CN101662241A - 一种用于光伏发电的太阳方位自动跟踪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光伏发电的太阳方位自动跟踪方法及装置。现有的方法及装置的检测精度较低。本发明方法是利用光强传感器将光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪相结合的全天候二维太阳方位自动跟踪方法。光强传感器检测天气状况，在晴天、多云和阴雨天，分别采取三种不同的工作模式进行太阳方位跟踪，一定程度上解决了天气变化和环境干扰对跟踪稳定性的影响，同时通过光电跟踪方式的闭环控制功能消除积累误差，可全天候、稳定地进行太阳方位跟踪。实现该方法的装置包括通光筒、光强传感器、防护玻璃、四象限光电探测器、信号处理电路、计算机、外部时钟芯片。本发明提高了检测精度，并解决了太阳方位检测装置易受环境光干扰而导致检测信号不稳定的问题。

Description

一种用于光伏发电的太阳方位自动跟踪方法及装置

技术领域

本发明涉及一种检测方法和装置，特别是涉及一种用于光伏发电的太阳方位自动跟踪方法及装置，具体用于提高光伏发电设备的发电效率。

背景技术

太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，发展前景非常广阔，已成为未来解决能源危机的一种重要途径。但是，由于太阳能的能量密度低，且随着季节和天气变化而变化，使得太阳能不易搜集，导致光伏发电的效率比较低，发电成本较高，限制了太阳能光伏发电的应用和发展。解决这一问题的一种可行的途径是进行太阳方位自动跟踪。在相同条件下，自动跟踪式太阳能发电设备与固定式太阳能发电设备相比，可提高发电量15％以上。

目前，光伏发电中使用的太阳方位自动跟踪方法主要有以下四种方式：(1)光电跟踪方式；(2)太阳运动轨迹跟踪方式；(3)光电跟踪与太阳运动轨迹跟踪切换的方式；(4)光电跟踪与太阳运动轨迹跟踪复用的方式。(1)光电跟踪方式是通过检测太阳的运动方向，控制跟踪装置追踪太阳的运行，是一种闭环控制方式。该方法灵敏度高，结构设计较为简单，但容易受天气影响，有时会导致跟踪装置无法对准太阳，甚至可能引起跟踪机构的误动作。(2)太阳运动轨迹跟踪方式是通过计算太阳运动轨迹来控制整个跟踪装置追踪太阳，是一种开环控制方式。这种方式不受天气、杂散光的影响，能够使跟踪装置比较稳定地运行。但因开环方式无法进行误差修正，存在积累误差，且自身不能消除。积累误差是指计算太阳运动轨迹的计算误差、以及跟踪装置执行机构的定位误差，计算误差和定位误差不断积累而产生积累误差。(3)光电跟踪与太阳运动轨迹跟踪切换的方式就是晴天时采用光电跟踪方式，多云及阴雨天时采用太阳运动轨迹跟踪方式。这种方法虽然在一定程度上改善了光电跟踪易受天气、杂散光影响的问题，但没有解决太阳运动轨迹跟踪存在积累误差的问题。(4)光电跟踪与太阳运动轨迹跟踪复用的方式，就是不论天气状况如何，都同时采用光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式来完成一次跟踪。这种方法虽然保证了跟踪的可靠性和精度，但在阴雨天气等光线较弱情况下，太阳能光伏发电的效率很低，此时仍然进行跟踪，而跟踪装置本身也需要消耗电能，从而造成了额外的电能损耗。

具体实现跟踪时，太阳方位跟踪装置可分为一维跟踪和二维跟踪。一维跟踪的太阳能电池板只能跟踪太阳高度角或者方位角中一个角度的变化，一般是跟踪方位角的变化，相比固定安装方式，可收集更多的太阳能。二维跟踪的太阳能电池板能同时跟踪太阳高度角与方位角的变化，相比一维跟踪方式，可收集更多的太阳能。

我国现有的光伏发电系统大多采用太阳能电池板固定安装的形式，其发电效率低，发电成本高，使用和推广受到影响。少数光伏电站，为了提高发电效率使用了太阳方位跟踪式发电系统。我国目前使用的一维跟踪和二维跟踪式太阳能发电系统多采用上述的四种跟踪方法之一，有待于进一步完善。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种全天候的、用于光伏发电的太阳方位自动跟踪方法，并提供相应的太阳方位检测装置。

