CN103941754A - 一种光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统及方法 - Google Patents

一种光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统及方法 Download PDF

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CN103941754A CN201410137154.5A CN201410137154A CN103941754A CN 103941754 A CN103941754 A CN 103941754A CN 201410137154 A CN201410137154 A CN 201410137154A CN 103941754 A CN103941754 A CN 103941754A
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Abstract

一种光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统及方法,该系统包括计算机、触摸屏、控制器、传动系统、光伏单元和检测单元。将多块光伏板安装在旋转台上结合为光伏单元,由旋转台一侧的方位角电机驱动所有光伏板的方位角同时进行调整跟踪,各块光伏板分别通过各自连接的高度角电机驱动光伏板的倾斜角进行调整跟踪,且变时间间隔启停太阳光照跟踪系统,先确定太阳光照的方位,然后转换为光伏板的位置,通过驱动系统中的高度角电机和方位角电机驱动光伏板与太阳光线垂直,时刻保证对阳光的最大吸收,确保了较高的跟踪精度,且既保护了设备又节省了能量。

Description

一种光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统及方法
技术领域
本发明属于计算机与自动化控制技术领域,具体涉及一种光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统及方法。
背景技术
潜力无限的太阳能拥有广阔的市场前景,它是一种清洁,高效而且可持续的可再生能源。与高成本的化石燃料相比,太阳能不仅使用范围广,无污染而且更为经济。随着太阳能的发展,作为采集装置的太阳能光伏板应用越来越广泛。如果太阳能光伏板能始终保持与太阳光垂直,那么它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳辐射,实现最大发电效率。但是,目前市面上绝大多数太阳能光伏板在安装好以后,角度都是固定的或者单轴旋转的,不能随太阳位置的变化而变化。因此,太阳能光伏板无法时刻面对太阳,光伏板不能达到最大的利用,尤其是在上午与下午太阳斜射时,效果最差。
现有技术中各种型式的太阳能光伏发电随动控制装置,从简单到复杂,应用于太阳跟踪,主要可以分成两大类,即机械系统和电控系统。电控系统一般说来有较高的稳定性和跟踪精度。电控系统又可以进一步分为两大类:用光学传感器作为反馈的模拟控制系统;计算机根据数学公式计算太阳位置进行跟踪,并通过光学传感器作为反馈的数字系统。
在现有的太阳追踪系统中,多是采用的传感器追踪或是GPS数据计算追踪,此类追踪方法不但花费较高,而且对系统本身的精度要求很高。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明提供一种光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统及方法。
本发明的技术方案:
一种光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统,包括:计算机、触摸屏、控制器、传动系统、光伏单元和检测单元;
所述计算机和触摸屏分别通过通讯电缆连接控制器,控制器的输出端连接传动系统的输入端,传动系统的输出端连接光伏单元,检测单元的输出端连接控制器的输入端;
所述光伏单元,包括多块光伏板和旋转台,多块光伏板分布安装在旋转台台面上;
所述传动系统包括多个高度角电机和1个方位角电机;高度角电机的个数与光伏板的个数相等,多个高度角电机分布安装在旋转台下面分别与各个光伏板对应的位置上,各个高度角电机的输入端分别连接控制器的不同输出端,各个高度角电机的输出端分别连接各自对应的光伏板;方位角电机安装在旋转台一侧,方位角电机的输入端连接控制器的另一个输出端,方位角电机的输出端连接旋转台;
所述检测单元包括第一传感器模块和第二传感器模块,第一传感器模块和第二传感器模块分别安装在任意两块光伏板板面上;所述第一传感器模块和第二传感器模块分别包括4个光敏电阻,所述4个光敏电阻对称排布安装在东方位置上、西方位置上、南方位置上和北方位置上。
