CN104898711B - 平单轴系统跟踪轨迹计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平单轴系统跟踪轨迹计算方法，计算平单轴系统的跟踪轨迹时可以根据系统组件在小比例遮挡情况下功率损失情况来找到组件的最佳遮挡比率，然后可以根据公式计算出平单轴系统每日的跟踪轨迹。当系统太阳高度很低时可以让系统处于最佳遮挡比率下，一定程度下增加了系统的倾角，这样可以增加系统接受到的辐射量，由于小比率遮挡情况下，系统的功率损失很小，所以只要找到系统的最佳遮挡比率即可以找到系统的最佳跟踪轨迹。

Description

平单轴系统跟踪轨迹计算方法

技术领域

本发明涉及一种平单轴系统跟踪轨迹计算方法。

背景技术

现在的平单轴跟踪方法主要分为视日轨迹跟踪和传感器跟踪。视日轨迹跟踪方式有完全跟踪不考虑阴影遮挡和出现阴影回转一定角度两种跟踪方式，前者会使组件出现大比例阴影遮挡造成功率损失，后者会使系统的入射角太大而使系统不会处于最大发电状态。

现在平单轴系统在光伏电站中的使用越来越多，并且关于平单轴的跟踪轨迹的研究也很多，也有很多专利是关于这方面的研究，并且关于阴影遮挡对组件的影响对光伏电站的影响的文章也很多，如文献[1-3]，文献[1]介绍了不同比例的阴影遮挡情况下组件的功率损失，文献[2]介绍了局部阴影的模型建立方法，文献[3]介绍了阴影对光伏电站的影响。

参考文献

[1]张臻，沈辉，李达.局部阴影遮挡的太阳电池组件输出特性实验研究[J].太阳能学报，2012，33(1):5-12.

[2]张翔，王时胜.局部阴影条件下光伏阵列建模及输出特性研究[J].电源技术，2015，39(1):203-206.

[3]程宇旭，李建泉.局部阴影遮挡对大型并网光伏电站影响的研究.大功率变流技术，2014，(5)；49-53

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种平单轴系统跟踪轨迹计算方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种平单轴系统跟踪轨迹计算方法，包括以下步骤：

1)基本计算

(1a)每日赤纬的计算方法

式中n为1月1日至某日的天数；

(1b)每天不同时间的太阳高度角

式中为所在地点纬度，t为每天不同的时间点；

(1c)每天不同时间的时角

ω＝15×(t-12) (3)

(1d)每天不同时间太阳的水平投影与东西方向的夹角

ω_东西＝|ω+90| (4)

(1e)每天不同时间太阳在东西方向的投影角度

tanh_投影＝sinh/coshcosω_东西 (5)；

2)设组件上的组件最佳遮挡长度为X，组件的长为L，两块组件之间的间距为m，组件最佳遮挡比率k为

3)计算平单轴系统在日出直到正午时的倾角轨迹，下午的轨迹和上午的倾角轨迹关于正午时分中心对称：

从日出到正午，组件倾角的跟踪轨迹可以分为两个部分：

(1)当太阳的高度角比较小，平单轴系统若保持组件与太阳光线垂直会造成电池片的大比例阴影遮挡，平单轴系统调整角度使组件处于最佳遮挡状态，即：

当时，

(2)当太阳高度角比较大，时，组件的表面一直与太阳光垂直，后一排组件的电池片不会被遮挡，平单轴系统会保持组件与太阳光线一直垂直，即：

当时，β＝90-h_投影 (7)。

有益效果：本发明提供的平单轴系统跟踪轨迹计算方法，使平单轴系统在太阳高度很低时可以产生小比例的阴影遮挡并让组件的倾角增大，并分析不同比率遮挡情况下平单轴系统的发电量，并讨论平单轴系统的最佳遮挡比例，这样可以增加平单轴系统的发电量。(1)计算平单轴系统的跟踪轨迹时可以根据平单轴系统组件在小比例遮挡情况下功率损失情况来找到组件的最佳遮挡比率，然后可以根据公式计算出平单轴系统每日的跟踪轨迹。(2)当平单轴系统太阳高度很低时可以让平单轴系统处于最佳遮挡比率下，一定程度下增加了平单轴系统的倾角，这样可以增加平单轴系统接受到的辐射量，由于小比率遮挡情况下，平单轴系统的功率损失很小，所以只要找到平单轴系统的最佳遮挡比率即可以找到平单轴系统的最佳跟踪轨迹。

