CN103149947B - 一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对单轴太阳能的跟踪方法。一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法，提出了一种基于现代天文算法准确计算太阳位置，根据组件宽度和前后排电池板组件间距，计算电池板组件影子长度，调整电池板组件角度的太阳能跟踪器，从而保证任意时间前后排电池板组件东西方向上都不产生阴影，达到太阳光线垂直于电池板组件光射强度的最大化，提高光伏转化率。本发明提供了一种能耗小，适用于各个纬度，不受地理位置限制，能最大限度的对准太阳，接受太阳直射，能有效避免东西组建产生阴影遮挡的一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法；解决了现有技术中存在的太阳能的电池板组件容易相互遮挡产生阴影，影响太阳光的接收，从而影响光伏转化率的技术问题。

Description

一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能的跟踪方法，尤其涉及一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法。

背景技术

开发新能源和可再生清洁能源是全世界面临的共同课题。在新能源中，光伏发电倍受瞩目。但由于过高的成本，目前还未能充分进入市场。光伏发电市场前景广阔，但太阳能利用效率低下，面临着建设成本高，投资回报率低的问题。光伏发电的组件安装形式主要有固定倾角式、单轴跟踪、双轴跟踪等方式。

固定倾角式安装是组件以一定的倾角固定在地面上，整个发电过程组件处于静态，该安装方式简单易行，成本低。但太阳处于动态运动过程，在一天中太阳光与太阳能电池板相对位置时刻都在发生变化，光线与电池板相对垂直的时间很短。研究表明，太阳能电池板发电能力与接收垂直光强成正比，每天有35%以上的能量被无形的浪费掉。另外，为了防止大风、大雪等恶劣天气可能损坏太阳能电池板的支架，一般将基础和支架的安全系数设计的很高。

为了克服上述问题，提高太阳能的利用效率，增加发电量，降低太阳能发电的运营成本，控制电池板组件旋转的光伏发电方式，即单轴和双轴跟踪系统。其中单轴是指电池板组件只有一个旋转自由度，在方位角（东西方向）上跟踪太阳，双轴跟踪系统是指同时在太阳方位角和高度角上跟踪太阳运动的方式。

一般的平单轴太阳跟踪器，都采用了根据时间计算太阳位置控制电池板组件转动的控制方式，但在跟踪器跟踪太阳的过程中，前排电池板组件都会产生一定区域的阴影，所以两排电池板组件之间都留有一定距离避免阴影遮住后排电池板组件，但这段距离并不能保证所有时段电池板组件都不受阴影的遮挡，尤其当太阳刚刚升起或即将落山时，太阳高度角很低，此时如果电池板组件继续对准太阳，遮挡是不可避免的。现行控制器大多采用当跟踪位置即将造成遮挡时，直接将电池板组件放平，这样可以很好的避免遮挡，电池板组件可以继续接收天空中散射光，但太阳光线垂直于电池板组件的光射强度却不能达到最大化，影响光伏转化率。

发明内容

本发明提供了一种能耗小，适用于各个纬度，不受地理位置限制，能最大限度的对准太阳，接受太阳直射，能有效避免东西组建产生阴影遮挡的一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法；解决了现有技术中存在的太阳能的电池板组件容易相互遮挡产生阴影，影响太阳光的接收，从而影响光伏转化率的技术问题。

本发明的上述技术问题是通过下述技术方案解决的：一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法，其特征在于：

第一步，根据电池板组件的安装地所处的经度γ、纬度φ和北京时间T，计算当地时t，表明时间变化的时角ω和赤纬角δ；

第二步，根据第一步计算出的当地时t、时角ω、赤纬角δ和测量得到的θ角，计算太阳高度角h的正弦值和太阳方位角α的余弦值，其中θ角为南北向转动主轴和水平面的夹角；

第三步，根据太阳高度角h的正切值和太阳方位角α的正弦值计算P角的正切值，P角为太阳光线的空间矢量投射到跟踪器电池板组件上得到的一个垂直于面板的向量与水平面之间的夹角，上午，从太阳升起至中午12点，角度P由0°增大为90°。下午，从中午12点至太阳落下，角度P由90°减小为0°；

第四步，根据电池板组件的长度D和前后两排电池板组件之间的距离L，还有P角的正切值计算电池板组件的反阴影倾角的Q_反和Q_正，其中Q_正为电池板组件正常跟踪角度计算值，  Q_反为电池板组件反阴影跟踪角度计算值；