所述计算机用于远程监控光伏发电过程及存储光伏发电数据;所述触摸屏用于检测及维修现场对光伏单元进行监控;
所述光伏板用于将太阳能转换成电能,所述旋转台用于带动多块光伏板一起转动;
所述高度角电机用于驱动光伏板倾斜角的升降,使得光伏板的倾斜角与太阳的高度角垂直;所述方位角电机用于驱动旋转台旋转,使得各个光伏板的方向角均与太阳的方位角垂直;
所述第一传感器模块和第二传感器模块互为备用,即,第一传感器模块工作时,第二传感器模块停止工作处于备用状态,或者第二传感器模块工作时,第一传感器模块停止工作处于备用状态;
采用所述的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统进行太阳光照跟踪的方法,包括如下步骤:
步骤1:在计算机上和控制器上设定光伏单元的地理位置、实时日期和实时时间;在控制器上设定太阳光强度阈值、太阳光强度差值允许值及太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值允许值;
步骤2:第一传感器模块或者第二传感器模块采集太阳光,并将采集的光信号传送至控制器;
步骤3:控制器根据接收的太阳光信号和太阳光强度阈值判断太阳光强度是否合格,若所述的太阳光信号强度不小于太阳光强度阈值,则认为太阳光强度合格,转去执行步骤4,
若所述的太阳光信号强度小于太阳光强度阈值,则认为太阳光强度不合格,转去执行步骤2;
步骤4:控制器根据实时日期判断24节气是否发生了变换,若24节气发生变换,则执行步骤5,若24节气未发生变换,则执行步骤12;
步骤5:控制器根据实时日期和光伏单元的地理位置计算太阳高度角;
太阳高度角,按式(1)进行计算
其中,ε为太阳高度角,度;为光伏单元的地理纬度,度;δ为太阳赤纬角,按式(2)进行计算,度;τ为实时的太阳时角,按式(4)进行计算,度;
δ=0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ
                                            (2)
其中,θ为日角,θ=2×π×t′/365.2422,度;t′为年积日差,t′=N-N0,日;N为年积日,日;N0为年积日基准日,日;
N0=INT(79.6764+0.2422×(YEAR-985)-INT((YEAR-1985)/4))    (3)
其中,YEAR为实时年份;
Et=0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ  (7)
其中,S为北京时间,时;F为北京时间,分;JD为当地的地理经度,度;JF为当地的地理经分,分;Et为平太阳时和真太阳时时差,时;Sd为地方时间,时;为真太阳时间,时;
步骤6:控制器根据太阳高度角计算光伏板的倾斜角度;
以地平线为0°,光伏板的倾斜角度为:Q=90-ε,其中,Q为光伏板倾斜角度,度;
步骤7:控制器根据光伏板倾斜角度计算出高度角电机的转数,并将该高度角电机的转数分别传送给各个高度角电机;
步骤8:高度角电机按照计算出的高度角电机的转数驱动光伏板倾斜角升降;
步骤9:第一传感器模块或者第二传感器模块中南方位置上的光敏电阻和北方位置上的光敏电阻分别采集太阳光信号并传送至控制器;
步骤10:控制器根据从第一传感器模块或者第二传感器模块中南方位置上的光敏电阻和北方位置上的光敏电阻接收到的太阳光信号,分别计算出太阳光强度,并计算出太阳光强度差值;
步骤11:控制器根据太阳光强度差值允许值和太阳光强度的差值判断光伏板的倾斜角是否垂直于太阳的高度角,若太阳光强度差值不大于太阳光强度差值允许值,则认为光伏板的倾斜角垂直于太阳的高度角,转去执行步骤12;若太阳光强度差值大于太阳光强度差值允许值,则光伏板的倾斜角不垂直于太阳的高度角,转去执行步骤7;
步骤12:控制器计算方位角电机的启动间隔时间,并将该启动间隔时间设定在控制器中;
步骤12.1:控制器根据太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值允许值,实时计算太阳光线与光伏板的夹角误差允许值;
太阳光线与光伏板的夹角误差允许值按照式(8)计算
cos ω = 1 - ΔE E 0 - - - ( 8 )
其中,ω为太阳光线与光伏板的夹角误差允许值,度;ΔE为太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值,焦耳;E0为太阳光线与光伏板垂直时光伏板单位时间内吸收的能量,焦耳;E0=S0×H0,其中,S0为光伏板最大有效面积,平方米;H0为太阳光线与光伏板垂直时光照强度,勒克斯;
