CN106933255B - 不同地形自适应太阳能跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能的跟踪方法。一种不同地形自适应太阳能跟踪方法，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及相差的高度，设计一个等效位置，并且根据相应计算公式调整电池板组件角度的太阳能跟踪器。本发明提供了一种能不改变原有结构的情况下，对于地形复杂，光伏组件前后排具有高度差的布置结构上，依然能保证任意时间前后排光伏组件东西方向上都不产生阴影，达到太阳光线垂直于光伏组件光射强度的最大化，提高光伏转化率的不同地形自适应太阳能跟踪方法；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

不同地形自适应太阳能跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能的跟踪方法，尤其涉及不同地形自适应太阳能跟踪方法。

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，都采用了根据天文算法计算太阳方位角控制光伏组件转动的控制方式，但在跟踪系统跟踪太阳的过程中，即使两排光伏组件之间留有一定距离以避免前排阴影遮住后排光伏组件影响发电效率，但这段距离并不能保证所有时段光伏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，此时如果光伏组件继续对准太阳，遮挡是不可避免的。随着控制算法的更新，现在市场上通用的平单轴跟踪系统在地形比较平整的情况下已经基本解决了阴影遮挡问题，但是该天文算法应用在地形较为复杂如前后排组件存在明显高度差的情况下，前后排光伏组件仍然存在较为明显的阴影遮挡。

发明内容

本发明提供了一种能不改变原有结构的情况下，对于地形复杂，光伏组件前后排具有高度差的布置结构上，依然能保证任意时间前后排光伏组件东西方向上都不产生阴影，达到太阳光线垂直于光伏组件光射强度的最大化，提高光伏转化率的不同地形自适应太阳能跟踪方法；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：

一种不同地形自适应太阳能跟踪方法，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；

第三步，根据第二步得到的P角的正切值，计算跟踪系统的正常跟踪目标角Q_正，Q_正＝90°-P；

第四步，根据电池板组件的长度L、前后两排电池板组件立柱之间的距离D以及前后两排光伏组件的立柱的高度差H，还有P角的正弦值算出跟踪系统的反阴影跟踪的反阴影跟踪目标角Q_反；

由于光伏组件的立柱存在前后的高度差，顺着太阳光线的方向，后排组件高于或低于前排组件，设计一个等效位置，等效位置为与前排组件位于同一水平面上，由此，等效位置与后排组件的实际位置在水平方向上的差距为d，垂直方向上的差距为H，等效位置与前排组件的距离为D’，d＝H/tanP，D’＝D±d，反阴影跟踪目标角Q_反的计算如下：

第五步，太阳从升起至正午12点P角由0°增大至90°，期间P角由0°增大至45°为上午反阴影跟踪，P角由45°增大至90°为上午正常跟踪；从正午12点至太阳落山P角由90°减小至0°，期间P角由90°减小至45°为下午正常跟踪，P角由45°减小0°为下午反阴影跟踪；

第六步，通过倾角传感器可实时监测光伏组件的实际倾斜角度Q，为提高光伏组件的发电效率，通过实时计算跟踪目标角和实际倾斜角的角度差，当角度差达到一定角度时驱动执行机构使光伏组件转至跟踪目标角：在光伏跟踪系统处于正常跟踪阶段时当组件实际倾斜角Q与正常跟踪目标角Q_正角度差达到1°～5°时，控制器发送指令给执行机构，调整光伏组件实际倾角至Q_正；在光伏跟踪系统处于反阴影跟踪阶段时当组件实际倾斜角Q与反阴影跟踪目标角Q_反角度差达到3°～8°时，控制器发送指令给执行机构，调整光伏组件实际倾角至Q_反。

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，针对前后排的光伏组件存在高度差，预设一个等效位置，当在实际组件上不产生阴影时，等效位置上也不会产生阴影，通过等效位置与前排组件之间的间距和组件宽度，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，所述的P角的计算公式为：

tanP＝tanh/sinα。

因此，本发明的不同地形自适应太阳能跟踪方法具备下述优点：

1、当跟踪器处于跟踪阶段，通过实时计算跟踪目标角和实际倾斜角的角度差，当角度差达到一定角度时驱动执行机构使光伏组件转至跟踪目标角，通过间歇跟踪，避免光伏组件阴影遮挡提高组件发电效率的同时也最大化减小了驱动机构的耗能。

