CN106371466B - 一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，包括：根据按只有正面发电设计的最佳倾角和间距计算反射区域；采集当地的水平总辐照数据和水平散射；以双面电池正反面的总辐照最大化为原则，计算出背面有反射增益情况下的最佳倾角。本发明充分利用了双面太阳能电池背面发电特性，提高了双面太阳能电池的发电收益，解决了双面电池倾角优化问题，能够为双面太阳能电池的光伏电站设计提供一定参考。

Description

一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，属于光伏系统设计领域。

背景技术

双玻双面发电组件通俗点理解就是正、反面都能发电的组件，组件正面接收太阳光直射光发电，背面通过吸收背景的反射光和周围的散射光来发电。常规组件在没有安装单轴或双轴自动跟踪系统的情况下，只能按一定的角度安装，被动的接收太阳光辐射；相同的安装角度下(其它条件完全相同)，双玻双面发电组件在正面接收太阳光直射时，背面也在接收地面和其它方向的反射光和散射光，正、背面同时在发电，相比于常规组件优势明显。三洋曾在日本大阪做过对比实验，系统安装于反射率为0.3的混凝土地面，离地高度6.6英尺(约2米)，实验结果显示：安装角度为0度时(即水平安装)，双玻双面发电系统比常规系统多发电5％；安装角度为30度时，双玻双面发电系统比常规系统多发电7％；安装角度为90度时，双玻双面发电系统比常规系统多发电34％。

此外双玻双面发电组件安装位置的背景反射率对背面发电量影响也很大，只有背面尽量多的接收反射和散射光，背面才能增效更多。通常物体的颜色越浅，物体的反射率越高。

因此，在兼顾正面发电的同时，提高背面发电增益，将大大提升双面电池的整个利用率，推动光伏行业的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，能够快速检测到背面反射区域，根据反射区域，在总辐射最大化原则下校准倾角，从而提高双面电池的发电量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，包括以下步骤：

1)建立前后排阵列的数学模型，将双面太阳能电池正面法线与入射光线夹角i，阵列倾角β作为输入参数，根据反射至前排背面的反射路径获得反射区域S；初始化时，β＝β1，β1为只有正面发电设计的最佳倾角；

2)通过连接水平辐照仪获取测试地点水平总辐射H_g，水平散射H_d；

3)当S＝0时，阵列倾角β为β1；当S>0时，将反射区域S，水平总辐射H_g，该测试地点的地面反射率ρ作为参数，计算背面有反射增益情况下的最佳倾角，并根据计算结果，校准阵列倾角。

前述的建立前后排阵列的数学模型仅针对复数排双面太阳能电池电站。

前述的建立前后排阵列的数学模型需满足：

a、阵列倾角β范围为0-90度；

b、双面太阳能电池组件朝向正南；

c、反射区域满足：0≤S<L1，其中，L1为组件长度。

前述的反射区域S的计算公式为：

其中，L1为组件长度，L2为前排组件底端至后排组件底端距离，i为双面太阳能电池正面法线与入射光线夹角；

式(1)中，L2的计算公式为：

L2＝L1cosβ+D (2)

其中，D是组件间距；

式(1)中，i的计算公式为：

i＝arccos(cosβ1sinh+sinβ1coshcosα) (3)

其中，h为太阳高度角，α为太阳方位角；

太阳高度角h的计算公式为：

其中，是当地的纬度，δ是赤纬角；

太阳方位角α的计算公式为：

其中，z为时角；

式(4)中，赤纬角δ的计算公式为：

其中，N是从1月1日开始的天数；

式(5)中，时角z的计算公式为：

z＝15(T-12) (7)