本发明方法是利用光强传感器将光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪相结合的全天候二维太阳方位自动跟踪方法。光强传感器检测天气状况，在晴天、多云和阴雨天，分别采取三种不同的工作模式进行太阳方位跟踪，一定程度上解决了天气变化和环境干扰对跟踪稳定性的影响，同时通过光电跟踪方式的闭环控制功能消除积累误差，可全天候、稳定地进行太阳方位跟踪。具体包括以下步骤：

(1)根据当前时间t确定是否进行跟踪：如果当前时间t在当日的日出时间tr之后并且在日落时间ts之前，开始太阳方位跟踪；如果当前时间t早于当日的日出时间tr或晚于当日的日落时间ts，不做跟踪。tr和ts由计算机利用相关天文公式计算得到，属于成熟的现有技术。

(2)驱动跟踪装置转至起始位置，起始位置就是跟踪开始时刻太阳光线垂直入射的位置。太阳光线垂直入射位置的确定是通过太阳运动轨迹计算公式计算出当前时刻的太阳方位，并结合当前跟踪装置的方位，确定相应的驱动角度，根据驱动角度驱动跟踪装置转至起始位置。

(3)判断天气状况，选择跟踪模式。跟踪装置转至起始位置后，计算机每隔设定时间Tm采集一次光强传感器的输出信号，2S≤Tm≤60S，每次采集k组，5≤k≤100，将采集值记为u_j，j＝1，2，……，k。对采集值进行处理，处理公式如下： $\stackrel{\‾}{u}=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{u}_j,$ $\mathrm{\λ}=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{((u_j-\stackrel{\‾}{u})\÷\stackrel{\‾}{u})}^2\÷k},$ u为采集值的均值，λ为采集值的波动幅度。

设定u₀和e₀分别为太阳方位检测装置所在地阴雨天时典型的光强检测信号和多云天气时的光强波动阈值，二者通过参考当地的气象检测资料和光电传感器的输出特性进行确定。若u＞u₀且λ＜e₀，则采用晴天跟踪模式；若u＞u₀且λ≥e₀，则采用多云跟踪模式；若u≤u₀，则采用阴雨天跟踪模式。

(4)根据相应的模式，进行太阳跟踪。

①晴天跟踪模式：

首先采用太阳运动轨迹跟踪方式进行粗跟踪，利用太阳运动轨迹计算公式，得到当前时间、地点下的太阳高度角理论值θ_h和方位角理论值θ_a，根据该理论值驱动跟踪装置的执行机构带动太阳能电池板做相应的调整。

然后采用光电跟踪方式进行精确跟踪，计算机通过太阳方位检测装置得到反映当前太阳方位偏转的电压信号，并将其转化为太阳在高度角和方位角方向上的调整量α和β。设e₁、e₂分别为α、β的阈值，e₁≤f₁、e₂≤f₂，f₁、f₂为设定值，其中0°＜f₁≤5°、0°＜f₂≤10°。若|α|＜e₁且|β|＜e₂，跟踪装置的执行机构不做进一步调整；若|α|＜e₁且|β|≥e₂，计算机仅驱动跟踪装置的执行机构在太阳方位角方向上转动|β|角度，太阳能电池板的正反转方向与β的符号一致；若|α|≥e₁且|β|＜e₂，计算机仅驱动跟踪装置的执行机构在太阳高度角方向上转动|α|角度，太阳能电池板的正反转方向与α的符号一致；若|α|≥e₁且|β|≥e₂，计算机先驱动跟踪装置的执行机构在太阳方位角方向上调整|α|角度，然后再驱动执行机构在太阳高度角方向上调整|β|角度，太阳能电池板的正反转方向与相应调整角度的符号一致。这样就完成了光电检测跟踪，并通过光电检测跟踪的闭环控制功能减小了太阳运动轨迹跟踪的积累误差。

②多云跟踪模式：

只采用太阳运动轨迹跟踪方式跟踪太阳，具体跟踪过程与晴天跟踪模式中的太阳运动轨迹跟踪方式相同。

③阴雨天跟踪模式：

暂停跟踪，跟踪装置的执行机构保持在当前位置；继续检测天气变化，当天气符合晴天或多云条件时，根据检测到的跟踪模式继续跟踪。

以上三种跟踪模式是并列的，一次跟踪只能执行其中的一种模式。每完成一次跟踪，将会重新判断天气状况，若天气状况发生变化，则选择与当前天气状况相适应的跟踪模式进行下一次的跟踪。