太阳的实时光照强度为,
H = sin ( π 3 × ( 365 + C ) t + π 3 ) × 3 + sin ( α + β - 23.5 ) 3 × sin ( π T ∂ t ) × 5 × 10 10 - - - ( 9 )
其中,H为太阳的实时光照强度,勒克斯;α为太阳直射纬度,度;β为光伏板所在地纬度与太阳直射点纬度差,度;为一天的日照时长,时;t为实时时间,时;C为常数,闰年时为1,平年时为0;
步骤12.2:控制器计算方位角电机的启动间隔时间;
方位角电机的启动间隔时间为ΔT=ω×4;
步骤13:控制器开始计时;
步骤14:控制器计算太阳的方位角;
太阳的方位角按式(10)计算
其中,A为太阳的实时方位角,度;
步骤15:控制器计算旋转台的旋转角度;
步骤16:控制器将计算出的旋转台的旋转角度转换成方位角电机的转数,并将该方位角电机的转数传送给方位角电机;
步骤17:方位角电机按照接收的方位角电机的转数驱动旋转台旋转;
步骤18:第一传感器模块中或者第二传感器模块中东方位置上的光敏电阻和西方位置上的光敏电阻分别采集太阳光信号并传送至控制器;
步骤19:控制器根据从第一传感器模块或者第二传感器模块中东方位置上的光敏电阻和西方位置上的光敏电阻接收到的太阳光信号,分别计算出太阳光强度,并计算出太阳光强度差值;
步骤20:控制器根据太阳光强度差值允许值和太阳光强度差值判断光伏板的方向角是否垂直于太阳的方位角,若接收到的太阳光强度差值不大于太阳光强度差值允许值,则认为光伏板的方向角垂直于太阳的方位角,转去执行步骤21;若接收到的太阳光强度差值大于太阳光强度差值允许值,则光伏板的方向角不垂直于太阳的方位角,转去执行步骤14;
步骤21:控制器判断是否计时到方位角电机的启动间隔时间,是,则转去执行步骤12,否,则继续执行步骤21。
有益效果:本发明的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统及方法与现有技术相比较有以下优势:
本发明设计了光伏板的双轴跟踪装置,将多块光伏板安装在旋转台上结合为整体,由旋转台一侧的电机驱动所有光伏板的方位角同时进行调整,在提高追踪精度的情况下相对减少了能量消耗;
本发明在对太阳光照进行跟踪的过程中,运用了地理及天文知识,首先确定太阳的位置,然后转换为光伏板的位置,最后通过传感器进行检测确定,从而确保了较高的跟踪精度,变时间间隔启停的太阳光照跟踪系统,既保护了设备又节省了能量;
本发明的对日角度随着太阳位置而调整,时刻保证对阳光的最大吸收,因此发电功率提高了17.7%以上,而成本只高出5%-10%;
本发明的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统安装时不需考虑安装方向,因为运行起来后,无论太阳光照最初朝向哪个方向,都可以自动调整为朝阳状态。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统的结构示意图;
图2为本发明一种实施方式的光伏单元的结构示意图;
图3为本发明一种实施方式的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪方法的流程图;
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。本实施方式的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统于2014年3月6日启动运行,其所在位置为沈阳市,沈阳市的地理纬度为41.8N,地理经度为123.38E。
本实施方式的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统,如图1所示,包括:
计算机、触摸屏、控制器、传动系统、光伏单元和检测单元;本实施方式的计算机采用的是z50型计算机,利用C#软件编程进行远程监控光伏发电过程及存储光伏发电数据;本实施方式的触摸屏采用的是MT4414T型触摸屏,用于检测及维修现场对光伏单元进行监控;本实施方式的控制器采用的是S7-300PLC,用于接收z50型计算机和MT4414T型触摸屏传送来的控制信号及检测单元传送来的电信号,且对接收的控制信号和电信号进行处理,并发送控制信号给传动系统;
z50型计算机和MT4414T型触摸屏分别通过通讯电缆连接S7-300PLC,S7-300PLC的输出端连接传动系统的输入端,传动系统的输出端连接光伏单元,检测单元的输出端连接S7-300PLC的输入端;
