采集模块为激光测距定位数据采集模块或超声波测距定位数据采集模块。
在本发明一实施例中，所述水下驱动器为螺旋桨推进器或喷水推进器。
在本发明一实施例中，多个浮力结构单元间的连接结构为刚接结构或铰接结构。
本发明还提供一种基于上述的漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤：步骤S1：由所述岸基测距定位子系统多个测距定位数据采集模块分别测量所在点与所述一个或多个岸基定位点之间相对地理坐标数据，并将该数据传送至所述主控子系统；所述卫星定位子系统多个卫星定位数据采集模块分别测量所在点绝对地理坐标数据和时间，并将该数据传送至所述主控子系统；步骤S2：所述传感采集子系统光线传感采集模块实时测量所处环境的太阳光照数据，并将该数据传送至所述主控子系统，由主控子系统得出太阳入射角和方位角；所述传感采集子系统风向风速传感采集模块实时测量所处环境的风向和风速数据，并将该数据传送至主控子系统；所述动力控制子系统动力驱动模块实时采集所述定位锚牵引装置运行工况及所述水下驱动器运行工况数据，并将数据传送至主控子系统；步骤S3：所述主控子系统一个或多个主控计算处理模块利用神经网络算法分析步骤S1、S2得到的相对地理坐标、绝对地理坐标、时间、太阳入射角、太阳方位角、风向、风速、定位锚牵引装置运行工况及水下驱动器运行工况数据，得出所述漂浮动力平台实时跟踪太阳方位角的最佳目标方位指令数据，将该指令数据传送至所述动力控制子系统；步骤S4：所述动力控制子系统动力驱动模块根据步骤S3接收到的指令数据实时控制所述一个或多个水下驱动器的驱动动力强度及驱动方向，推动所述漂浮动力平台转动或移动到目标方位，实现所述漂浮动力平台对太阳方位角的实时跟踪；步骤S5：所述主控子系统一个或多个主控计算处理模块利用神经网络算法分析步骤S2得到的风向和风速数据，根据所述漂浮动力平台所处环境的风向和风速是否在安全阈值范围得出起锚或下锚指令数据，将该指令数据传送至所述动力控制子系统；步骤S6：所述动力控制子系统动力驱动模块根据步骤S5接收到下锚指令时控制所述一个或多个定位锚牵引装置将所述定位锚下沉至水底，将所述漂浮动力平台安全锚泊；所述动力控制子系统动力驱动模块根据步骤S5接收到起锚指令时控制所述一个或多个定位锚牵引装置将所述定位锚升起，所述漂浮动力平台可以自由移动或转动。
在本发明一实施例的控制方法中，利用卫星定位测量绝对地理坐标和岸基测距测量相对地理坐标得出两套互相冗余的所述漂浮动力平台方位数据，所述两套数据可以单独或同时使用。
在本发明一实施例的控制方法中，利用地理坐标及时间计算得出太阳方位角数据和利用光线传感采集模块与控制子系统得出的太阳方位角数据得出两套互相冗余的太阳方位角数据，所述两套数据可以单独或同时使用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、  相较于传统固定式太阳能发电装置，本系统所承载的太阳能发电装置通过水平维度实时跟踪太阳方位角，同等规模的太阳能发电装置可提高太阳能利用率15-20%；
2、  单个系统即可承载兆瓦级太阳能发电装置，大幅降低了太阳能发电跟踪系统的每瓦成本；
3、  仅使用少量机械转动元件，提高太阳能发电单轴跟踪系统的可靠性；
4、  利用卫星定位测量绝对地理坐标和岸基测距测量相对地理坐标得出两套互相冗余的漂浮动力平台方位数据，提定位的精度和可靠性；
5、  利用地理坐标及时间计算得出太阳方位角数据和利用光线传感采集模块实测太阳方位角数据得出两套互相冗余的太阳方位角数据，提追踪的精度和可靠性；
6、  在极端环境条件下可利用定位锚将系统锚泊，提高系统安全性。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意俯视图。
图2为本发明一实施例的结构示意侧视图。
图3为本发明一实施例的AA’剖视图。
图4为本发明一实施例的控制方法原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供一种漂浮式太阳能发电单轴跟踪系统，包括漂浮动力平台及自动跟踪控制系统；所述自动跟踪控制系统安装在所述漂浮动力平台上；所述漂浮动力平台顶部承载一个或多个固定式太阳能发电装置；所述漂浮动力平台在水平维度自主转动或移动自动跟踪太阳方位角；所述漂浮动力平台包括：一浮力结构子系统3，所述浮力结构子系统包括一个或多个浮力结构单元，所述多个浮力结构单元间通过一连接结构16连接；一动力子系统，所述动力子系统包括一个或多个水下驱动器10，所述水下驱动器10与所述浮力结构子系统3连接；一锚定子系统，所述锚定子系统包括一个或多个定位锚8及定位锚牵引装置14，所述定位锚8的锚链12与定位锚牵引装置14的输出端连接，所述定位锚牵引装置14安装在浮力结构子系统3顶部或内部；一外部连接子系统11，所述外部连接子系统11的一端与所述漂浮动力平台转动中心连接，其另一端与陆地或其他漂浮动力平台连接；所述自动跟踪控制系统包括：一卫星定位子系统，所述卫星定位子系统包括多个卫星定位数据采集模块5，所述卫星定位数据采集模块5安装在所述漂浮动力平台的顶部；一岸基测距定位子系统，所述岸基测距定位子系统包括多个测距定位数据采集模块13及一个或多