CN102735209A - 一种基于向量分解法的光伏跟踪系统跟踪精度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于向量分解法的光伏跟踪系统跟踪精度的测量方法，其步骤为：确定光伏组件安装位置和安装朝向；判断使用何种光伏系统，若为单轴光伏跟踪系统，则利用电子量角器确定所述光伏组件仰角并测试所述光伏组件全天方位角运行情况，并记录测试日期和测试结果；若为双轴光伏跟踪系统，则测试所述光伏组件全天方位角以及仰角运行情况，并记录测试日期和测试结果；将所述测试结果利用向量分解法对所述光伏系统跟踪精度进行计算判定，得到所述光伏系统跟踪精度。本发明不受天气影响，且无需在光伏组件上进行安装，节约测试安装时间。本发明还可以根据需要进行坐标变换以满足不同单轴跟踪系统测试要求。

Description

一种基于向量分解法的光伏跟踪系统跟踪精度的测量方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种基于向量分解法的光伏跟踪系统跟踪精度的测量方法。

背景技术

为了提升相同时间内光伏系统发电量，通常采用具有跟踪式光伏发电系统。通过跟踪太阳位置以提升光伏系统单日发电量。因此，光伏跟踪系统对太阳位置跟踪精度差异将直接关系到光伏发电体系单日发电量的多少。准确测量光伏跟踪系统跟踪精度将对评估光伏发电系统发电量多少有着重要意义。

目前，在光伏跟踪精度测试方面，部分研究仅仅制定了相应测试精度标准以规范光伏跟踪精度大小，其包括以下两种方法：

针孔法：将开有一个针孔的不透明轻薄平面平行固定于组件平面上方，两个平面之间有一定距离，在有效太阳光照时间内运行跟踪系统，检查组件平面上的太阳光斑偏离针孔的角度，对跟踪系统的跟踪精度进行检查。

直接辐射仪法：将光照直接辐射仪固定在转动结构上，并校整直接辐射仪与光伏组件表面垂直，在有效太阳光照时间内运行跟踪系统，检查直接辐射仪上太阳光斑偏离原点的角度，对跟踪系统的跟踪精度进行检查。也可将数字水平仪固定在转动结构上，在有效太阳光照时间内，计算此时所跟踪太阳入射角度与数字水平仪角度差，对水平单轴跟踪系统的跟踪精度进行检查。

采用这两种方法都是需要将测试设备固定至光伏组件上，并且需调整与光伏组件平行，在测试过程中其可操作性不强。

在光伏跟踪系统跟踪精度研究方面，目前文献主要着重于光伏跟踪精度研究，即太阳角度的计算和计算机实现问题。并且许多算法主要关注的是如何精确计算太阳位置参数，以使得所设计光伏跟踪系统能够更好地进行跟踪，但这些文献却较少关注太阳位置计算方法的可行性以及跟踪精度的测试方法即太阳入射光线与光伏组件之间夹角大小。有基于此，本发明提出一种基于向量分解法的光伏跟踪系统跟踪精度测量方法，该方法可以较为准确地对光伏跟踪精度进行测试，并且具有较强的可实施性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于向量分解法的光伏跟踪系统跟踪精度的测量方法，精确测出光伏跟踪系统对太阳位置跟踪精度差异，可以有效计算采用光伏跟踪系统后光伏组件发电量多少，并指导跟踪精度不达标光伏发电系统进行改进。

本发明提供的一种基于向量分解法的光伏跟踪系统跟踪精度的测量方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）确定光伏组件安装位置和安装朝向；

（2）判断使用何种光伏系统，若为单轴光伏跟踪系统，则利用电子量角器确定所述光伏组件仰角并测试所述光伏组件全天方位角运行情况，并记录测试日期和测试结果；若为双轴光伏跟踪系统，则测试所述光伏组件全天方位角以及仰角运行情况，并记录测试日期和测试结果；

（3）将所述测试结果利用向量分解法对所述光伏系统跟踪精度进行计算判定，得到所述光伏系统跟踪精度。

其中，步骤（3）利用向量分解法计算包括如下步骤：

1）建立坐标；

2）计算测试当日太阳运行位置参数；

3）将太阳高度角归结至空间坐标系，用单位向量V_s表示；

4）将光伏组件法线角度归结到空间坐标系，单位向量V_p表示；

5）根据朗伯余弦定理，计算太阳光线与太阳能板法线之间的夹角θ，并将平面辐照度转化为太阳能板上垂直辐照度。

其中，步骤1）建立坐标时，根据光伏组件原始位置，求出其原始位置处的法向量，计算法向量与天顶坐标（即Z轴）之间的夹角，同时，在转轴转动时，计算任意转动时刻法向量与原始位置法向量夹角τ。