附图说明

图1为组件的示意图；

图2和图3分别为不同太阳高度角时的组件示意图；

图4为组件的跟踪轨迹图；

图5为使用PVsyst中的阴影模型；

图6为单块电池被遮挡的百分比和组件功率损失百分比的关系图；

图7为组件在小比例遮挡时的功率损失情况。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种平单轴系统跟踪轨迹计算方法，

1.基本计算

(1)每日赤纬的计算方法

式中n为1月1日至某日的天数。

(2)每天不同时间的太阳高度角

式中为所在地点纬度，t为每天不同的时间点。

(3)每天不同时间的时角

ω＝15×(t-12) (3)

(4)每天不同时间太阳的水平投影与东西方向的夹角

ω_东西＝|ω+90| (4)

(5)每天不同时间太阳在东西方向的投影角度

tanh_投影＝sinh/coshcosω_东西 (5)

2.平单轴跟踪轨迹的计算方法

假设组件上的组件最佳遮挡长度为X，一般而言组件最佳遮挡长度为组件电池片距离组件边框的距离，如图1所示，组件的长为L，两块组件之间的间距为m，组件最佳遮挡比率k为

当早上或者晚上的时候，太阳的高度非常低，太阳光线在东西方向上的投影角度也非常小，这时就可以使组件的遮挡比率k为这样平单轴系统可以尽量减小光线的入射角，让组件接受更多的辐射量来提高组件的发电效率。

因为在本算法中，组件的倾斜角度是根据太阳光线在东西方向上的投影来决定的，而每天的太阳高度角以12点为中心正好是对称的，也就是说只需要计算平单轴系统在日出直到正午时的倾角轨迹，而下午的轨迹和上午的倾角轨迹关于正午时分中心对称的。

从日出到正午，组件倾角的跟踪轨迹可以分为2个部分：

(1)当太阳高度角很小，平单轴系统若保持组件与太阳光线垂直会造成电池片被遮挡时，平单轴系统必须调整角度使组件处于最佳遮挡状态如图2所示，即：

当时

(2)当太阳高度角很大的时候，组件的表面可以一直与太阳光垂直，后一排组件的电池片不会被遮挡，此时平单轴系统会保持组件与太阳光线一直垂直如图3所示，即：

当时，β＝90-h_投影 (7)

用Excel来建立模型，使组件长为1米，组件之间间距为1.5米，X＝0.01m，平单轴系统在1月1日7时至12时的跟踪轨迹如图4所示。

使用PVsyst中的阴影模型来量出不同时间下平单轴系统的倾斜角度，如图5所示，使用PVsyst时的阴影模型。可以发现，两种模型的跟踪角度非常接近，可以确定上述跟踪轨迹的计算方式是正确的。

3.最佳遮挡比率

而当电池出现一些阴影的时候平单轴系统的发电量不会减小太多，所以可以让组件每天被遮挡一定的比率来让组件接受更多辐射量从而增加平单轴系统的发电量。因为各种组件的布局，安装方式各不一样所以需要具体的数据才能确定平单轴系统最佳的遮挡比率。

当使用天合公司的TSM-250PC05A组件做实验时(实验数据如表1所示)可以发现当组件的单块电池片被阴影遮挡0～1/10时组件的功率损失几乎不会损失，具体实验数据如表1所示。当把该组件在不同阴影比率下的功率损失考虑在内时，就可以计算出不同阴影遮挡长度下平单轴系统的全年的发电量，就可以得到平单轴系统的最佳遮挡比率k。