(5)跟踪延时

通过步骤(3)和(4)，即可完成一次跟踪。每完成一次跟踪，延时时间td后进行下一次跟踪，0＜td≤40min。td根据跟踪装置所在地的季节变化、太阳辐射条件以及对跟踪系统对发电效率和跟踪精度的要求来设定。通过计算机内部的定时器实现跟踪延时。

(6)每完成一次跟踪，就进行一次时间判断。通过步骤(1)的判断，如果当前时间t早于当日的日落时间ts进入下一次跟踪循环，重复步骤(3)～(5)；如果当前时间t晚于当日的日落时间ts，则停止跟踪。停止跟踪后跟踪装置返回到基准位置。基准位置即二维跟踪机构的方位角方向正对当地的正东方，高度角方向对应为太阳能电池板水平放置的方向。此外，计算机根据第二天日出时间的计算值tr，进行定时设置，日出后，重新开始跟踪。

实现该太阳方位自动跟踪方法的检测装置包括通光筒、光强传感器、防护玻璃、四象限光电探测器、信号处理电路、计算机、外部时钟芯片。所述的通光筒为中空的圆柱体，侧壁封闭不透光，顶部中心开有圆孔，圆孔处设有一个圆形透明的防护玻璃；光强传感器放置在通光筒的顶部、防护玻璃的旁边；四象限光电探测器设置于通光筒内，且位于通光筒的底部的中心，四象限光电探测器的光敏面的半径大于防护玻璃的半径；光强传感器和四象限光电探测器分别与信号处理电路相连接，信号处理电路通过计算机的A/D通道与计算机连接，计算机与外部时钟芯片和跟踪装置连接。

整个太阳方位检测装置固定在跟踪装置上，与跟踪装置上的太阳能电池板安装在同一平面内，且随着跟踪装置的转动而转动。

四象限光电探测器由一个圆形光敏面和四个光电特性一致的光电二极管构成。四个光电二极管封装在光敏面的下面，并相对于光敏面的中心对称分布，分别对应直角坐标系的一个象限。

光强传感器为可以把光信号转换为电信号的常用光敏元件，如硅光电池或光电二极管。

信号处理电路为常用的运算放大电路，能够将四象限光电探测器和光强传感器输出的光电流信号转换为电压信号并进行一定的放大处理，属于成熟技术。

计算机采用具有标准计算机功能的设备，含有CPU及其主板、内存、ROM、通信接口等，可以是商用、民用计算机、服务器、工控机、单片机等。

外部时钟芯片采用接口简单、价格低廉、带RAM的实时时钟电路，可以通过串行通讯向计算机提供年、月、日、时、分、秒等信息。

跟踪装置为二维跟踪装置，主要由底座、支架和两套机械传动机构组成，属于成熟技术。该跟踪装置的两套机械传动机构能够分别带动太阳能电池板在水平方向上旋转和在与水平方向垂直的方向上俯仰。

本发明中，通光筒顶部的圆形透明防护玻璃用于将太阳直射光线转换为近似于圆形的光斑照射到四象限光电探测器的光敏面上，同时在一定程度上屏蔽了环境光的干扰。四象限光电探测器的光敏面下面封装了四个光电特性一致的光电二极管，每个光电二极管对应直角坐标系的一个象限。四象限光电探测器利用太阳入射光斑在其光敏面上四个象限内的分布面积的变化而引起的四个象限对应的光电二极管输出光电流信号的变化，来检测太阳方位的偏移情况。太阳方位偏移是指当太阳相对于四象限光电探测器移动时，当前太阳方位相对于先前太阳光线垂直入射时太阳方位的偏移。信号处理电路将光强传感器和四象限光电探测器输出的光电流信号转换为电压信号，并进行放大处理后输入到计算机的A/D通道。计算机分析处理采集到的光强传感器和四象限光电探测器的信号，并根据外部时钟芯片提供的年、月、日、时、分、秒等时间信息，利用太阳方位跟踪算法，控制跟踪装置实现太阳方位跟踪。跟踪装置为二维跟踪装置，主要由底座、支架和两套机械传动机构组成，属于成熟技术。该跟踪装置的两套机械传动机构能够分别带动太阳能电池板在水平方向上旋转和在与水平方向垂直的方向上俯仰。