其中，T为真太阳时。

前述的水平辐照仪的测量范围为0-2000W/m²，误差要求在±2％，精度为1W/m²。

前述的计算背面有反射增益情况下的最佳倾角，包括以下步骤：

2-1)获取测试地点的水平总辐射H_g、水平散射H_d；

2-2)利用获取的水平总辐射H_g、水平散射H_d，计算双面太阳能电池的正面总辐射；

2-3)根据气象站所在地点，在当地气象网站获取地面反射率ρ；地面反射率ρ根据地点不同，会有不同的数值；

2-4)利用步骤2-1)获取的水平总辐射H_g、水平散射H_d，步骤2-3)获取的测试地点的地面反射率ρ，计算双面太阳能电池的背面总辐射；

2-5)根据步骤2-2)和步骤2-4)的计算结果，计算出背面有反射增益情况下的总辐射，根据总辐射最大化原则，得出最佳倾角。

前述的步骤2-2)的双面太阳能电池的正面总辐射计算采用Liu和Jordan的散射直射模型，计算得到双面太阳能电池的正面总辐射为：

其中，H_β1为双面太阳能电池的正面总辐射，R_b是直接辐射系数，β是阵列倾角，w为日落角，是当地的纬度，δ是赤纬角；

日落角w的计算公式为：

前述的步骤2-4)的双面太阳能电池的背面总辐射由背面散射和反射组成，具体为：

则，

其中，H_β2是双面太阳能电池的背面总辐射，β是阵列倾角，S为反射区域，L1为组件长度，i为双面太阳能电池正面法线与入射光线夹角，D是组件间距。

前述的步骤2-5)背面有反射增益情况下的总辐射为：

其中，H_β为背面有反射增益情况下的总辐射。

前述的倾角校准的原则为：

定义最佳倾角为β^*，比较最佳倾角β^*和β1的大小，如果前者大，则调整值β_a＝β^*-β1，倾角按逆时针方向调整β_a；如果两者相等，保持原倾角不变；如果前者小，则调整值β_b＝β1-β^*，倾角按顺时针方向调整β_b。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供的基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，通过提高双面太阳能电池背面发电的利用率，减少了因为倾角带来的背面发电损失，有效提升了整个双面太阳能电池的发电收益，大大缩减了投资回报期。

附图说明

图1为前排组件底端至后排组件底端距离L2及组件间距D示意图；

图2为前后排阵列反射区域图；

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图3所示，本发明的基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，包括：

1)建立前后排阵列的数学模型，将双面太阳能电池正面法线与入射光线夹角i，初始化时，令阵列倾角β＝β1，将只有正面发电设计的最佳倾角β1作为输入参数，根据反射至前排背面的反射路径获得反射区域S；

2)通过连接水平辐照仪获取测试地点水平总辐射H_g，水平散射H_d；

3)当S＝0时，阵列倾角β为β1；当S>0时，将反射区域S，水平总辐射H_g，该测试地点的地面反射率ρ作为参数，计算背面有反射增益情况下的最佳倾角，并根据计算结果，校准阵列倾角。

建立的前后排阵列的数学模型是针对于复数排双面太阳能电池电站，对于单排的双面太阳能电池电站，背面没有来自后排斜面的反射，保持原最佳倾角β1不变。

建立前后排阵列的数学模型，具体要求如下：

1)阵列倾角β范围为0-90度；

2)双面太阳能电池组件朝向正南；

3)反射区域满足：Smax≈L1,Smin＝0。

其中，Smax为反射区域最大值，Smin为反射区域最小值，L1为组件长度。

结合图1和图2，反射区域S的具体公式为：

其中，S为后排正面反射太阳光至前排背面的区域，即反射区域，L1为组件长度，β为阵列倾角，L2为前排组件底端至后排组件底端距离，i为双面太阳能电池正面法线与入射光线夹角。

初始化时，β＝β1，β1为已知参数，是按只有正面发电设计的最佳倾角；随着i的变化，当S>0时，β变为未知参数，最终计算出有反射增益时的最佳倾角。

参见图1和图2，式(1)中，前排组件底端至后排组件底端距离L2的计算公式为：

L2＝L1cosβ+D (2)

其中，D是组件间距。

双面太阳能电池正面法线与入射光线夹角i的计算公式为：

i＝arccos(cosβsinh+sinβcoshcosα) (3)

其中，h为太阳高度角，α为太阳方位角。

式(3)中，太阳高度角h的计算公式为：

其中，是当地的纬度，δ是赤纬角。

式(3)中，太阳方位角α的计算公式为：

其中，z为时角。

式(4)中，赤纬角δ的计算公式为：

其中，N是从1月1日开始的天数。

式(5)中，时角z的计算公式为：

z＝15(T-12) (7)

其中，T为真太阳时。

测量辐照的水平辐照仪测量范围为0-2000W/m²,误差要求在±2％，精度为1W/m²。需要特别说明的是，双面太阳能电池正反面的发电特性决定了其应用的特殊性，常将其建设在水面或者高反射率的环境下，因此辐照仪还具备防水，防潮，抗风的特性。