表1 TSM-250PC05A组件的阴影遮挡实验数据

根据实验数据就可以得到单块电池被遮挡的百分比和组件功率损失百分比的关系，如图6所示。

而根据相关文献中^[1]关于组件在小比例遮挡时的功率参数的数据，便可以绘制图7，小比例遮挡时的功率损失情况。

可以发现两张图的趋势是非常接近的并且两项数据之间的误差也只有0.2％，所以本文中的实验数据是可靠的。

根据TSM-250PC05A组件的相关尺寸便可以得知组件的遮挡比率k与平单轴系统的效率之间的关系。

当把天合公司的TSM-250PC05A组件的输出特性代入到Excel模型中就可以得到不同阴影遮挡比率下组件的发电量。使用Excel来建立模型，以上海为地点，组件长度为1米，组件间距为1.5米，2排组件，每排组件的装机容量是3.36kWh，便可以得到不同阴影遮挡比率k下平单轴系统的全年发电量，如表2所示。

表2 不同阴影遮挡比率下平单轴系统全年的发电量

可以发现当阴影遮挡比率k在0.03055左右处会有平单轴系统的全年发电量最大，即表示平单轴系统的最佳遮挡比率k为0.03055。而这时将根据第3节中的公式便可以计算出在上海平单轴系统每日的最佳跟踪轨迹。使用excel算出1月1日时最佳倾角的跟踪轨迹如表3所示。

表3 K＝0.03055时1月1日时上午的跟踪轨迹

7	0
		7.5	3.138265
8	6.830993
		8.5	11.42546

9	17.95831
		9.5	30.52199
10	43.18875
		10.5	32.47387
11	21.54935
		11.5	10.70751
12	0

4.总结

(1)计算平单轴系统的跟踪轨迹时可以根据平单轴系统组件在小比例遮挡情况下功率损失情况来找到组件的最佳遮挡比率，然后可以根据公式计算出平单轴系统每日的跟踪轨迹。

(2)当平单轴系统太阳高度很低时可以让平单轴系统处于最佳遮挡比率下，一定程度下增加了平单轴系统的倾角，这样可以增加平单轴系统接受到的辐射量，由于小比率遮挡情况下，平单轴系统的功率损失很小，所以只要找到平单轴系统的最佳遮挡比率即可以找到平单轴系统的最佳跟踪轨迹。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种平单轴系统跟踪轨迹计算方法，包括以下步骤：

1)基本计算

(1a)每日赤纬的计算方法

$\mathrm{\δ}=23.45sin\[360\×\frac{284+n}{365}\]---\left(1\right)$

式中n为1月1日至某日的天数；

(1b)每天不同时间的太阳高度角

式中为所在地点纬度，t为每天不同的时间点；

(1c)每天不同时间的时角

ω＝15×(t-12) (3)

(1d)每天不同时间太阳的水平投影与东西方向的夹角

ω_东西＝|ω+90| (4)

(1e)每天不同时间太阳在东西方向的投影角度

tanh_投影＝sinh/coshcosω_东西 (5)；

2)设组件上的组件最佳遮挡长度为X，组件的长为L，两块组件之间的间距为m，组件最佳遮挡比率k为

3)计算平单轴系统在日出直到正午时的倾角轨迹，下午的倾角轨迹和上午的倾角轨迹关于正午时分中心对称：

从日出到正午，组件倾角β的跟踪轨迹可以分为两个部分：

(1)当太阳的高度角比较小，时，平单轴系统若保持组件与太阳光线垂直会造成电池片的大比例阴影遮挡，平单轴系统调整角度使组件处于最佳遮挡状态，即：

当时，

(2)当太阳高度角比较大，时，组件的表面一直与太阳光垂直，后一排组件的电池片不会被遮挡，平单轴系统会保持组件与太阳光线一直垂直，即：

当时，β＝90-h_投影 (7)。