CN105743424A - 一种太阳能电池板支架及其安装与追日控制方法 - Google Patents

Abstract

发明了一种具有自动跟踪功能的太阳能电池板支架。选择经过当地位置且与地球自转轴垂直的平面为测量太阳俯仰角的基准平面，选择经过当地位置且与地球自转轴直交的直线为测量太阳方位角的基准，建立了直角坐标系，并给出了基于这种坐标系的太阳能电池板支架的安装方法。引进了基于方形光斑的四象限探测器，可随时探测太阳的方位角和俯仰角，并证明了在此直角坐标系下，太阳俯仰角在一天中的变化不超过0.39537°，而方位角的变化是均匀的，因此太阳能电池板的俯仰角每天只需要调整一次，而太阳能电池板的方位角只需要在有光照时每分钟调整一次。本发明的有益效果在于：(1)太阳能电池板的俯仰角每天只需要调整一次；(2)在无太阳照射的情况下太阳能电池板不动；(3)太阳出现后可立即捕获；(4)追日误差不超过1°。

Description

一种太阳能电池板支架及其安装与追日控制方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池板支架及其安装与追日控制方法。

背景技术

当今可利用的能源包括石油、煤炭、核电、水力，然而除水力发电外，上述其它能源储量有限，污染严重，因此寻找一种可取代有限资源并对环境无害的新能源是现今世界发展的迫切需要。随着科学技术日新月异地飞速发展，人们对能源的需求也在不断增长。自上世纪70年代的世界石油危机后，人们才真正意识到，供应常规电力所用的石化燃料的储量是有限的。从全球来看，已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使是储量最丰富的煤炭最多也只能维持二三百年。就连近代才发展起来的核能发电的原料铀的储量也是有限的，而且还存在安全和污染的难题，同样不能解决世界电力的长期稳定供应问题。因此，如不尽早设法解决常规能源的替代能源，人类迟早将面临石化燃料枯竭的危机。

在世界能源结构的转移中，太阳能发电处于突出的位置，全球目前年能源消费的总和只相当于太阳在40分钟内照射到地球表面的能量。太阳能随处可得，不必远距离输电，无噪声，不污染环境。由于这些独特的优点，太阳能发电作为新兴的产业正在迅速崛起。太阳能电池发电，又称光伏发电。太阳能电池自1954年问世，经过50年的发展，已形成一门新的光伏科学与光伏工程。光伏技术具有使用寿命长、安全可靠、操作方便、维护简单、不易损坏、适合无人管理等特点，是一种理想的替代能源。

我国有丰富的日照资源，太阳能源丰富，据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为5×10¹⁹千焦，约相当于1700亿吨标准煤。50多年来，中国一直在研究光伏技术，现在，许多技术人员正在着力研究、解决太阳能电池的高效、廉价、稳定、大容量等问题。光伏技术的应用和发展在中国具有很大的潜在市场。

太阳能电池发电过程中，实现全自动太阳跟踪是提高太阳能利用率的关键。目前，跟踪太阳较多采用的是方位-俯仰双轴跟踪系统，所谓双轴跟踪系统是指在地平坐标系中，以垂直于地面的轴为方位轴，以平行于水平面的轴为俯仰轴，根据程序计算的太阳位置，分别控制两部电机绕方位轴和俯仰轴转动，使太阳能电池板的法方向指向太阳，从而达到跟踪太阳的目的。但选择地平坐标系后太阳的方位角和俯仰角的变化规律比较复杂，需要经过复杂的运算才能确定太阳的位置，而且方位角和俯仰角在一天中都有较大的变化，时刻需要进行调整，造成了能源的浪费。

发明内容

发明了一种具有自动跟踪功能的太阳能电池板支架。选择经过当地位置且与地球自转轴垂直的平面为测量太阳俯仰角的基准平面，选择经过当地位置且与地球自转轴直交的直线为测量太阳方位角的基准，建立了直角坐标系，并给出了基于这种坐标系的太阳能电池板支架的安装方法。引进了基于方形光斑的四象限探测器，可随时探测太阳的方位角和俯仰角，并证明了在此直角坐标系下，太阳俯仰角在一天中的变化不超过0.39537°，而方位角的变化是均匀的，因此太阳能电池板的俯仰角每天只需要调整一次，而太阳能电池板的方位角只需要在有光照时每分钟调整一次。