第五步，根据第三步计算的P角的正切值来确定P角的角度，同时测量实际的电池板组件的倾斜角度Q′_反或Q′_正；

第六步，正常跟踪时：当P角在上午的45°递增到90°或者下午的90°递减到45°的范围内，Q_正与Q′_正的角度相差1°~10°时，发送指令给电池板组件旋转的执行机构，旋转电池板组件，调整电池板组件倾角到Q_正角度，达到太阳光线垂直于电池板组件光射强度的最大化；

反阴影跟踪时：当P角在上午的0°递增到45°的范围内，跟踪器计算阴影长度，计算得出电池板组件反阴影倾角Q_反，当Q_反与测量的电池板组件倾角Q′_反相差5°~15°的时候，发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角到Q_反角度，此时前排电池板组件的影子长度刚好为排间距，前后排之间不产生遮挡，随着太阳慢慢升起，P角度逐渐变大，电池板组件影子变短，当电池板组件倾角Q′_反和计算得到的反阴影倾角Q_反相差5°~15°的时候，控制器发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角Q′_反到Q_反角度，此时前排电池板组件的影子长度刚好为排间距，前后排之间不产生遮挡，依次调整，直至电池板组件旋转到最大跟踪角度45°，结束早上反阴影跟踪；

当P角在下午的45°递减到0°的范围内，跟踪器计算阴影长度，计算得出电池板组件反阴影倾角Q_反，当电池板组件倾角Q′_反和计算得出的电池板组件反阴影角度Q_反相等的时候，发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角到Q_反减5°~15°角度，此时，前后排电池板组件影子间存在一个空白太阳光区域，没有遮挡，随着太阳慢慢落下，P逐渐变小，电池板组件影子长度逐渐变长，空白太阳光逐渐被电池板组件遮挡，当电池板组件倾斜角度和计算得到的反阴影角度Q_反相等的时候，此时电池板组件影子长度等于组件间间距，没有遮挡，发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角到Q_反减5°~15°角度，此时前后排电池板组件影子间又产生一个空白太阳光区域，没有遮挡，依次调整，直至电池板组件角度转到水平放平状态，结束下午反阴影跟踪。

针对单轴跟踪系统，提出了一种基于现代天文算法准确计算太阳位置，根据组件宽度和前后排电池板组件间距，计算电池板组件影子长度，调整电池板组件角度的太阳能跟踪器，从而保证任意时间前后排电池板组件东西方向上都不产生阴影，达到太阳光线垂直于电池板组件光射强度的最大化，提高光伏转化率。该控制器适用于转动主轴南北向安装的平单轴和斜单轴跟踪系统。

正常跟踪时，当计算得出的电池板组件角度和实际电池板组件有偏差时，旋转电池板组件，间歇动作，耗能少，实现节能目的，又能最大限度的对准太阳，接受太阳直射。偏差角度以2°为最优，根据调整的频率和吸收太阳能的多少而选定。

反阴影跟踪时候，计算得出的电池板组件角度和实际电池板组件有偏差时，旋转电池板组件，间歇动作，耗能少，实现节能目的，既能避免东西组件产生阴影遮挡，又能最大限度的提高太阳直射辐射光强度。偏差角度最优为5°，吸收太阳能最多，调整的频率合适。

作为优选，设置Pt角，∣Pt∣=90°-P，Pt角的范围为-90°~90°，上午从太阳升起至中午12点，角度Pt由-90°增大为0°；下午，从中午12点至太阳落下，角度Pt由0°增大为90°，在-45°≤Pt≤45°范围内正常跟踪，在-90°＜Pt＜-45°范围内或45°＜Pt＜90°范围内进行反阴影跟踪。拟定Pt角，可以与太阳方位角进行对应，容易辨识，在编程时临界状况少，不易出错。

作为优选，所述的第六步内的Q_反计算公式如下：

$a=\frac{1}{\tan P}$ ，b=1

假设角度X，其正弦值、余弦值如下：

$\cos X=\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}$ ，  $\sin X=\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}$