个岸基定位点，所述测距定位数据采集模块13安装在所述漂浮动力平台的顶部，所述岸基定位点固定安装在岸基上；一传感采集子系统，所述传感采集子系统包括一个或多个光线传感采集模块6及一个或多个风向风速传感采集模块15；所述光线传感采集模块6安装在所述漂浮动力平台顶部，所述风向风速传感采集模块15安装在所述漂浮动力平台顶部；一主控子系统，所述主控子系统包括一个或多个主控计算处理模块，安装在所述漂浮动力平台顶部或内部，所述主控计算处理模块实时接收卫星定位子系统、岸基测距定位子系统、传感采集子系统、动力控制子系统的输出数据，向动力控制子系统发送控制指令数据；一动力控制子系统，所述动力控制子系统包括一个或多个动力驱动模块，安装在所述漂浮动力平台顶部或内部，所述动力驱动模块控制一个或多个所述定位锚牵引装置及所述水下驱动器10运行，并实时采集一个或多个所述定位锚牵引装置及所述水下驱动器10运行数据。
；一动力控制子系统，所动力控制子系统包括一个或多个动力驱动模块，安装在所述漂浮动力平台顶部集中控制箱7内。
本发明一实施例的结构示意图参见图1-3。
在本发明一实施例中，所述测距定位数据采集模块为激光测距定位数据采集模块或超声波测距定位数据采集模块。
在本发明一实施例中，多个浮力结构单元间的连接结构16刚接或铰接。
较佳的，所述浮力结构单元3为塑胶或金属或混凝土或玻璃钢材料制造的封闭容积型平台。
较佳的，所述水下驱动器10为螺旋桨推进器或喷水推进器。
较佳的，所述浮力结构子系统3要求能够承载一个或多个固定式太阳能发电装置，所述太阳能发电装置包括一个或多个逆变器1、变压器2、光伏发电组件4等。光伏发电组件4有支架9固定在所述浮力结构单元上。支架9采用塑胶或金属或混凝土或玻璃钢材料制造。主控子系统及主要线路安装在所述漂浮动力平台顶部集中控制箱7内.
较佳的，所述外部连接子系统11包括电缆、光缆、牵引缆，牵引缆用于所述漂浮动力平台外部牵引，电缆用于电力外送，光缆用于外部通信。
本发明还提供一种基于上述漂浮式太阳能跟踪光伏发电系统控制方法，该控制方法包括以下步骤：步骤S1：由所述岸基测距定位子系统多个测距定位数据采集模块分别测量与所述一个或多个岸基定位点之间相对地理坐标数据，并将该数据传送至所述主控子系统；所述卫星定位子系统多个卫星定位数据采集模块分别测量所在点绝对地理坐标数据和时间，并将该数据传送至所述主控子系统；步骤S2：所述传感采集子系统光线传感采集模块实时测量所处环境的太阳光照数据，并将该数据传送至所述主控子系统，由主控子系统得出太阳入射角和方位角；所述传感采集子系统风向风速传感采集模块实时测量所处环境的风向和风速数据，并将该数据传送至主控子系统；所述动力控制子系统动力驱动模块实时采集所述定位锚牵引装置运行工况及所述水下驱动器运行工况数据，并将数据传送至主控子系统；步骤S3：所述主控子系统一个或多个主控计算处理模块利用神经网络算法分析步骤S1、S2得到的相对地理坐标、绝对地理坐标、时间、太阳入射角、太阳方位角、风向、风速、定位锚牵引装置运行工况及水下驱动器运行工况数据，得出所述漂浮动力平台实时跟踪太阳方位角的最佳目标方位指令数据，将该指令数据传送至所述动力控制子系统；步骤S4：所述动力控制子系统动力驱动模块根据步骤S3接收到的指令数据实时控制所述一个或多个水下驱动器的驱动动力强度及驱动方向，推动所述漂浮动力平台转动或移动到目标方位，实现所述漂浮动力平台对太阳方位角的实时跟踪；步骤S5：所述主控子系统一个或多个主控计算处理模块利用神经网络算法分析步骤S2得到的风向和风速数据，根据所述漂浮动力平台所处环境的风向和风速是否在安全阈值范围得出起锚或下锚指令数据，将该指令数据传送至所述动力控制子系统；步骤S6：所述动力控制子系统动力驱动模块根据步骤S5接收到下锚指令时控制所述一个或多个定位锚牵引装置将所述一个或多个定位锚下沉至水底，将所述漂浮动力平台安全锚泊；所述动力控制子系统动力驱动模块根据步骤S5接收到起锚指令时控制所述一个或多个定位锚牵引装置将所述定位锚升起，所述漂浮动力平台可以自由移动或转动。
在本发明一实施例的控制方法中，利用卫星定位测量绝对地理坐标和岸基测距测量相对地理坐标得出两套互相冗余的所述漂浮动力平台方位数据，所述两套数据可以单独或同时使用。
在本发明一实施例的控制方法中，利用地理坐标及时间计算得出太阳方位角数据和利用光线传感采集模块与控制子系统得出的太阳方位角数据得出两套互相冗余的太阳方位角数据，所述两套数据可以单独或同时使用。
本发明一实施例的控制方法原理框图参见图4。
本发明通过水平维度实时跟踪太阳方位角，提高太阳能发电装置发电效率。太阳方位角是指太阳入射光线在地平面上的投影线与地平面正南方向的夹角，通常设定太阳方位角在正南方为0℃，向西为正值，向东为负值，输入地理坐标及时间，使用余弦函数计算，其公式如下：


上述的公式所用的专有名词说明如下：是太阳的方位角，是太阳高度角，是计算时间的时角， 是当时的太阳赤纬，是当地的地理纬度。
在本文中，术语“连接”被定义为两个主体之间的连接，不过不一定是直接的连接，也可包括通过其他中间节点或设备而实现的间接连接关系。
以上仅为本发明的其一实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。