本发明的有益效果在于：

(1)太阳能电池板的俯仰角每天只需要调整一次；

(2)在无太阳照射的情况下太阳能电池板不动；

(3)太阳出现后可立即捕获；

(4)追日误差不超过1°。

附图说明

图1是太阳能电池板支架及其坐标系图。

图2是地球在其轨道上位置示意图。

图3是太阳赤纬对地球角位移导数的函数图象。

标号说明：1底座，2电动机A，3立柱，4轴耳，5基于方形光斑的四象限探测器，6横担，7太阳能电池板，8伸缩杆，9电动机B。

具体实施方式

1.太阳能电池板支架的结构

太阳能电池板支架由底座(1)、电动机A(2)、立柱(3)、轴耳(4)、基于方形光斑的四象限探测器(5)、横担(6)、伸缩杆(8)、电动机B(9)和计算机组成。底座(1)的中心为圆形，外围为十字形，十字形末端带有螺杆，用于将底座(1)固定在建筑物上，圆形底座(1)上面固定安装电动机A(2)，电动机A(2)的轴与立柱(3)固定连接；立柱(3)上方安装基于方形光斑的四象限探测器(5)，立柱(3)上端带有两片轴耳(4)，下端与横担(6)的一端垂直固定连接，横担(6)的另一端带有套管；太阳能电池板(7)的上下两边上装有与边平行的转轴，下边的轴穿在横担(6)的套管内，上边的轴穿在伸缩杆(8)一端的套管内；伸缩杆(8)的另一端与电动机B(9)的轴固定连接，电动机B(9)的另一端带有套管，套管套在位于两片轴耳(4)之间的轴上。

2.太阳赤纬一天内的变化

以太阳中心为原点，以太阳中心与春分点的连线为X轴，以太阳中心与夏至点的连线为Y轴，以黄道面的垂线为Z轴建立坐标系，如图2所示，则秋分点和冬至点分别位于X轴和Y轴上，地球自转轴的单位方向向量为(0，sinψ，cosψ)，其中

ψ＝23.45π/180＝0.4093

以θ表示地球与太阳中心连线与X轴的夹角，以δ(θ)表示太阳赤纬，地球与太阳中心连线的单位方向向量为

r(θ)＝(cosθ，sinθ，0)

该向量与地球自转轴夹角的余弦为

$cos(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}\left)\right)=(0,\sin \mathrm{\ψ},cos\mathrm{\ψ})\·(cos\mathrm{\θ},sin\mathrm{\θ},0)=sin\mathrm{\ψ}sin\mathrm{\θ}$

因此

sinδ(θ)＝(0，sinψ，cosψ)·(cosθ，sinθ，0)＝sinψsinθ＝0.3979sinθ

δ(θ)＝arcsin(0.3979sinθ)

地球绕其轨道一圈的时间为365天5小时48分46秒，即365.2422天，因此θ每天的变化量为0.9856°(360/365.2422)，即0.0172rad。为求出θ一天变化量的最大值，将δ(θ)对θ求导得

${\mathrm{\δ}}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{0.3979cos\mathrm{\θ}}{\sqrt{1-{0.3979}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

其函数如图3所示。由图3可知当θ＝0，π时δ′(θ)达到极大值，因此当θ＝0，π时δ(θ)随θ的变化率最大，由于

δ(0)＝0

$\mathrm{\δ}\left(\frac{\mathrm{\π}}{180}\right)=\arcsin \left(0.3979sin\frac{\mathrm{\π}}{180}\right)=0.0069$

因此

$\mathrm{\δ}\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)-\mathrm{\δ}\left(\frac{91\mathrm{\π}}{180}\right)=0.0069$

即δ(θ)一天内的变化不超过0.0069rad(0.39537°)。以表示当地纬度，П表示经过当地一点且与赤道平面平行的平面，如果忽略太阳赤纬一天内的变化，相对于平面П而言，太阳一天的俯仰角可以看成是不变的。

3.支架的安装

安装支架的要求是底座(1)的平面与赤道平面平行，为此在支架上建立直角坐标系，坐标原点位于立柱中心线上，xy平面与底座(1)平面平行，z轴向上，如图1所示。规定太阳能电池板的方位角与俯仰角是其法向量的方位角与俯仰角，方位角规定为法向量在xy平面内的投影与x轴的夹角。

在当地时间12点时，将底座(1)置于平台上，太阳能电池板与xz平面平行，打开基于方形光斑的四象限探测器(7)，旋转底座(1)使阳光的方位角为π/2，x轴保持水平。

以N表示当前最后一个春分日过去的天数，则当前太阳赤纬为

δ＝arcsin[0.3979sin0.0172N]

