CN107340785B - 一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪方法及控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪方法及控制器，所述跟踪方法通过光强传感器周期内计算最大光强接收角度值，调整双面光伏电池组件的角度与最大光强接收角度值一致。本发明解决了双面光伏电池组件因为安装地的地形不同，支架遮挡，背景颜色，物体经过等一系列环境因素造成的发电损失。本发明基于传感器的实时测量，基于控制器的实时控制，充分发挥双面光伏电池转换效率高，发电量高的最大优势。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体是一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪方法及控制器。
背景技术
光伏系统通常是由很多块光伏组件经过串并联后组成光伏阵列，通过光电转换效应，将太阳能转换成直流电能，再由逆变器逆变成交流电，最终并入到电网中。目前，光伏阵列侧通常采用的是常规光伏组件，即组件的正面布有光伏电池，可以光电转换。在资源供求矛盾日益激化的情况下，对太阳能的进一步开发利用必将成为未来的发展趋势。提升光电转换效率首当其冲，双面发电组件新近研发出来，并开始应用。传统的光伏电池当中，单晶硅电池光电转换效率最高，可达18-19％，而这种新型的双面光伏电池，正面接收太阳能的直射能量，背面接收来自地面或物体的发射以及空气中的散射光，正面、背面均可以光电转换，综合转换效率可以提高到20-25％。
由于双面光伏电池双面发电的特性，可以任意角度，任意朝向安装。应用到系统端，就会有很多技术问题亟待解决。例如：现有的跟踪支架系统没有考虑到双面发电的特性，双面光伏组件也会因为不同的地面、水面、草地等安装地地形，不同的物体经过，不同的安装地背景颜色等等因素，也都会造成双面光伏组件的两面接收到的光辐射不一样，降低系统发电量，使其很难在市场上得到广泛应用。
公开日为2013.08.28，授权公告号为CN 203165907U的中国实用新型专利公开了一种基于双面电池的光伏跟踪系统，它主要包括：光伏跟踪支架、跟踪器、逆变器，其中所述跟踪器及逆变器均安装在光伏跟踪支架上，所述的光伏跟踪支架上还安装有反射器及双面电池组件，其中所述双面电池组件竖立排列，所述的反射器对称安装在所述的双面电池组件两侧；所述的双面电池组件主要由若干块双面电池有序布置，并按平面组件的层压工艺封装而成；所述的反射器设置成倒置型的“V”型形状，由玻璃镜面或镜面不锈钢制成；所述反射器相对独立并构成独立单元；反射器固定在光伏跟踪支架上，且反射器与支架间的安装夹角θ为5～45°；该实用新型有望比平面安装系统效率高出25～50％，性价比明显改善，便于推广应用。但是，该专利存在以下问题：
(1)由于太阳入射光的角度在不断变化中，双面电池组件仅仅做垂直固定，此方向上并不能完全获得太阳光的最大能量，势必造成一定量的发电量损失；
(2)双面电池组件在接收反射太阳光时，其设计结构决定了位于根部的组件与位于顶部的组件接收光辐照不一致，双面电池组件长期接收光辐照不均衡会导致其寿命降低；
(3)增加反射器的同时已经增加了跟踪支架的负荷，进一步的，“V”型形状的反射器又同时属于一种兜风结构，在大风情况下，主体结构极易受到破坏；
(4)无法检测双面组件正面、背面总体接收太阳光强度的高低，就不能根据太阳运行轨迹调整组件倾角以达到发电量最大，如此势必造成双面组件发电量损失。
综上所述，该实用新型很难在市场上得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪方法及控制器，以克服现有技术中存在的缺陷。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明公开了一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪方法，该方法通过光强传感器周期内计算双面光伏电池组件的最大光强接收角度值，动态地在各周期中调整双面光伏电池组件的角度与最大光强接收角度值一致。
作为跟踪方法的第一种实施方式，在周期T的初始阶段通过已知的太阳运行轨迹得出太阳的实时角度值，记为初调目标角度；双面光伏电池组件从实际角度向初调目标角度进行初步调节；初步调节过程中通过光强传感器实时计算双面光伏电池组件处于不同角度时的正面和背面的辐照量和；初步调节结束后，获得辐照量和最大值时所对应的双面光伏电池组件所处角度，记为终调目标角度；双面光伏电池组件从初调目标角度向终调目标角度进行终歩调节并保持该角度至周期T结束。
具体的，基于光伏电站所在地的地理位置信息，生成当地的太阳运行轨迹；跟踪方法包括以下步骤：
S101、在周期T的初始阶段获取太阳实时角度值；
S102、获取初调目标角度，初调目标角度即能够使得双面光伏电池组件的法线与太阳入射光平行(举例说明：对于单轴跟踪支架，太阳实时角度值为α，则初调目标角度为90-α)；