所述光伏单元,如图2所示,包括多块光伏板和旋转台,多块光伏板分布安装在旋转台台面上;本实施方式的多块光伏板为20块23W的多晶光伏板,用于将太阳能转换成电能,多晶光伏板的外形尺寸为1482mm×992mm×45mm,20块多晶光伏板均匀分布安装在旋转台上,如图2所示;本实施方式的旋转台采用的是一个半径为3.2米、面积约为30平方米的旋转台,材料为花纹钢板3毫米和角钢10*10厘米,用于带动20块多晶光伏板一起转动;
本实施方式的传动系统包括20个高度角电机和1个方位角电机,用于接收S7-300PLC发送的控制信号,驱动光伏单元运行;本实施方式的高度角电机采用功率为7.5千瓦的鼠笼式异步电动机,用于驱动光伏板倾斜角的升降,使得光伏板的倾斜角与太阳的高度角垂直;本实施方式的方位角电机采用的是功率为5.5千瓦的鼠笼式异步电动机,用于驱动旋转台旋转,使得光伏板的方向角与太阳的方位角垂直;20个高度角电机分布安装在旋转台下面与20块多晶光伏板分别对应的位置上,各个高度角电机的输入端分别连接S7-300PLC的不同输出端,20个高度角电机的输出端分别连接各自对应的多晶光伏板;方位角电机安装在旋转台一侧,方位角电机的输入端连接S7-300PLC的另一个输出端,方位角电机的输出端连接旋转台;
所述检测单元包括第一传感器模块和第二传感器模块,第一传感器模块和第二传感器模块分别安装在任意两块光伏板板面上,用于采集太阳光信号,并将太阳光信号转换为电信号,且将电信号传送给S7-300PLC;本实施方式的两个传感器模块分别安装在位于旋转台边缘的任意两块光伏板板面上;第一传感器模块和第二传感器模块互为备用,即,第一传感器模块工作时,第二传感器模块不工作处于备用状态或者第二传感器模块工作时,第一传感器模块不工作处于备用状态;
所述传感器模块包括4个光敏电阻,该4个光敏电阻对称排布安装在东方位置上、西方位置上、南方位置上和北方位置上。本实施方式的光敏电阻采用的是LXD5516型光敏电阻,最大电压为150V,亮电阻5-10千欧,暗电阻0.5兆欧。
本实施方式中采用所述的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统进行太阳光照跟踪的方法,在太阳方位跟踪过程中是将太阳光信号转换为电流信号进行计算与控制的,如图3所示,包括如下步骤:
步骤1:在计算机上和控制器上设定光伏单元的地理位置、实时日期和实时时间;在控制器上设定太阳光强度阈值、太阳光强度差值允许值及太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值允许值;
本实施方式中:在z50型计算机上和S7-300PLC上设定光伏单元的地理位置,即地理纬度为41.8N,地理经度为123.38E;设定实时日期为2014年3月6日和设定实时时间为上午8时;在S7-300PLC上设定与太阳光强度阈值对应的电流阈值为0.01667安培、与太阳光强度差值允许值对应的电流差值允许值为0.001安培及太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值允许值为1*106焦耳;
步骤2:第一传感器模块或者第二传感器模块采集太阳光,并将采集的光信号传送至控制器;
本实施方式中:在上午8时,第一传感器模块采集太阳光,并将采集的光信号转换为电流信号,电流值为0.009安培,并将该电流信号传送至S7-300PLC;在上午8时47分,第一传感器模块又一次采集太阳光,并将采集的光信号转换为电流信号,电流值为0.01689安培,并将该电流信号传送至S7-300PLC;
步骤3:控制器根据接收的太阳光信号和太阳光强度阈值判断太阳光强度是否合格,若所述的太阳光信号强度不小于太阳光强度阈值,则认为太阳光强度合格,转去执行步骤4,若所述的太阳光信号强度小于太阳光强度阈值,则认为太阳光强度不合格,转去执行步骤2;
本实施方式中:在上午8时,S7-300PLC接收的与太阳光信号对应的电流信号的电流值为0.009安培,其小于在步骤1中设定的与太阳光强度阈值对应的电流阈值0.01667安培,则认为光照强度不合适,转去执行步骤2;在上午8时47分,S7-300PLC接收的与太阳光信号对应的电流信号的电流值为0.01689安培,即太阳光信号对应的电流值0.01689安培大于太阳光强度阈值对应的电流阈值0.01667安培,则认为太阳光强度合格,转去执行步骤4,
步骤4:控制器根据实时日期判断24节气是否发生了变换,若24节气发生变换,则执行步骤5,若24节气未发生变换,则执行步骤12;
本实施方式中:S7-300PLC根据实时日期为2014年3月6日,因2014年3月6日为惊蛰,即24节气发生了变换,则执行步骤5;
步骤5:控制器根据实时日期和光伏单元的地理位置计算太阳高度角;
本实施方式中:S7-300PLC根据实时日期为2014年3月6日和设定的光伏单元的地理位置,即地理纬度为41.8N,地理经度为123.38E,计算太阳的高度角;