其中，步骤2）位置参数包括太阳高度角和太阳方位角。

其中，步骤2）采用传统工程法或SPA算法计算测试当日太阳运行位置参数。

其中，步骤3）所述V_s表示如下

$\stackrel{\→}{V_s}=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\γ}\\ -\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，步骤4）所述V_p表示如下

$\stackrel{\→}{V_p}=\left[\begin{array}{c}\sqrt{{\left(\cos \mathrm{\β}\right)}^2-{(\cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β})}^2}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\sin \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(\text{2}\right)$

其中，步骤5）所述夹角θ的余弦公式为：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\stackrel{\→}{V_s}\·\stackrel{\→}{V_p}}{\left|\stackrel{\→}{V_s}\right|\·\left|\stackrel{\→}{V_p}\right|}---\left(6\right)$

其中，所述光伏组件安装位置通过经纬仪测定。

其中，所述光伏组件安装朝向通过指南针测定。

利用本发明对测试数据进行向量分解，从而可以较为方便的对光伏系统跟踪精度进行评判，与现有的测试方法相比，本发明的有益效果为：

1、天气影响：现有测试方法测试光伏跟踪精度需要在晴好无云的天气下，通过太阳入射光线与光伏组件上安装期间之间差异，从而判定跟踪精度大小；而采用本发明则无需考虑天气情况，仅需知道所测日期的地理信息以及光伏组件跟踪系统转角情况。

2、测试现场安装：现有测试方法需在具有跟踪系统光伏组件上进行测试系统的平行安装，使得测试方法不够简便，采用本发明则无需在光伏组件上进行安装，节约测试安装时间。

3、测试可拓展性：现有测试方法测试得到都为综合角度偏差，无法解耦，而采用本发明则可以根据需要进行坐标变换以满足不同单轴跟踪系统测试要求。

附图说明

图1为本发明提供的测量方法流程图。

图2为本发明提供的向量分解法坐标系建立的主视图。其横轴为太阳能电池组件水平面；纵轴为太阳能电池组件水平面的垂直线。

图3为本发明提供的向量分解法坐标系建立的俯视图。

图4为本发明提供的被测地区当日太阳高度角α。其横轴为时间，单位：分钟；纵轴为角度，单位：度。

图5为本发明提供的被测地区当日太阳高度角γ。其横轴为时间，单位：分钟；纵轴为角度，单位：度。

图6为本发明提供的被测光伏系统转角τ。其横轴为时间，单位：分钟；纵轴为角度，单位：度。

图7为本发明提供的被测光伏系统双轴当前仰角β。其横轴为时间，单位：分钟；纵轴为角度，单位：度。

图8为本发明提供的被测光伏系统跟踪角度误差。其横轴为时间，单位：分钟；纵轴为角度，单位：度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明的测量方法流程如图1所示，首先，利用指南针确定光伏组件安装朝向、利用经纬仪确定光伏组件安装的地理位置，确定安装朝向正南方向。其次，判断光伏系统，针对单轴光伏跟踪系统，在利用电子量角器确定其光伏组件仰角时，测试其全天方位角运行情况，用计算机记录测试日期和测试结果；针对双轴光伏跟踪系统，测试其全天方位角以及仰角运行情况，用计算机记录测试日期与测试结果。将测试结果利用向量分解法（以下简称向量法）对光伏系统跟踪精度进行计算判定，得到光伏系统跟踪精度。本发明可以直接计算不同跟踪类型光伏发电系统中太阳直射辐射入射角与接收平面的法相角之间的角度。

利用向量分解法：建立向量分解法坐标系如图2和图3所示，本实施例中，采用太阳能电池组件水平面为基平面坐标，其垂线为Z轴坐标。对于光伏跟踪系统，考虑其法线角度：法线与天顶坐标夹角（即太阳能板与水平面夹角β）以及转轴转动时，法线与原轴之间夹角τ。其根据光伏组件原始位置，求出其原始位置处的法向量，计算法向量与天顶坐标（即Z轴）之间的夹角，同时，在转轴转动时，计算任意转动时刻法向量与原始位置法向量夹角τ，用于计算单位向量V_p。

根据测试日期，采用传统工程法或SPA算法计算测试当日太阳运行位置参数。包括太阳高度角α以及太阳方位角γ等。

将太阳高度角归结至空间坐标系下并利用单位向量V_s表示：

$\stackrel{\→}{V_s}=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\γ}\\ -\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

将光伏组件法线角度归结到空间坐标系并利用单位向量V_p表示如下：

$\stackrel{\→}{V_p}=\left[\begin{array}{c}\sqrt{{\left(\cos \mathrm{\β}\right)}^2-{(\cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β})}^2}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\sin \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(\text{2}\right)$

化简可得：

$\stackrel{\→}{V_p}=\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\sin \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(3\right)$

现考虑到Y轴坐标为负值，因此，推算（2）式化简后得到（3）式应如（4）、（5）所示：

$\stackrel{\→}{V_p}=\left[\begin{array}{c}\sqrt{{\left(\cos \mathrm{\β}\right)}^2-{(\cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β})}^2}\\ -\cos \mathrm{\τ}\·\sin \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(4\right)$