在保持x轴水平的条件下调整z轴，待俯仰角为δ，将底座(1)固定在平台上，此时底座(1)的平面与赤道平面平行。

4.太阳能电池板追日控制

以T_s和T_m分别表示当地一年中最早日出时间和正午时间，则当地一年中最晚日落时间T_e＝2T_m-T_s；以T＝1/60(小时)表示太阳方向采样与电池板的控制周期，在此周期内地球自转角度为0.25°，而按照上述支架的安装方法，太阳俯仰角在一天内的变化不超过0.39537°，因此太阳能电池板俯仰角每天调整一次、方位角每分钟调整一次即可以小于1°的误差跟踪太阳。

记T_k＝kT，k＝0，1，…，K，其中K＝E(120·(T_m-T_s))表示一天中的采样个数，E(·)为取整函数。由于基于方形光斑的四象限探测器(7)在无光照情况下输出的方位角和俯仰角分别为A₀＝π/2，P₀＝π/2，因此A₀＝π/2且P₀＝π/2意味着无光照。

以t表示当前时间，I表示俯仰角调整标志，“”表示k的值加1，太阳能电池板的控制程序可表述为：

1)等待，直到t∈[T_s，T_e]，置I＝0，

2)若k＞K，返回1)；

3)等待，直到t＝T_k，采集基于方形光斑的四象限探测器(7)输出的方位角A₀和俯仰角P₀，若A₀＝π/2且P₀＝π/2，返回2)；

4)启动电动机A(2)将太阳能电池板的方位角调整到A₀，若I＝0，俯仰角调整到P₀，置I＝1；

5)返回2)。

Claims (3)

1.一种太阳能电池板支架，其特征在于：由底座(1)、电动机A(2)、立柱(3)、轴耳(4)、基于方形光斑的四象限探测器(5)、横担(6)、伸缩杆(8)、电动机B(9)和计算机组成；底座(1)的中心为圆形，外围为十字形，十字形末端带有螺杆，用于将底座(1)固定在建筑物上，圆形底座(1)上面固定安装电动机A(2)，电动机A(2)的轴与立柱(3)固定连接；立柱(3)上方安装基于方形光斑的四象限探测器(5)，立柱(3)上端带有两片轴耳(4)，下端与横担(6)的一端垂直固定连接，横担(6)的另一端带有套管；太阳能电池板(7)的上下两边上装有与边平行的转轴，下边的轴穿在横担(6)的套管内，上边的轴穿在伸缩杆(8)一端的套管内；伸缩杆(8)的另一端与电动机B(9)的轴固定连接，电动机B(9)的另一端带有套管，套管套在位于两片轴耳(4)之间的轴上。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池板支架，其安装方法的特征在于：在支架上建立直角坐标系，坐标原点位于立柱中心线上，xy平面与底座(1)平面平行，x轴和y轴分别与底座(1)外围的十字形线平行，z轴方向向上；在当地时间12点时，将底座(1)置于平台上，太阳能电池板与xz平面平行，打开基于方形光斑的四象限探测器(7)，旋转底座(1)，使太阳的方位角为π/2，x轴保持水平；以N表示当前距最后一个春分日过去的天数，则当前太阳赤纬为δ＝arcsin[0.3979sin0.0172N]，在保持x轴水平的条件下调整z轴，待俯仰角为δ，将底座(1)固定在平台上，此时底座(1)的平面与赤道平面平行。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池板支架，其追日控制方法的特征在于：以T_s和T_m分别表示当地一年中最早日出时间和正午时间，则当地一年中最晚日落时间T_e＝2T_m-T_s；以T＝1/60表示太阳方向采样与电池板的控制周期，以K＝E(120·(T_m-T_s))表示一天中的采样个数，E(·)为取整函数，记T_k＝kT，k＝0，1，…，K，以t表示当前时间，I表示俯仰角调整标志，表示k的值加1，太阳能电池板的控制程序可表述为：

1)等待，直到t∈[T_s，T_e]，置I＝0，k＝E((t-T_s)/T)；

2)若k＞K，返回1)；

3)等待，直到t＝T_k，采集基于方形光斑的四象限探测器(7)输出的方位角A₀和俯仰角P₀，若A₀＝π/2且P₀＝π/2，返回2)；

4)启动电动机A(2)将太阳能电池板的方位角调整到A₀，若I＝0，俯仰角调整到P₀，置I＝1；

5)返回2)。