太阳高度角与太阳天顶角互余,天顶角是太阳光线入射方向与天顶方向的夹角。太阳高度角,按式(1)进行计算
其中,ε为太阳高度角,度;为光伏单元的地理纬度,度;δ为太阳赤纬角,按式(2)进行计算,度;τ为当时的太阳时角,按式(4)进行计算,度;
δ=0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ
                                             (2)其中,θ为日角,θ=2×π×t′/365.2422,度;t′为年积日差,t′=N-N0,日;N为年积日,本实施方式中由设定的日期为2014年3月6日累加计算出N=65日;N0为年积日基准日,按式(3)计算出本实施方式中N0=79日;本实施方式中根据N和N0计算出t′=-14日;根据t′计算出θ=-0.2408度,则由式(1)计算出度,由式(2)计算出δ=1.4194度;
N0=INT(79.6764+0.2422×(YEAR-985)-INT((YEAR-1985)/4))     (3)
其中,YEAR为实时年份;
Et=0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ  (7)
其中,S为北京时间,时;F为北京时间,分;JD为当地的地理经度,度;JF为当地的地理经分,分;Et为平太阳时和真太阳时时差,时;Sd为地方时间,时;为真太阳时间,时;
本实施方式中由θ=-0.2408度和式(7)计算出Et=-7.8519时,由S=8时、F=47分、JD=123度、JF=22.8分和式(6)计算出Sd=9.009,根据Et、Sd和式(5)计算出时,则由式(4)计算出τ=-46.8279度;
根据δ=1.4194度、度、τ=-46.8279度和式(1)计算出太阳高度角ε=26.866度;
步骤6:控制器根据太阳高度角计算光伏板的倾斜角度;
本实施方式中:S7-300PLC根据太阳高度角计算多晶光伏板的倾斜角度;
以地平线为0°,光伏板的倾斜角度为:Q=90-ε,其中,Q为光伏板倾斜角度,度;
本实施方式中根据太阳高度角ε为26.866度计算出多晶光伏板光伏板的倾斜角度为63.134度。
步骤7:控制器根据光伏板倾斜角度计算出高度角电机的转数,并将该高度角电机的转数分别传送给各个高度角电机;
本实施方式中:S7-300PLC将计算出的多晶光伏板倾斜角度63.134度转换成高度角电机的转数为3788.04圈,并将该3788.04圈分别传送给各个高度角电机;
本实施方式中多晶光伏板位置改变1度,高度角电机需要转60圈,则多晶光伏板光伏板的倾斜角度转换成高度角电机的转数为63.134×60=3788.04圈。
步骤8:高度角电机按照计算出的高度角电机的转数驱动光伏板倾斜角升降;
本实施方式中:高度角电机按照3788.04圈驱动多晶光伏板倾斜角上升;
步骤9:第一传感器模块或者第二传感器模块中南方位置上的光敏电阻和北方位置上的光敏电阻分别采集太阳光信号并传送至控制器;
本实施方式中:第一传感器模块中南方位置上的LXD5516型光敏电阻和北方位置上的LXD5516型光敏电阻分别采集太阳光信号并转换为对应的电流信号,且将转换后的电流信号传送至S7-300PLC;
步骤10:控制器根据从第一传感器模块或者第二传感器模块中南方位置上的光敏电阻和北方位置上的光敏电阻接收到的太阳光信号,分别计算出太阳光强度,并计算出太阳光强度差值;
本实施方式中:S7-300PLC根据第一传感器模块中南方位置上的LXD5516型光敏电阻和北方位置上的LXD5516型光敏电阻传送来的与太阳光强度信号对应的电流信号,计算出与太阳光强度差值对应的电流差值为0.0007安培;
步骤11:控制器根据太阳光强度差值允许值和太阳光强度差值判断光伏板的倾斜角是否垂直于太阳的高度角,若太阳光强度差值不大于太阳光强度差值允许值,则认为光伏板的倾斜角垂直于太阳的高度角,转去执行步骤12;若太阳光强度差值大于太阳光强度差值允许值,则光伏板的倾斜角不垂直于太阳的高度角,转去执行步骤7;
本实施方式中:S7-300PLC根据与太阳光强度差值允许值对应的电流差值允许值0.001安培和接收到的与太阳光强度差值对应的电流差值0.0007安培,判断出多晶光伏板的倾斜角垂直于太阳的高度角,转去执行步骤12;
步骤12:控制器计算方位角电机的启动间隔时间,并将该启动间隔时间设定在控制器中;
本实施方式中S7-300PLC计算方位角电机的启动间隔时间,并将该启动间隔时间设定在S7-300PLC中;
步骤12.1:控制器根据太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值允许值,实时计算太阳光线与光伏板的夹角误差允许值;