当S>0时，计算背面有反射增益情况下的最佳倾角，包括以下步骤：

2-1)获取测试地点的水平总辐射H_g、水平散射H_d；

2-2)利用获取的水平总辐射H_g、水平散射H_d，计算双面太阳能电池的正面总辐射；

2-3)根据气象站所在地点，在当地气象网站获取地面反射率ρ；地面反射率ρ根据地点不同，会有不同的数值；

2-4)利用步骤2-1)获取的水平总辐射H_g、水平散射H_d，步骤2-3)获取的测试地点的地面反射率ρ，计算双面太阳能电池的背面总辐射；

2-5)根据步骤2-2)的正面总辐射和步骤2-4)的背面总辐射，计算出背面有反射增益情况下的总辐射，根据总辐射最大化原则，得出最佳倾角。

步骤2-2)中，计算双面太阳能电池的正面总辐射，采用Liu和Jordan的散射直射模型计算得到：

其中，H_β1为双面太阳能电池的正面总辐射，H_g是水平总辐射，H_d是水平散射，R_b是直接辐射系数，β是阵列倾角，w为日落角。

日落角w的计算公式为：

步骤2-4)中，双面太阳能电池的背面总辐射由背面散射和反射组成，具体为：

则，

其中，H_β2是双面太阳能电池的背面总辐射。

步骤2-5)中，背面有反射增益情况下的总辐射为：

其中，H_β为背面有反射增益情况下的总辐射。

根据总辐射最大化原则，得出最佳倾角β^*。

比较最佳倾角β^*和β1的大小，如果前者大，则调整值β′_a＝β^*-β1，倾角按逆时针方向调整β′_a；如果两者相等，保持原倾角不变；如果前者小，则调整值β′_b＝β1-β^*，倾角按顺时针方向调整β′_b。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立前后排阵列的数学模型，将双面太阳能电池正面法线与入射光线夹角i，阵列倾角β作为输入参数，根据反射至前排背面的反射路径获得反射区域S；初始化时，β＝β1，β1为只有正面发电设计的最佳倾角；

2)通过连接水平辐照仪获取测试地点水平总辐射H_g，水平散射H_d；

3)当S＝0时，阵列倾角β为β1；当S>0时，将反射区域S，水平总辐射H_g，该测试地点的地面反射率ρ作为参数，计算背面有反射增益情况下的最佳倾角，并根据计算结果，校准阵列倾角。

2.根据权利要求1所述的一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，所述建立前后排阵列的数学模型仅针对复数排双面太阳能电池电站。

3.根据权利要求1所述的一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，所述建立前后排阵列的数学模型需满足：

a、阵列倾角β范围为0-90度；

b、双面太阳能电池组件朝向正南；

c、反射区域满足：0≤S<L1，其中，L1为组件长度。

4.根据权利要求1所述的一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，所述反射区域S的计算公式为：

其中，L1为组件长度，L2为前排组件底端至后排组件底端距离，i为双面太阳能电池正面法线与入射光线夹角；

式(1)中，L2的计算公式为：

L2＝L1cosβ+D (2)

其中，D是组件间距；

式(1)中，i的计算公式为：

i＝arccos(cosβ1sinh+sinβ1coshcosα) (3)

其中，h为太阳高度角，α为太阳方位角；

太阳高度角h的计算公式为：

其中，是当地的纬度，δ是赤纬角；

太阳方位角α的计算公式为：

其中，z为时角；

式(4)中，赤纬角δ的计算公式为：

其中，N是从1月1日开始的天数；

式(5)中，时角z的计算公式为：

z＝15(T-12) (7)

其中，T为真太阳时。

5.根据权利要求1所述的一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，所述水平辐照仪的测量范围为0-2000W/m²，误差要求在±2％，精度为1W/m²。

6.根据权利要求1所述的一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，所述计算背面有反射增益情况下的最佳倾角，包括以下步骤：

2-1)获取测试地点的水平总辐射H_g、水平散射H_d；

2-2)利用获取的水平总辐射H_g、水平散射H_d，计算双面太阳能电池的正面总辐射；

2-3)根据气象站所在地点，在当地气象网站获取地面反射率ρ；地面反射率ρ根据地点不同，会有不同的数值；

2-4)利用步骤2-1)获取的水平总辐射H_g、水平散射H_d，步骤2-3)获取的测试地点的地面反射率ρ，计算双面太阳能电池的背面总辐射；

2-5)根据步骤2-2)和步骤2-4)的计算结果，计算出背面有反射增益情况下的总辐射，根据总辐射最大化原则，得出最佳倾角。

7.根据权利要求6所述的一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，所述步骤2-2)的双面太阳能电池的正面总辐射计算采用Liu和Jordan的散射直射模型，计算得到双面太阳能电池的正面总辐射为：

其中，H_β1为双面太阳能电池的正面总辐射，R_b是直接辐射系数，β是阵列倾角，w为日落角，是当地的纬度，δ是赤纬角；

日落角w的计算公式为：

8.根据权利要求6所述的一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，所述步骤2-4)的双面太阳能电池的背面总辐射由背面散射和反射组成，具体为：

则，

其中，H_β2是双面太阳能电池的背面总辐射，β是阵列倾角，S为反射区域，L1为组件长度，i为双面太阳能电池正面法线与入射光线夹角，D是组件间距。

9.根据权利要求7所述的一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，所述步骤2-5)背面有反射增益情况下的总辐射为：

其中，H_β为背面有反射增益情况下的总辐射，H_β2是双面太阳能电池的背面总辐射。

10.根据权利要求1所述的一种基于双面电池阵列的太阳能跟踪方法，其特征在于，倾角校准的原则为：

定义最佳倾角为β^*，比较最佳倾角β^*和β1的大小，如果前者大，则调整值β_a＝β^*-β1，倾角按逆时针方向调整β_a；如果两者相等，保持原倾角不变；如果前者小，则调整值β_b＝β1-β^*，倾角按顺时针方向调整β_b。