；

Q_正的计算公式为：Q_正=90°-P。

作为优选，所述的P角的计算公式为：

tanP=tanh/sinα

因此，本发明的一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法具备下述优点：

1、正常跟踪时，当计算得出的电池板组件角度和实际电池板组件相差2度时，旋转电池板组件，间歇动作，耗能少，实现节能目的，又能最大限度的对准太阳，接受太阳直射。

2、反阴影跟踪时候，计算得出的电池板组件角度和实际电池板组件相差5度时，旋转电池板组件，间歇动作，耗能少，实现节能目的，既能避免东西组件产生阴影遮挡，又能最大限度的提高太阳直射辐射光强度。

3、编程实现简单，适用于各种编程语言实现，临界情况少，不易出错。

4、既适用于平单轴也适用于斜单轴跟踪系统，具有通用性。

5、适用于各个纬度，不受地理位置限制。

附图说明

图1是相互平行的光伏组件的示意图。

图2是单个光伏组件的示意图。

图3是相互平行的光伏组件的正常追踪的示意图。

图4是相互平行的光伏组件的反阴影追踪的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1和2所示，一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法，第一步，根据电池板组件的安装地的经度γ、纬度φ和北京时间T，计算当地时t，表明时间变化的时角ω和赤纬角δ；

其中，t=T[(120-γ)/15]，ω=(t-12)×15，δ=23.45·sin[360×(284+n)/365]

第二步，根据第一步计算出的当地时t、时角ω、赤纬角δ和测量得到的θ角，计算太阳高度角h的正弦值和太阳方位角α的余弦值，其中θ角为南北向转动主轴和水平面的夹角；

其中，，

第三步，根据太阳高度角h的正切值和太阳方位角α的正弦值计算P角的正切值，，P角为太阳光线的空间矢量投射到跟踪器电池板组件上得到的一个垂直于面板的向量与水平面之间的夹角，上午，从太阳升起至中午12点，角度P由0°增大为90°。下午，从中午12点至太阳落下，角度P由90°减小为0°；

第四步，根据电池板组件的长度D（单位米）和前后两排电池板组件之间的距离L（单位米），还有P角的正切值计算电池板组件的反阴影倾角的Q_反；

$a=\frac{1}{\tan P}$ ， b=1

假设角度X，其正弦值、余弦值如下：

$\cos X=\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}$ ，  $\sin X=\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}$

第五步，根据第三步计算的P角的正切值来确定P角的角度，同时测量实际的电池板组件的角度P′；设置Pt角，∣Pt∣=90°-P，Pt角的范围为-90°~90°，上午从太阳升起至中午12点，角度Pt由-90°增大为0°；下午，从中午12点至太阳落下，角度Pt由0°增大为90°。

第六步，如图3所示，AB和CE为电池板组件，MB为太阳光线，正常跟踪时：在-45°≤Pt≤45°范围内，Q_正与Q′_正的角度相差2°时，发送指令给电池板组件旋转的执行机构，旋转电池板组件，调整电池板组件倾角到Q_正角度，Q_正=90°-P，达到太阳光线垂直于电池板组件光射强度的最大化；

如图4所示，AB和CE为电池板组件，MB为太阳光线，反阴影跟踪时：早上，当-90°＜Pt＜-45°范围内，跟踪器计算阴影长度，计算得出电池板组件反阴影倾角Q_反，当Q′_反-Q_反≥5°的时候，发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角到Q_反角度，此时前排电池板组件的影子长度刚好为排间距，前后排之间不产生遮挡，随着太阳慢慢升起，P角度逐渐变大，电池板组件影子变短，当电池板组件倾角Q′_反和计算得到的反阴影倾角Q_反相差5°的时候，控制器发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角Q′_反到Q_反角度，此时前排电池板组件的影子长度刚好为排间距，前后排之间不产生遮挡，依次调整，直至电池板组件旋转到最大跟踪角度45°，结束早上反阴影跟踪；

下午，当45°＜Pt＜90°范围内，跟踪器计算阴影长度，计算得出电池板组件反阴影倾角Q_反，当电池板组件倾角Q′_反和计算得出的电池板组件反阴影角度Q_反相等的时候，发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角到Q_反减5°，此时，前后排电池板组件影子间存在一个空白太阳光区域，没有遮挡，随着太阳慢慢落下，P逐渐变小，电池板组件影子长度逐渐变长，空白太阳光逐渐被电池板组件遮挡，当电池板组件倾斜角度和计算得到的反阴影角度Q_反相等的时候，此时电池板组件影子长度等于组件间间距，没有遮挡，发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角到Q_反减5°角度，此时前后排电池板组件影子间又产生一个空白太阳光区域，没有遮挡，依次调整，直至电池板组件角度转到水平放平状态，结束下午反阴影跟踪。