本实施方式中S7-300PLC根据太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值允许值,实时计算太阳光线与光伏板的实时夹角误差允许值;
太阳光线与光伏板的夹角误差允许值按照式(8)计算
cos ω = 1 - ΔE E 0 - - - ( 8 )
其中,ω为太阳光线与光伏板的夹角误差允许值,度;ΔE为太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内的吸收能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内的吸收能量的差值,焦耳;E0为太阳光线与光伏板垂直时光伏板单位时间内吸收能量,焦耳;E0=S0×H0,其中,S0为光伏板最大有效面积,平方米,本实施方式中根据多晶光伏板的尺寸计算出S0=1.482*0.992=1.47平方米;H0为太阳光线与光伏板垂直时光照强度,勒克斯。
太阳一天中的光照强度用正弦函数表示为,
H = sin ( π 3 × ( 365 + C ) t + π 3 ) × 3 + sin ( α + β - 23.5 ) 3 × sin ( π T ∂ t ) × 5 × 10 10 - - - ( 9 )
其中,α为太阳直射纬度,度;β为光伏板所在地纬度与太阳直射点纬度差,度;为一天的日照时长,时;t为实时时间,时;C为闰年时是1,平年时为0;本实施方式中根据地理纬度为41.8N、地理经度为123.38E、2014年3月6日和上午8时47分计算出C=1,α+β=41.8度,时,t=8.783时,并根据式(9)计算出H0=4.651勒克斯,并根据S0=1.482*0.992=1.47平方米和H0=4.651勒克斯计算出E0=6.8369*107焦耳,且根据式(8)计算出ω=9.811度;
步骤12.2:控制器计算方位角电机的启动间隔时间;
本实施方式中:S7-300PLC计算方位角电机的启动间隔时间;
方位角电机的启动间隔时间为ΔT=ω*4,根据ω=9.811度计算出方位角电机启动的间隔时间ΔT为39.2分钟;
步骤13:控制器开始计时;
本实施方式中:S7-300PLC开始计时;
步骤14:控制器计算太阳的方位角;
本实施方式中:S7-300PLC计算太阳的方位角;
太阳的方位角按式(10)计算
其中,A为太阳的实时方位角,度;
根据ε=26.866度、δ=1.4194度、度和式(10)计算出方位角A=65.437度;
步骤15:控制器计算旋转台的旋转角度;
本实施方式中:S7-300PLC计算旋转台的旋转角度为65.437度;
步骤16:控制器将计算出的旋转台的旋转角度转换成方位角电机的转数,并将该方位角电机的转数传送给方位角电机;
本实施方式中:S7-300PLC将计算出的旋转台的旋转角度65.437度转换成方位角电机的转数为3926.22圈,并将3926.22圈传送给方位角电机;
本实施方式中旋转台旋转1度,方位角电机需要转60圈,则旋转台的旋转角度转换成高度角电机的转数为65.437×60=3926.22圈。
步骤17:方位角电机按照3926.22圈驱动旋转台旋转;
步骤18:第一传感器模块中或者第二传感器模块中东方位置上的光敏电阻和西方位置上的光敏电阻分别采集太阳光信号并传送至控制器;
本实施方式中:第一传感器模块中东方位置上的LXD5516型光敏电阻和西方位置上的LXD5516型光敏电阻分别采集太阳光信号并转换为对应的电流信号,且将转换后的电流信号传送至S7-300PLC;
步骤19:控制器根据从第一传感器模块或者第二传感器模块中东方位置上的光敏电阻和西方位置上的光敏电阻接收到的太阳光信号,分别计算出太阳光强度,并计算出太阳光强度差值;
本实施方式中:S7-300PLC根据第一传感器模块中东方位置上的LXD5516型光敏电阻和西方位置上的LXD5516型光敏电阻分别传送来的与太阳光强度信号对应的电流信号,计算出与太阳光强度差值对应的电流差值为0.00069安培;
步骤20:控制器根据太阳光强度差值允许值和太阳光强度差值判断光伏板的方向角是否垂直于太阳的方位角,若接收到的太阳光强度差值不大于太阳光强度差值允许值,则认为光伏板的方向角垂直于太阳的方位角,转去执行步骤21;若接收到的太阳光强度差值大于太阳光强度差值允许值,则光伏板的方向角不垂直于太阳的方位角,转去执行步骤14;
本实施方式中:S7-300PLC根据与太阳光强度差值允许值对应的电流差值允许值0.001安培和接收到的与太阳光强度差值对应的电流差值0.00069安培,判断出多晶光伏板的的方向角垂直于太阳的方位角,转去执行步骤21;