本发明通过采集和分析光强传感器的输出信号，判断天气状况，在晴天、多云和阴雨天，分别采取三种不同的跟踪模式。在一定程度上解决了天气变化对跟踪稳定性的影响，同时通过光电跟踪方式的闭环控制功能消除了积累误差，提高了跟踪精度，可实现光伏发电系统全天候、稳定地运行。相应的太阳方位检测装置集光强检测和太阳方位检测于一体，对环境光的干扰有一定的屏蔽作用，有利于提高太阳方位检测的准确性；检测装置能够采集、处理、分析检测信号。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为太阳方位坐标示意图；

图3为光强检测电路原理框图；

图4为四象限定位原理示意图；

图5-1为公式(18)描述示意图；

图5-2为公式(19)描述示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于太阳自动跟踪的太阳方位检测装置包括通光筒1、光强传感器2(采用SP0606型硅光电池)、防护玻璃3、四象限光电探测器4(型号：QP50-6)、信号处理电路5、计算机6、外部时钟芯片7(型号：DS1302)。通光筒1为中空的圆柱体，侧壁封闭不透光，顶部中心开有圆孔，圆孔处设有一个圆形透明的防护玻璃3。光强传感器2放置在通光筒1的顶部、防护玻璃3的旁边。四象限光电探测器4设置于通光筒内，且位于通光筒1的底部的中心。四象限光电探测器4的光敏面的半径大于防护玻璃3的半径。光强传感器2和四象限光电探测器4分别与信号处理电路5相连接，信号处理电路5通过计算机的A/D通道与计算机6连接，信号处理电路5将光强传感器2和四象限光电探测器4输出的光电流信号转换为电压信号，并进行放大处理后输入到计算机的A/D通道。计算机6与外部时钟芯片7和跟踪装置8连接。外部时钟芯片7向计算机6提供年、月、日、时、分、秒等时间信息，计算机读取日期信号d、时间信号t，借助天文学公式求出当天的日出时间tr和日落时间ts。整个太阳方位检测装置固定在跟踪装置上，通光筒1的顶面与跟踪装置上的太阳能电池板的平面平行，且朝向相同，可以随着跟踪装置的转动而转动。计算机6分析处理采集到的光强信号和四象限光电探测器的检测信号，得到当前的天气情况和太阳的方位偏移信息，并根据太阳方位跟踪算法，控制跟踪装置8做相应调整，最终实现太阳方位跟踪。

利用该装置进行太阳方位自动跟踪的方法具体包括以下步骤：

(1)判断时间

外部时钟芯片向计算机提供年、月、日、时、分、秒等信息，计算机读取日期信号d、时间信号t，借助天文学公式求出当天的日出时间tr和日落时间ts。公式如下：

公式(1)中，ω_rs表示日出和日落的时角，其中负值表示日出时角，正值表示日落时角；

是当地的地理纬度，为已知量；δ是太阳赤纬角，可由公式(2)计算得出。公式(2)中，n为一年中的日期序号，可由日期信号d确定。公式(3)是太阳时角ω的计算式，其中，t是当前的时间值；ε是当地与北京的时差，可由n确定，公式不再赘述；k是经度订正系数，其值为4min/°；ψ是当地的地理经度，为已知量。因此，通过公式(1)和(2)，可计算出当天的日出时角和日落时角，再将计算结果代入公式(3)，即可得出日出时间tr和日落时间ts。

计算机将当前时间信号t与计算出的tr、ts比较，当tr＜t＜ts时，开始太阳方位跟踪；反之，跟踪机构不动作。

(2)驱动跟踪装置转至起始位置

开始跟踪时，跟踪装置处于基准位置。此时，跟踪装置上的太阳能电池板在地平面上的方位如图2所示，电池板m的正向正对当地的正东方，其所在平面与地平面平行。假设开始跟踪时太阳相对于地平面的位置如图2所示，E、S、W、N分别代表东南西北四个方向，太阳方位可由高度角θ_h和方位角θ_a确定。θ_h为太阳直射光线op与地平面的夹，正午时取得最大值；θ_a为太阳直射光线op在地平面上的投影线oq与地平面正南方向S的夹角，以正南方为0°，向西为正，向东为负。θ_h和θ_a分别由以下公式确定：

公式(4)和(5)中，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角，

为当地的地理纬度，以上三个变量在公式(1)、(2)、(3)中均有介绍。可以看出，地球上任意地点、任意时刻的θ_h和θ_a可由时间t、纬度

和经度ψ唯一确定。

开始跟踪时的太阳高度角θ_h和方位角θ_a确定后，根据跟踪装置8所在的基准位置就可以确定相应的驱动角度，即跟踪装置8在水平面上向南旋转90°-θ_a，在垂直方向上向下旋转90°-θ_h。然后，计算机根据驱动角度，驱动跟踪装置转至起始位置。