Claims (3)

1.一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法，其特征在于：

第一步，根据电池板组件的安装地所处的经度γ、纬度和北京时间T，计算当地时t，表明时间变化的时角ω和赤纬角δ；其中，t＝T-[(120-γ)/15]，ω＝(t-12)×15，δ＝23.45·sin[360×(284+n)/365]；

第二步，根据第一步计算出的当地时t、时角ω、赤纬角δ和测量得到的θ角，计算太阳高度角h的正弦值和太阳方位角α的余弦值，其中θ角为南北向转动主轴和水平面的夹角；

第三步，根据太阳高度角h的正切值和太阳方位角α的正弦值计算P角的正切值，P角为太阳光线的空间矢量投射到跟踪器电池板组件上得到的一个垂直于面板的向量与水平面之间的夹角，上午，从太阳升起至中午12点，角度P由0°增大为90°。下午，从中午12点至太阳落下，角度P由90°减小为0°；

第四步，根据电池板组件的长度D和前后两排电池板组件之间的距离L，还有P角的正切值计算电池板组件的反阴影倾角的Q_反和Q_正，其中Q_正为电池板组件正常跟踪角度计算值，Q_反为电池板组件反阴影跟踪角度计算值；

第五步，根据第三步计算的P角的正切值来确定P角的角度，同时测量实际的电池板组件的倾斜角度Q′_反或Q′_正；设置Pt角，|Pt|＝90°-P，Pt角的范围为-90°～90°，上午从太阳升起至中午12点，角度Pt由-90°增大为0°；下午，从中午12点至太阳落下，角度Pt由0°增大为90°；在-45°≤Pt≤45°范围内正常跟踪，在-90°＜Pt＜-45°范围内或45°＜Pt＜90°范围内进行反阴影跟踪；

第六步，正常跟踪时：当P角在上午的45°递增到90°或者下午的90°递减到45°的范围内，Q_正与Q′_正的角度相差1°～10°时，发送指令给电池板组件旋转的执行机构，旋转电池板组件，调整电池板组件倾角到Q_正角度，达到太阳光线垂直于电池板组件光射强度的最大化；

反阴影跟踪时：当P角在上午的0°递增到45°的范围内，跟踪器计算阴影长度，计算得出电池板组件反阴影倾角Q_反，当Q_反与测量的电池板组件倾角Q′_反相差5°～15°的时候，发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角到Q_反角度，此时前排电池板组件的影子长度刚好为排间距，前后排之间不产生遮挡，随着太阳慢慢升起，P角度逐渐变大，电池板组件影子变短，当电池板组件倾角Q′_反和计算得到的反阴影倾角Q_反相差5°～15°的时候，控制器发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角Q′_反到Q_反角度，此时前排电池板组件的影子长度刚好为排间距，前后排之间不产生遮挡，依次调整，直至电池板组件旋转到最大跟踪角度45°，结束早上反阴影跟踪；

当P角在下午的45°递减到0°的范围内，跟踪器计算阴影长度，计算得出电池板组件反阴影倾角Q_反，当电池板组件倾角Q′_反和计算得出的电池板组件反阴影角度Q_反相等的时候，发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角到Q_反减5°～15°角度，此时，前后排电池板组件影子间存在一个空白太阳光区域，没有遮挡，随着太阳慢慢落下，P逐渐变小，电池板组件影子长度逐渐变长，空白太阳光逐渐被电池板组件遮挡，当电池板组件倾斜角度和计算得到的反阴影角度Q_反相等的时候，此时电池板组件影子长度等于组件间间距，没有遮挡，发送指令给执行机构，调整电池板组件倾角到Q_反减5°～15°角度，此时前后排电池板组件影子间又产生一个空白太阳光区域，没有遮挡，依次调整，直至电池板组件角度转到水平放平状态，结束下午反阴影跟踪。

2.根据权利要求1所述一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法，其特征在于：所述的第六步内的Q_反计算公式如下：

$a=\frac{1}{\tan P},$ b＝1

假设角度X，其正弦值、余弦值如下：

$\cos X=\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}},\sin X=\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}$

Q_正的计算公式为：Q_正＝90°-P。

3.根据权利要求1或2所述一种带反阴影跟踪的太阳能跟踪方法，其特征在于：所述的P角的计算公式为：

tanP＝tanh/sinα。