S103、测量双面光伏电池组件的当前角度，并与初调目标角度比对，将角度差值转换为控制信号，驱动跟踪支架将双面光伏电池组件从实际角度向初调目标角度进行初步调节；
S104、初步调节过程中通过光强传感器实时计算双面光伏电池组件处于不同角度时的正面和背面的辐照量和；
S105、确定辐照量和的最大值，获取该最大值所对应的双面光伏电池组件角度，记为终调目标角度；
S106、双面光伏电池组件从初调目标角度向终调目标角度进行终歩调节并保持该角度至周期T结束，结束后返回步骤S101进行下一个周期T循环计算。
第一个实施方式中，跟踪支架可以为单轴跟踪支架或双轴跟踪支架。在跟踪支架为双轴跟踪支架时：在步骤S103的初步调节过程中，先进行竖直俯仰调节再进行水平回转调节。
作为跟踪方法的第二种实施方式，每两个光强传感器互为反向布置记为一组，设置多组光强传感器，各组光强传感器朝向角度不同；在周期T内测量得到接收辐照量和最大的一组光强传感器并获取其朝向角度；在下一个周期T中，双面光伏电池组件调节至该朝向角度。
具体的，设置n组光强传感器，跟踪方法包括以下步骤：
S201、n组光强传感器在固定周期T内同时测量光强值并计算光强值随时间的积分，在周期T内每组的两个光强传感器的积分值求和Si，Si表示第i组的两个光强传感器的积分值之和；
S202、周期T结束后，确定S1、S2、…、Si、…、Sn中的最大值St；
S203、获取St所对应的第t组光强传感器的朝向角度；
S204、在下一个周期T中，双面光伏电池组件调节至步骤S203所获取的朝向角度并返回步骤S201进行下一个周期T循环计算。
第二种实施方式中，2n个光强传感器呈环状布置，用于单轴跟踪支架的单轴调节；该环状所围平面与单轴的轴垂直。
第二种实施方式中，2n个光强传感器呈球状布置，用于双轴跟踪支架的双轴调节。
优选的，跟踪方法还包括通过风向传感器和风速传感器测量实时风速，当风速超过设定的阈值时，控制器发出指令驱动跟踪支架进行大风保护：双面光伏电池组件转至最小迎风面；当风速低于设定的阈值后，控制器发出指令恢复跟踪模式。
本发明还公开了一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪控制器，所述控制器写入了本发明公开的跟踪控制方法。
本发明的有益效果：
本发明解决了双面光伏电池组件因为安装地的地形不同，支架遮挡，背景颜色，物体经过等一系列环境因素造成的发电损失。本发明基于传感器的实时测量，基于控制器的实时控制，充分发挥双面光伏电池转换效率高，发电量高的最大优势。
附图说明
图1是实施例所在位置的太阳运行轨迹图。
图2是本发明第一个实施例的发电曲线图。
图3是本发明第二个实施例的发电曲线图。
图4是本发明对比例的发电曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：以南京市2016年7月8日为例，基于某光伏电站所在地的地理位置信息，生成当地的太阳运行轨迹如图1所示。图1是当天南京市(经度118.81°，纬度32.04°)，海拔10米处的太阳轨迹图。该图通过专业光伏设计软件PVSYST生成，采用是Meteonorm气象卫星的精确数据，太阳运行轨迹亦可采用其他方法获得。跟踪方法包括以下步骤：
S101、在周期T(本实施例中设为10分钟)的初始阶段获取太阳实时高度角75.3°；
S102、获取初调目标角度14.7°；
S103、测量双面光伏电池组件的当前角度为12.5°，并与初调目标角度比对，将角度差值转换为控制信号，驱动跟踪支架将双面光伏电池组件从实际角度向初调目标角度进行初步调节；
S104、初步调节过程中通过光强传感器实时计算双面光伏电池组件处于不同角度时的正面和背面的辐照量和；
S105、确定辐照量和的最大值为626+233＝859W/m2(13时)，获取该最大值所对应的双面光伏电池组件角度为14°，记为终调目标角度14°；
S106、双面光伏电池组件从初调目标角度向终调目标角度进行终歩调节并保持该角度至周期T结束，结束后返回步骤S101进行下一个周期T循环计算。
本实施例中，进行6时至18时的持续发电，并采集发电曲线见图2。
实施例1仅以单轴跟踪支架进行说明，双轴跟踪支架的实施方法与之一致，仅在步骤S103的初步调节过程中，先进行竖直俯仰调节再进行水平回转调节。需要说明的是：太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬(与太阳直射点纬度相等)以δ表示，观测地地理纬度用φ表示(太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负)，地方时(时角)以t表示，有太阳高度角的计算公式：sin hs＝sinφsinδ+cosφcosδcos t；太阳方位角的计算公式COSAs＝(sin hs·sinφ-sinδ)/(coshs·cosφ)。当采用单轴跟踪支架进行跟踪时，所获取的太阳实时高度角即为太阳实时角度值，跟踪支架仅进行相应的竖直俯仰调节；当采用双轴跟踪支架进行跟踪时，所获取的太阳实时角度值包括太阳实时高度角和太阳实时方位角，跟踪支架进行相应的水平回转调节和竖直俯仰调节。