(3)判断天气状况，选择跟踪模式

使用硅光电池作为光强传感器，利用硅光电池在光照条件下产生光电流，且光电流与光照强度成正比的原理来检测太阳光强。如图3所示，硅光电池2产生的光电流信号i，经信号处理电路5(该电路为常用的运放电路，属于成熟技术)转换为电压信号u。计算机6每隔一定时间tm采集一次光强传感器的输出信号，每次采集k组，5≤k≤100，将输出信号记为u_j，j＝1，2，……，k。对光强传感器的输出信号进行处理，公式如下：

$\stackrel{\‾}{u}=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{u}_j---\left(6\right)$

$\mathrm{\λ}=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{((u_j-\stackrel{\‾}{u})\÷\stackrel{\‾}{u})}^2}{k}}---\left(7\right)$

公式(6)中，u为光强传感器的输出信号的均值。公式(7)中，λ反映的是检测信号的波动情况。设u₀和e₀分别为太阳方位检测装置所在地阴雨天时典型的光强检测信号和多云天气时的光强波动阈值，二者均可通过参考当地的气象检测资料和光电传感器的输出特性，经一定的计算来确定，并可以根据实际情况进行修改。设Q为太阳辐射照度，Q_g，g＝1，2，……，100为当地气象资料中记录的某个典型的阴雨天气时不同时刻的辐射照度，单位为w/m²，每个数据的时间间隔为tm。取辐射照度的均值，记为Q_g。利用硅光电池的光电流i与辐射照度Q成正比以及光强传感器的输出信号u与硅光电池的光电流i成正比的关系，得到：

u′₀＝η₁η₂Q_g            (8)

公式(8)中，η₁＝i/Q，η₂＝u/i，通过u′₀可确定u₀的值，为确保u₀取值的普遍性，可取当地气象资料中不同季节阴雨天气时的多组辐射照度值，分别带入公式(8)计算，将多组计算结果取均值得到u′₀，则u₀＝u′₀。

同样，设Q_l，l＝1，2，……，100为当地气象资料中记录的某多云天气时不同时刻的辐射照度，单为w/m²，每个数据的时间间隔为tm，则：

$e_0^{\′}=\sqrt{\underset{l=1}{\overset{100}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{((Q_l-{\stackrel{\‾}{Q}}_l)\÷{\stackrel{\‾}{Q}}_l)}^2}{100}}---\left(9\right)$

公式(9)中，Q_l为Q_l的均值，e′₀反应的是某多云天气时辐射照度的波动情况。该式与公式(7)的计算方法一样，而且光强检测信号u_j与辐射照度Q成正比，两式均采用比值的形式，所以e′₀与λ为同类型的计算值。同样，选取当地气象资料中不同季节多云天气时的多组辐射照度值，分别带入公式(9)计算，将多组计算结果取均值得到e′₀，则e₀＝e′₀。

u₀和e₀的值确定后，进行天气判断，并选择相应的跟踪模式。若u＞u₀且λ＜e₀，则采用晴天跟踪模式；若u＞u₀且λ≥e₀，则采用多云跟踪模式；若u≤u₀且λ＜e₀，则采用阴雨天跟踪模式。

(4)根据相应的模式，进行太阳跟踪

①晴天跟踪模式。

先采用太阳运动轨迹跟踪方式进行粗跟踪。计算机6利用公式(4)和(5)计算出当前时间、地点下的太阳高度角和方位角的理论值θ_h和θ_a，并将当前的理论值与上一次跟踪时的理论值作差，差值记作Δθ_h、Δθ_a。根据Δθ_h、Δθ_a的符号和大小，计算机驱动跟踪装置的两个电机做相应的调整，使太阳能电池板大致对准太阳光的直射方向。

然后采用光电检测跟踪方式进行精确跟踪。如图1所示，太阳方位检测装置通过四象限光电探测器4探测太阳方位的偏转情况。四象限光电限探测器4的定位原理如图4所示。太阳直射光线通过通光孔3在四象限光电探测器4的光敏面上形成近似于圆形的光斑。太阳移动时，光斑在四个象限A、B、C、D上的分布面积s_a、s_b、s_c、s_d发生变化，引起四个光电二极管输出电信号的相应变化，太阳方位偏移的情况也随之确定。图4中，x轴对应东西方向，y轴对应南北方向，x₀和y₀分别为太阳光线在方位角和高度角方向的位置偏移。