步骤21:控制器判断是否计时到方位角电机的启动间隔时间,是,则转去执行步骤12,否,则继续执行步骤21。
本实施方式中:S7-300PLC判断是否计时到间隔时间39.2分钟,是,则转去执行步骤12,否,则执行步骤21。
本实施方式中,本实施方式的变时间间隔启停的太阳方位跟踪控制系统从早晨8点开启运行到下午6点关闭,由计算机存储的光伏发电数据显示本实施方式的光伏单元总共发电30.126*3.6*10.6焦耳,相比传统光伏板固定方式,发电量提高了17.7%;相比传统的太阳方位单轴跟踪方式,发电量提高了9.2%。

Claims (7)

1.一种光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统,其特征在于:包括:
计算机、触摸屏、控制器、传动系统、光伏单元和检测单元;
所述计算机和触摸屏分别通过通讯电缆连接控制器,控制器的输出端连接传动系统的输入端,传动系统的输出端连接光伏单元,检测单元的输出端连接控制器的输入端;
所述光伏单元,包括多块光伏板和旋转台,多块光伏板分布安装在旋转台台面上;
所述传动系统包括多个高度角电机和1个方位角电机;高度角电机的个数与光伏板的个数相等,多个高度角电机分布安装在旋转台下面分别与各个光伏板对应的位置上,各个高度角电机的输入端分别连接控制器的不同输出端,各个高度角电机的输出端分别连接各自对应的光伏板;方位角电机安装在旋转台一侧,方位角电机的输入端连接控制器的另一个输出端,方位角电机的输出端连接旋转台;
所述检测单元包括第一传感器模块和第二传感器模块,第一传感器模块和第二传感器模块分别安装在任意两块光伏板板面上;所述第一传感器模块和第二传感器模块分别包括4个光敏电阻,所述4个光敏电阻对称排布安装在东方位置上、西方位置上、南方位置上和北方位置上。
2.根据权利要求1所述的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统,其特征在于:所述计算机用于远程监控光伏发电过程及存储光伏发电数据;所述触摸屏用于检测及维修现场对光伏单元进行监控。
3.根据权利要求1所述的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统,其特征在于:所述光伏板用于将太阳能转换成电能,所述旋转台用于带动多块光伏板一起转动。
4.根据权利要求1所述的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统,其特征在于:所述高度角电机用于驱动光伏板倾斜角的升降,使得光伏板的倾斜角与太阳的高度角垂直;所述方位角电机用于驱动旋转台旋转,使得各个光伏板的方向角均与太阳的方位角垂直。
5.根据权利要求1所述的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统,其特征在于:所述第一传感器模块和第二传感器模块互为备用,即,第一传感器模块工作时,第二传感器模块停止工作处于备用状态,或者第二传感器模块工作时,第一传感器模块停止工作处于备用状态。
6.采用权利要求1所述的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统进行太阳光照跟踪的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:在计算机上和控制器上设定光伏单元的地理位置、实时日期和实时时间;在控制器上设定太阳光强度阈值、太阳光强度差值允许值及太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值允许值;
步骤2:第一传感器模块或者第二传感器模块采集太阳光,并将采集的光信号传送至控制器;
步骤3:控制器根据接收的太阳光信号和太阳光强度阈值判断太阳光强度是否合格,若所述的太阳光信号强度不小于太阳光强度阈值,则认为太阳光强度合格,转去执行步骤4,若所述的太阳光信号强度小于太阳光强度阈值,则认为太阳光强度不合格,转去执行步骤2;
步骤4:控制器根据实时日期判断24节气是否发生了变换,若24节气发生变换,则执行步骤5,若24节气未发生变换,则执行步骤12;
步骤5:控制器根据实时日期和光伏单元的地理位置计算太阳高度角;
太阳高度角,按式(1)进行计算
其中,ε为太阳高度角,度;为光伏单元的地理纬度,度;δ为太阳赤纬角,按式(2)进行计算,度;τ为实时的太阳时角,按式(4)进行计算,度;
δ=0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ
                                                          (2)