实施例2：以南京市2016年7月8日为例(进行与实施1同一时间相邻位置同样规模的光伏发电试验)，在单轴跟踪支架上设置固定的36组光强传感器，36组光强传感器呈环状均匀布置(故调节精度为5°，且属于单轴跟踪方法)，跟踪方法包括以下步骤：
S201、36组光强传感器在固定周期T(本实施例中设为10分钟)内同时测量光强值并计算光强值随时间的积分，在周期T内每组的两个光强传感器的积分值求和Si，Si表示第i组的两个光强传感器的积分值之和；
S202、周期T结束后，确定S1、S2、…、Si、…、Sn中的最大值St；
S203、获取St所对应的第t组光强传感器的朝向角度(即光强传感器的法线角度，也是该组两个光强传感器互为反向布置的连线角度)；
S204、在下一个周期T中，双面光伏电池组件调节至步骤S3所获取的朝向角度并返回步骤S201进行下一个周期T循环计算。
本实施例中，进行6时至18时的持续发电，并采集发电曲线见图3。
实施例2仅以单轴跟踪支架进行说明，双轴跟踪支架的实施方法与之一致；仅是将2n个光强传感器呈球状布置。
对比例：同样在南京市于2016年7月8日6时至18时采取传统单轴跟踪方法进行持续发电(进行与实施1和实施例2同一时间相邻位置同样规模的光伏发电试验)，并采集发电曲线见图4。
为能更直观地说明本发明方法的有益效果，图4中也包含实施例1和实施例2所生成的发电曲线，其中：实施例1的发电曲线以实线表示，实施例2的发电曲线以虚线表示，对比例的发电曲线以点划线表示。从图中进行数据分析可知：采用实施例1的技术方案，较传统的技术方法发电量增益12％；采用实施例2的技术方案，较传统的技术方法发电量增益15％。
在更优的实施例中，通过风向传感器和风速传感器测量实时风速，当风速超过设定的阈值18m/s时，控制器发出指令驱动跟踪支架进行大风保护：双面光伏电池组件转至最小迎风面；当风速低于设定的阈值16m/s后，控制器发出指令恢复跟踪模式。
实施例3：一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪控制器，写入了实施例1或2的控制方法。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (4)
1.一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪方法，其特征在于通过光强传感器周期内计算双面光伏电池组件的最大光强接收角度值，动态地在各周期中调整双面光伏电池组件的角度与最大光强接收角度值一致，在周期T的初始阶段通过已知的太阳运行轨迹得出太阳的实时角度值，记为初调目标角度；双面光伏电池组件从实际角度向初调目标角度进行初步调节；初步调节过程中通过光强传感器实时计算双面光伏电池组件处于不同角度时的正面和背面的辐照量和；初步调节结束后，获得辐照量和最大值时所对应的双面光伏电池组件所处角度，记为终调目标角度；双面光伏电池组件从初调目标角度向终调目标角度进行终歩调节并保持该角度至周期T结束，跟踪方法包括以下步骤：
S101、在周期T的初始阶段获取太阳实时角度值；
S102、获取初调目标角度，初调目标角度即能够使得双面光伏电池组件的法线与太阳入射光平行；
S103、测量双面光伏电池组件的当前角度，并与初调目标角度比对，将角度差值转换为控制信号，驱动跟踪支架将双面光伏电池组件从实际角度向初调目标角度进行初步调节；
S104、初步调节过程中通过光强传感器实时计算双面光伏电池组件处于不同角度时的正面和背面的辐照量和；
S105、确定辐照量和的最大值，获取该最大值所对应的双面光伏电池组件角度，记为终调目标角度；
S106、双面光伏电池组件从初调目标角度向终调目标角度进行终歩调节并保持该角度至周期T结束，结束后返回步骤S101进行下一个周期T循环计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪方法，其特征在于跟踪支架为单轴跟踪支架或双轴跟踪支架，跟踪支架为双轴跟踪支架时：在步骤S103的初步调节过程中，先进行竖直俯仰调节再进行水平回转调节。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪方法，其特征在于通过风向传感器和风速传感器测量实时风速，当风速超过设定的阈值时，控制器发出指令驱动跟踪支架进行大风保护：双面光伏电池组件转至最小迎风面；当风速低于设定的阈值后，控制器发出指令恢复跟踪模式。
4.一种基于智能化控制的双面光伏电池组件跟踪控制器，其特征在于所述控制器写入了权利要求1-3任一项所述的跟踪方法。
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