四象限光电探测器4的四个光电二极管的负端与直流电源相连(一般为+5V)，正端分别与信号处理电路5相连，构成四个对称的信号处理支路。各个支路原理框图与图3相似，输出电压分别记为u_s、u_b、u_c、u_d，这些电压与各象限的光照面积和太阳光照强度成正比。

利用四象限加减算法计算光斑在x轴和y轴上的位置偏移x₀和y₀。设Ex和Ey分别为光斑在x轴和y轴上的面积偏移，则：

Ex＝s_a+s_d-s_b-s_c                (10)

Ey＝s_a+s_b-s_c-s_d                (11)

为消除光线强度的影响，进行归一化处理：

${\mathrm{Ex}}^{\′}=\frac{s_a+s_d-s_b-s_c}{s_a+s_b+s_c+s_d}---\left(12\right)$

${\mathrm{Ey}}^{\′}=\frac{s_a+s_b-s_c-s_d}{s_a+s_b+s_c+s_d}---\left(13\right)$

由于u_a、u_b、u_c、u_d分别与s_a、s_b、s_c、s_d成正比，公式(12)和(13)可分别等价为公式(14)和(15)。根据检测到得u_a、u_b、u_c、u_d，就可计算出Ex′和Ey′。

${\mathrm{Ex}}^{\′}=\frac{u_a+u_d-u_b-u_c}{u_a+u_b+u_c+u_d}---\left(14\right)$

${\mathrm{Ey}}^{\′}=\frac{u_a+u_b-u_c-u_d}{u_a+u_b+u_c+u_d}---\left(15\right)$

为确定x₀、y₀与Ex′、Ey′的关系，利用圆面积积分公式(为简化计算，将光斑的形状看作是标准圆形)，分别将s_a、s_b、s_c、s_d展开，并带入公式(16)和(17)，得到以下关系式：

${\mathrm{Ex}}^{\′}=\frac{4}{{\mathrm{\πr}}^2}{\∫}_0^{x_0}\sqrt{r^2-{(x-x_0)}^2}\mathrm{dx}---\left(16\right)$

${\mathrm{Ey}}^{\′}=\frac{4}{{\mathrm{\πr}}^2}{\∫}_0^{y_0}\sqrt{r^2-{(y-y_0)}^2}\mathrm{dy}---\left(17\right)$

公式(16)和(17)中的r为光斑的半径，也即通光孔的半径。由于光斑的偏移可分解为在x轴和y轴上的偏移，图4中光斑的偏移情况可分解为图5-1和5-2中的两种情况。图5-1和5-2分别描述了光斑仅在x轴正向偏移x₀和仅在y轴正向偏移y₀的情况，0和0′分别代表四象限光电探测器4和光斑的圆心，积分区域分别为y轴与zz′、x轴与zz′之间的区域。对公式(16)和(17)进行积分变换，令x-x₀＝rcosθ，y-y₀＝rsinθ，则变换后的结果为：

${\mathrm{Ex}}^{\′}=\frac{2}{\mathrm{\π}}(\mathrm{ar}\cos \frac{x_0}{r}+\frac{x_0\sqrt{r^2-{x_0}^2}}{r^2})---\left(18\right)$

${\mathrm{Ey}}^{\′}=\frac{2}{\mathrm{\π}}(\mathrm{ar}\sin \frac{y_0}{r}+\frac{y_0\sqrt{r^2-{y_0}^2}}{r^2})---\left(19\right)$

通过公式(16)和(17)，可解算出x₀和y₀的值，|x₀|≤r，|y₀|≤r，x₀＞0时，代表太阳在方位角方向上向西偏移，反之向东；y₀＞0时，代表太阳在高度角方向上向北偏移，反之向南。

进一步将位置偏移x₀和y₀转换为太阳光线在x轴和y轴方向上的角度偏移。设l为通光筒的高度，α和β分别为太阳光线在高度角和方位角方向上的角度偏移，那么：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{y_0}{l}---\left(20\right)$