其中,θ为日角,θ=2×π×t′/365.2422,度;t′为年积日差,t′=N-N0,日;N为年积日,日;N0为年积日基准日,日;
N0=INT(79.6764+0.2422×(YEAR-985)-INT((YEAR-1985)/4))    (3)
其中,YEAR为实时年份;
Et=0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ  (7)
其中,S为北京时间,时;F为北京时间,分;JD为当地的地理经度,度;JF为当地的地理经分,分;Et为平太阳时和真太阳时时差,时;Sd为地方时间,时;为真太阳时间,时;
步骤6:控制器根据太阳高度角计算光伏板的倾斜角度;
以地平线为0°,光伏板的倾斜角度为:Q=90-ε,其中,Q为光伏板倾斜角度,度;
步骤7:控制器根据光伏板倾斜角度计算出高度角电机的转数,并将该高度角电机的转数分别传送给各个高度角电机;
步骤8:高度角电机按照计算出的高度角电机的转数驱动光伏板倾斜角升降;
步骤9:第一传感器模块或者第二传感器模块中南方位置上的光敏电阻和北方位置上的光敏电阻分别采集太阳光信号并传送至控制器;
步骤10:控制器根据从第一传感器模块或者第二传感器模块中南方位置上的光敏电阻和北方位置上的光敏电阻接收到的太阳光信号,分别计算出太阳光强度,并计算出太阳光强度差值;
步骤11:控制器根据太阳光强度差值允许值和太阳光强度的差值判断光伏板的倾斜角是否垂直于太阳的高度角,若太阳光强度差值不大于太阳光强度差值允许值,则认为光伏板的倾斜角垂直于太阳的高度角,转去执行步骤12;若太阳光强度差值大于太阳光强度差值允许值,则光伏板的倾斜角不垂直于太阳的高度角,转去执行步骤7;
步骤12:控制器计算方位角电机的启动间隔时间,并将该启动间隔时间设定在控制器中;
步骤13:控制器开始计时;
步骤14:控制器计算太阳的方位角;
太阳的方位角按式(10)计算
其中,A为太阳的实时方位角,度;
步骤15:控制器计算旋转台的旋转角度;
步骤16:控制器将计算出的旋转台的旋转角度转换成方位角电机的转数,并将该方位角电机的转数传送给方位角电机;
步骤17:方位角电机按照接收的方位角电机的转数驱动旋转台旋转;
步骤18:第一传感器模块中或者第二传感器模块中东方位置上的光敏电阻和西方位置上的光敏电阻分别采集太阳光信号并传送至控制器;
步骤19:控制器根据从第一传感器模块或者第二传感器模块中东方位置上的光敏电阻和西方位置上的光敏电阻接收到的太阳光信号,分别计算出太阳光强度,并计算出太阳光强度差值;
步骤20:控制器根据太阳光强度差值允许值和太阳光强度差值判断光伏板的方向角是否垂直于太阳的方位角,若接收到的太阳光强度差值不大于太阳光强度差值允许值,则认为光伏板的方向角垂直于太阳的方位角,转去执行步骤21;若接收到的太阳光强度差值大于太阳光强度差值允许值,则光伏板的方向角不垂直于太阳的方位角,转去执行步骤14;
步骤21:控制器判断是否计时到方位角电机的启动间隔时间,是,则转去执行步骤12,否,则继续执行步骤21。
7.根据权利要求6所述的光伏发电用变时间间隔启停太阳光照跟踪系统进行太阳光照跟踪的方法,其特征在于:所述步骤12,包括如下步骤:
步骤12.1:控制器根据太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值允许值,实时计算太阳光线与光伏板的夹角误差允许值;
太阳光线与光伏板的夹角误差允许值按照式(8)计算
cos ω = 1 - ΔE E 0 - - - ( 8 )
其中,ω为太阳光线与光伏板的夹角误差允许值,度;ΔE为太阳光线垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量与太阳光线不垂直于光伏板时光伏板单位时间内吸收的能量的差值,焦耳;E0为太阳光线与光伏板垂直时光伏板单位时间内吸收的能量,焦耳;E0=S0×H0,其中,S0为光伏板最大有效面积,平方米;H0为太阳光线与光伏板垂直时光照强度,勒克斯;
太阳的实时光照强度为,
H = sin ( π 3 × ( 365 + C ) t + π 3 ) × 3 + sin ( α + β - 23.5 ) 3 × sin ( π T ∂ t ) × 5 × 10 10 - - - ( 9 )
其中,H为太阳的实时光照强度,勒克斯;α为太阳直射纬度,度;β为光伏板所在地纬度与太阳直射点纬度差,度;为一天的日照时长,时;t为实时时间,时;C为常数,闰年时为1,平年时为0;
步骤12.2:控制器计算方位角电机的启动间隔时间;
方位角电机的启动间隔时间为ΔT=ω×4。
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