2、该天文算法在地形较为复杂如前后排组件存在明显高度差的情况下，仍能保证前后排光伏组件不产生阴影，做到了对不同地形的自适性。

3、算法公式简单明了适用于各种编程语言，且在原有的光伏跟踪系统控制算法基础上优化保证了算法的可靠稳定性。

附图说明

图1是根据天文算法的太阳位置图。

图2是相互平行的光伏组件的追踪示意图。

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，不同地形自适应太阳能跟踪方法，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，tanP＝tanh/sinα，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；P角的计算公式为：

tanP＝tanh/sinα；

第三步，根据第二步得到的P角的正切值，计算跟踪系统的正常跟踪目标角Q_正，Q_正＝90°-P；

第四步，根据电池板组件的长度L、前后两排电池板的立柱组件之间的距离D以及前后两排光伏组件的立柱的高度差H，还有P角的正弦值算出跟踪系统的反阴影跟踪的反阴影跟踪目标角Q_反；

由于光伏组件存在前后的高度差，顺着太阳光线的方向，后排组件高于或低于前排组件，设计一个等效位置，等效位置为与前排组件1位于同一水平面上，由此，等效位置与后排组件2的实际位置在水平方向上的差距为d，垂直方向上的差距为H，等效位置与前排组件的距离为D’，d＝H/tanP，D’＝D±d，反阴影跟踪目标角Q_反的计算如下：

第五步，太阳从升起至正午12点P角由0°增大至90°，期间P角由0°增大至45°为上午反阴影跟踪，P角由45°增大至90°为上午正常跟踪；从正午12点至太阳落山P角由90°减小至0°，期间P角由90°减小至45°为下午正常跟踪，P角由45°减小0°为下午反阴影跟踪；

第六步，通过倾角传感器可实时监测光伏组件的实际倾斜角度Q，为提高光伏组件的发电效率，通过实时计算跟踪目标角和实际倾斜角的角度差，当角度差达到一定角度时驱动执行机构使光伏组件转至跟踪目标角：在光伏跟踪系统处于正常跟踪阶段时当组件实际倾斜角Q与正常跟踪目标角Q_正角度差达到2°时，控制器发送指令给执行机构，调整光伏组件实际倾角至Q_正；在光伏跟踪系统处于反阴影跟踪阶段时当组件实际倾斜角Q与反阴影跟踪目标角Q_反角度差达到5°时，控制器发送指令给执行机构，调整光伏组件实际倾角至Q_反。

Claims (2)

1.一种不同地形自适应太阳能跟踪方法，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；

第三步，根据第二步得到的P角的正切值，计算跟踪系统的正常跟踪目标角Q_正，Q_正＝90°-P；

第四步，根据电池板组件的长度L、前后两排电池板组件立柱之间的距离D以及前后两排光伏组件的立柱的高度差H，还有P角的正弦值算出跟踪系统的反阴影跟踪的反阴影跟踪目标角Q_反；

由于光伏组件立柱存在前后的高度差，顺着太阳光线的方向，后排组件高于或低于前排组件，设计一个等效位置，等效位置为与前排组件位于同一水平面上，由此，等效位置与后排组件的实际位置在水平方向上的差距为d，垂直方向上的差距为H，等效位置与前排组件的距离为D’，d＝H/tanP，D’＝D±d，反阴影跟踪目标角Q_反的计算如下：

第五步，太阳从升起至正午12点P角由0°增大至90°，期间P角由0°增大至45°为上午反阴影跟踪，P角由45°增大至90°为上午正常跟踪；从正午12点至太阳落山P角由90°减小至0°，期间P角由90°减小至45°为下午正常跟踪，P角由45°减小0°为下午反阴影跟踪；

第六步，通过倾角传感器可实时监测光伏组件的实际倾斜角度Q，为提高光伏组件的发电效率，通过实时计算跟踪目标角和实际倾斜角的角度差，当角度差达到一定角度时驱动执行机构使光伏组件转至跟踪目标角：在光伏跟踪系统处于正常跟踪阶段时当组件实际倾斜角Q与正常跟踪目标角Q_正角度差达到1°～5°时，控制器发送指令给执行机构，调整光伏组件实际倾角至Q_正；在光伏跟踪系统处于反阴影跟踪阶段时当组件实际倾斜角Q与反阴影跟踪目标角Q_反角度差达到3°～8°时，控制器发送指令给执行机构，调整光伏组件实际倾角至Q_反。

2.根据权利要求1所述不同地形自适应太阳能跟踪方法，其特征在于：所述的P角的

计算公式为：

tanP＝tanh/sinα。