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{x_0}{l}---\left(21\right)$

将公式(18)和(19)计算出的x₀、y₀带入公式(21)和(20)，可求出α和β的值。α和β即为太阳在高度角和方位角方向上的调整量，设e₁、e₂分别为α、β的阈值，且e₁≤f₁、e₂≤f₂，f₁、f₂的值均可设定，其中0°＜f₁≤5°、0°＜f₁≤10°。若|α|＜e₁且|β|＜e₂，跟踪装置的执行机构不做进一步调整；若|α|＜e₁且|β|≥e₂，计算机仅驱动跟踪装置的执行机构在太阳方位角方向上做进一步调整，即跟踪装置的方位角电机(驱动跟踪装置上的太阳能电池板在水平方向上旋转的电机)转动|β|角度，电机的正反转方向与β的符号一致；若|α|≥e₁且|β|＜e₂，计算机仅驱动跟踪装置的执行机构在太阳高度角方向上做进一步调整，即跟踪装置的高度角电机(驱动跟踪装置上的太阳能电池板在与水平方向垂直的方向上旋转的电机)转动|α|角度，电机的正反转方向与α的符号一致；若|α|≥e₁且|β|≥e₂，计算机先驱动跟踪装置的执行机构在太阳方位角方向上调整|α|角度，然后先驱动执行机构在太阳高度角方向上调整|β|角度，电机的正反转方向仍然与相应调整角度的符号一致。这样就完成了光电检测跟踪，通过闭环控制减小了太阳运动轨迹跟踪的积累误差，使太阳光线垂直照射到太阳能电池板上。

②多云跟踪模式。此时只采用太阳运动轨迹跟踪方式进行太阳方位跟踪，具体跟踪过程与晴天跟踪模式中的太阳运动轨迹跟踪相同。

③阴雨天跟踪模式。太阳光线比较暗，暂停跟踪，跟踪装置的执行机构保持在当前位置，并每隔一定时间进行一次天气判断。天气变化时，再选择相应的模式继续跟踪。

以上三种跟踪模式是并列的，一次跟踪只能执行其中的一种模式。每完成一次跟踪，就会重新判断天气状况，若天气状况发生变化，则选择与当前天气状况相适应的跟踪模式进行下一次的跟踪。

(5)跟踪延时

通过步骤(3)和(4)，即可完成一次跟踪。每完成一次跟踪，延时时间td后进行下一次跟踪，0＜td≤40min。td根据跟踪装置所在地的季节变化、太阳辐射条件以及对跟踪系统对发电效率和跟踪精度的要求来设定。通过计算机内部的定时器实现跟踪延时。

考虑到为提高发电效率而进行频繁跟踪，往往因跟踪装置的执行结构消耗比较多的电能而不能明显地提高发电效率，一般将td设为10min。其依据为：太阳每小时运行15°时角，即太阳在方位角方向平均每10min转动2.5°。按照跟踪系统每天工作12h估算，每天只需跟踪72次，在一定跟踪精度的基础上避免了频繁跟踪造成的功率损耗。

(6)每完成一次跟踪，就进行一次时间判断。由于t一定是在日出时间tr之后，所以仅将当前时间t与日落时间ts比较。如果当前时间t早于当日的日落时间ts进入下一次跟踪循环，重复步骤(3)～(5)；如果当前时间t等于或晚于当日的日落时间ts，则停止跟踪。

然后，计算机6驱动跟踪装置返回到基准位置。该功能的实现是通过将基准位置作为二维跟踪装置中两个电机的转动零位，开始跟踪以后两个电机均处于偏离转动零位的状态，电机驱动器也会向计算机6反馈电机的偏离角度。日落时，计算机即可根据该反馈的偏离角度，驱动电机向与偏离角度相反的方向转回基准位置。最后，计算机利用公式(1)、(2)、(3)，计算出第二天的日出时间tr，进行定时设置，日出时间到达后，重新按照以上步骤开始跟踪。

Claims (2)

1.一种用于光伏发电的太阳方位自动跟踪方法，其特征在于该方法是利用光强传感器将光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪相结合的全天候二维太阳方位自动跟踪方法，光强传感器检测天气状况，在晴天、多云和阴雨天，分别采取三种不同的工作模式进行太阳方位跟踪，该方法具体包括以下步骤：

(1)根据当前时间t确定是否进行跟踪：如果当前时间t在当日的日出时间tr之后并且在日落时间ts之前，开始太阳方位跟踪；如果当前时间t早于当日的日出时间tr或晚于当日的日落时间ts，不做跟踪；