化简可得：

$\stackrel{\→}{V_p}=\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β}\\ -\cos \mathrm{\τ}\·\sin \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(5\right)$

根据朗伯余弦定理，计算太阳光线与太阳能板法线之间的夹角θ，以将平面辐照度转化为太阳能板上垂直辐照度。夹角θ越小，则证明跟踪精度越高。根据向量法则：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\stackrel{\→}{V_s}\·\stackrel{\→}{V_p}}{\left|\stackrel{\→}{V_s}\right|\·\left|\stackrel{\→}{V_p}\right|}---\left(6\right)$

由于Vs，Vp采用单位向量，因此该式分母部分为1，则（6）式可转化为：

cosθ＝cosα·sinγ·sinτ·cosβ+cosα·cosγ·cosτ·sinβ+sinα·cosτ·cosβ（7）

即知道太阳高度角α、方位角γ、光伏组件倾角β以及转角τ即可。而α、γ在前面报告已经确定其求法，仰角β以及转角τ可通过电站相应数据库检测读出。

本实施例所述的传统工程法即：太阳高度角计算公式：

为纬度，w为时角，δ为太阳赤纬交角，其如下式所示：

$\mathrm{\δ}=23.45\sin \left[360\frac{284+N}{365}\right]$

N为累计日期。

方位角计算：

上述公式中sign为符号函数。

本发明可在现场较为快速地测试得到光伏跟踪系统跟踪精度大小。

本实施例利用本发明的方法计算2011年9月2日某具有双轴跟踪光伏发电系统太阳光线入射角与光伏组件法线之间夹角。

首先，利用指南针确定光伏系统安装朝向，本实施例中，该光伏发电系统为正南朝向。其次，利用，利用经纬仪确定所测试地区纬度，根据以上信息，可以绘制出当天被测地区太阳参数角：高度角α和方位角γ如图4和图5所示。

将计算得到数值代入式（1）中，从而求得空间坐标系下太阳位置的单位向量。

其次，采用量角器测试当日全天光伏系统转角τ以及仰角β大小，并绘制出相应图形如图6和图7所示。

将测试数值代入式（5）中，从而求得空间坐标系下光伏组件法线。

将所测量值代入式（6）中，即可得到全天太阳光线射线与具有跟踪装置光伏组件法线向量之间的夹角，如图8所示。

由图8可以看出，在太阳升起时段，该双轴跟踪装置跟踪误差小于10°，虽然有较好的跟踪精度，但是还未符合标准规定要求，需要进一步改进以提升其跟踪精度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于向量分解法的光伏跟踪系统跟踪精度的测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）确定光伏组件安装位置和安装朝向；

（2）判断使用何种光伏系统，若为单轴光伏跟踪系统，则利用电子量角器确定所述光伏组件仰角并测试所述光伏组件全天方位角运行情况，并记录测试日期和测试结果；若为双轴光伏跟踪系统，则测试所述光伏组件全天方位角以及仰角运行情况，并记录测试日期和测试结果；

（3）将所述测试结果利用向量分解法对所述光伏系统跟踪精度进行计算判定，得到所述光伏系统跟踪精度。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤（3）利用向量分解法计算包括如下步骤：

1）建立坐标；

2）计算测试当日太阳运行位置参数；

3）将太阳高度角归结至空间坐标系，用单位向量V_s表示；

4）将光伏组件法线角度归结到空间坐标系，单位向量V_p表示；

5）根据朗伯余弦定理，计算太阳光线与太阳能板法线之间的夹角θ，并将平面辐照度转化为太阳能板上垂直辐照度。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤1）建立坐标时，根据光伏组件原始位置，求出原始位置处的法向量，计算法向量与天顶坐标之间的夹角；在转轴转动时，计算任意转动时刻法向量与原始位置法向量夹角τ。

4.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤2）位置参数包括太阳高度角和太阳方位角。

5.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤2）采用传统工程法或SPA算法计算测试当日太阳运行位置参数。

6.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤3）所述V_s表示如下

$\stackrel{\→}{V_s}=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\γ}\\ -\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

7.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤4）所述V_p表示如下

$\stackrel{\→}{V_p}=\left[\begin{array}{c}\sqrt{{\left(\cos \mathrm{\β}\right)}^2-{(\cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β})}^2}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\sin \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\τ}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(\text{2}\right)$

8.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤5）所述夹角θ的余弦公式为：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\stackrel{\→}{V_s}\·\stackrel{\→}{V_p}}{\left|\stackrel{\→}{V_s}\right|\·\left|\stackrel{\→}{V_p}\right|}---\left(6\right)$

9.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述光伏组件安装位置通过经纬仪测定。

10.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述光伏组件安装朝向通过指南针测定。

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