(2)驱动跟踪装置转至起始位置，起始位置就是跟踪开始时刻太阳光线垂直入射的位置；

(3)判断天气状况，选择跟踪模式；跟踪装置转至起始位置后，计算机每隔设定时间Tm采集一次光强传感器的输出信号，2S≤Tm≤60S，每次采集k组，5≤k≤100，将采集值记为uj，j＝1，2，……，k；对采集值进行处理，处理公式如下：

u为采集值的均值，λ为采集值的波动幅度；

设定u₀和e₀分别为太阳方位检测装置所在地阴雨天时典型的光强检测信号和多云天气时的光强波动阈值，二者通过参考当地的气象检测资料和光电传感器的输出特性进行确定；若u＞u₀且λ＜e₀，则采用晴天跟踪模式；若u＞u₀且λ≥e₀，则采用多云跟踪模式；若u≤u₀，则采用阴雨天跟踪模式；

(4)根据相应的模式，进行太阳跟踪；

①晴天跟踪模式：

首先采用太阳运动轨迹跟踪方式进行粗跟踪，利用太阳运动轨迹计算公式，得到当前时间、地点下的太阳高度角理论值θ_h和方位角理论值θ_a，根据该理论值驱动跟踪装置的执行机构带动太阳能电池板做相应的调整；

然后采用光电跟踪方式进行精确跟踪，计算机通过太阳方位检测装置得到反映当前太阳方位偏转的电压信号，并将其转化为太阳在高度角和方位角方向上的调整量α和β；设e₁、e₂分别为α、β的阈值，e₁≤f₁、e₂≤f₂，f₁、f₂为设定值，其中0°＜f₁≤5°、0°＜f₂≤10°；若|α|＜e₁且|β|＜e₂，跟踪装置的执行机构不做进一步调整；若|α|＜e₁且|β|≥e₂，计算机仅驱动跟踪装置的执行机构在太阳方位角方向上转动|β|角度，太阳能电池板的正反转方向与β的符号一致；若|α|≥e₁且|β|＜e₂，计算机仅驱动跟踪装置的执行机构在太阳高度角方向上转动|α|角度，太阳能电池板的正反转方向与α的符号一致；若|α|≥e₁且|β|≥e₂，计算机先驱动跟踪装置的执行机构在太阳方位角方向上调整|α|角度，然后再驱动执行机构在太阳高度角方向上调整|β|角度，太阳能电池板的正反转方向与相应调整角度的符号一致；这样就完成了光电检测跟踪，并通过光电检测跟踪的闭环控制功能减小了太阳运动轨迹跟踪的积累误差；

②多云跟踪模式：

只采用太阳运动轨迹跟踪方式跟踪太阳，具体跟踪过程与晴天跟踪模式中的太阳运动轨迹跟踪方式相同；

③阴雨天跟踪模式：

暂停跟踪，跟踪装置的执行机构保持在当前位置；继续检测天气变化，当天气符合晴天或多云条件时，根据检测到的跟踪模式继续跟踪；

以上三种跟踪模式是并列的，一次跟踪只执行其中的一种模式；每完成一次跟踪，将会重新判断天气状况，若天气状况发生变化，则选择与当前天气状况相适应的跟踪模式进行下一次的跟踪；

(5)跟踪延时：

通过步骤(3)和(4)，即可完成一次跟踪；每完成一次跟踪，延时时间td后进行下一次跟踪，0＜td≤40min；

(6)每完成一次跟踪，就进行一次时间判断；通过步骤(1)的判断，如果当前时间t早于当日的日落时间ts进入下一次跟踪循环，重复步骤(3)～(5)；如果当前时间t晚于当日的日落时间ts，则停止跟踪；停止跟踪后跟踪装置返回到基准位置；基准位置即二维跟踪机构的方位角方向正对当地的正东方，高度角方向对应为太阳能电池板水平放置的方向。

2.一种用于太阳自动跟踪的太阳方位检测装置，包括通光筒、光强传感器、防护玻璃、四象限光电探测器、信号处理电路、计算机、外部时钟芯片，其特征在于：所述的通光筒为中空的圆柱体，侧壁封闭不透光，顶部中心开有圆孔，圆孔处设有一个圆形透明的防护玻璃；光强传感器放置在通光筒的顶部、防护玻璃的旁边；四象限光电探测器设置于通光筒内，且位于通光筒的底部的中心，四象限光电探测器的光敏面的半径大于防护玻璃的半径；光强传感器和四象限光电探测器分别与信号处理电路相连接，信号处理电路通过计算机的A/D通道与计算机连接，计算机与外部时钟芯片和跟踪装置连接。

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