CN107710098A - 基于制图模型来控制太阳能追踪器的定向的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制能够绕旋转轴线(A)定向的单轴太阳能追踪器(1)的定向的方法，所述方法重复地完成相继的控制阶段。根据本发明，在每个控制阶段中执行以下相继的步骤：a)观测所述太阳能追踪器(1)上方的云覆盖；b)将观测到的云覆盖与存储在数据库中的云覆盖模型比较，每个云覆盖模型与所述太阳能追踪器的一个定向设定点值相关联；c)将观测到的云覆盖与一个云覆盖模型匹配；以及d)通过应用与在步骤c)期间保留的所述云覆盖模型相关联的定向设定点值来控制所述太阳能追踪器的定向。本发明适合于在太阳能追踪器领域中使用。

Description

基于制图模型来控制太阳能追踪器的定向的方法
技术领域
本发明涉及一种控制单轴太阳能追踪器的定向的方法，以及一种被设计成实施这样的方法的单轴太阳能追踪器。
本发明涉及太阳能追踪器(也被称为追踪器支撑系统)领域，该太阳能追踪器被设置成支撑通常为光伏面板类型的太阳能收集器。
更具体地，本发明涉及单轴类型的(换言之，能够根据单个主旋转轴线定向的)太阳能追踪器，以实现允许在太阳从东到西升起和下降期间追踪太阳的旋转。应该注意的是，这样的主旋转轴线通常水平地延伸并且大体上平行于锚固太阳能追踪器的地面。
在此领域中，通常基于太阳位置的天文计算来伺服控制太阳能追踪器的定向，以面向太阳实时定位。
然而，此伺服控制类型因在某些气象条件下提供不足的产率而具有一个主要缺陷，我们将有利地参考图1来进行解释；此图1包括四个图解(1a)、图解(1b)、图解(1c)和图解(1d)，每个图解显示了在不同气象条件下的两个太阳能追踪器ST，其中太阳SO一直在相同的位置处并且其中太阳能追踪器ST一直面向太阳定向。
图解(1a)显示了不存在云的理想气象条件，且太阳能追踪器ST面向太阳SO定向，以从最大直接太阳能辐射Rdir受益。在这些具有零云覆盖的最佳条件下，根据太阳SO的位置的伺服控制提供了最大操作；这样的伺服控制对应于根据由太阳能追踪器处的直接太阳能辐射Rdir的方向限定的称为直接倾斜角的倾斜角对太阳能追踪器的定向的伺服控制。
图解(1b)、图解(1c)和图解(1d)显示了劣化的气象条件，其中不同的云覆盖具体地取决于多云表面或阴天表面、存在的云NU的类型、太阳SO前面的云NU的数目和位置。
在这样的多云条件下，当不考虑漫射太阳能辐射Rdif时，根据太阳SO的位置的伺服控制可能不提供最佳产率。当直接太阳能辐射Rdir在云NU和大气颗粒中分散时，漫射太阳能辐射Rdif出现。漫射太阳能辐射Rdif是由云NU和大气中悬浮的多种分子对光的衍射引起的。因此，漫射太阳能辐射Rdif不一定遵循在地球表面处的观测点的方向上由太阳SO限定的方向。
因此，在多云条件下，为了关于这些条件获得最大产率，可以优选是，根据漫射太阳能辐射Rdir的方向以称为间接或漫射定向的定向来定向太阳能追踪器ST，所述漫射太阳能辐射Rdir的方向不一定对应于直接太阳能辐射Rdir的方向；这样的伺服控制对应于根据由太阳能追踪器处漫射太阳能辐射Rdif的方向限定的称为漫射倾斜角的倾斜角对太阳能追踪器的定向的伺服控制。
在图解(1b)、图解(1c)和图解(1d)中，所有太阳能追踪器ST根据直接倾斜角(面向太阳)定向，而根据漫射倾斜角的定向将提供更好的产率。
因此，本领域的技术人员将倾向于根据对应于最大太阳能辐射的最佳倾斜角来实时地伺服控制太阳能追踪器的定向。不存在云时，最佳倾斜角将对应于直接倾斜角，且存在多云覆盖且甚至在太阳前面存在单个云时，最佳倾斜角将对应于漫射倾斜角。出于此目的，测量不同方向(或不同的倾斜角)的辐射的幅度并且确定对应于最大幅度的方向，以推导出最佳倾斜角将足够了。
然而，以此方式进行将具有许多缺点，它们全都涉及漫射太阳能辐射随时间的变化。事实上，取决于云层的时间演变(因为在风的作用下云的移位)并且取决于此云层的构成(云的数目、尺寸、位置和类型)，漫射太阳能辐射可能或多或少快速地变化，且因此最佳倾斜角可能随着时间或多或少快速变化。
因此，通过根据此最佳倾斜角来伺服控制太阳能追踪器的定向，可以使太阳能追踪器或多或少频繁地且或多或少快速地改变其定向。然而，每个方向改变驱使至少一个致动器(通常是电动马达)，这导致电消耗和通过定向改变而加载的机械构件(电动马达的构件、轴承、旋转导向元件等)的磨损。当根据最佳倾斜角实时地切换时，这些电消耗和这些磨损将不一定会被生产率的增益所补偿。
例如，从最佳倾斜角对应于直接倾斜角(因为在太阳和太阳能追踪器之间不存在云)的初始情形开始，如果在几分钟内单个云在太阳前面经过，则在这几分钟期间修改最佳倾斜角，之后再返回到直接倾斜角。在此情况下，根据最佳倾斜角实时地伺服控制太阳能追踪器的定向将导致使太阳能追踪器在这几分钟期间移位，以实现关于致动器的电消耗和磨损必定非常小的增益。
发明目的
本发明旨在通过提出一种用于控制单轴太阳能追踪器的定向的方法来解决这些缺点，所述方法实施将云覆盖的实际观测与存储在数据库中的云覆盖模型匹配的步骤，以不根据最佳倾斜角系统地伺服控制太阳能追踪器的定向，而是在太阳能生产率的增益与致动器的电能损失之间施加有利的折中，且可能通过考虑由定向改变造成的磨损。
为此，提出了一种用于控制能够绕旋转轴线定向的单轴太阳能追踪器的定向的方法，所述方法重复地完成相继的控制阶段，其中每个控制阶段实施以下相继的步骤：
a)观测所述太阳能追踪器上方的云覆盖；
b)将观测到的云覆盖与存储在数据库中的云覆盖模型比较，每个云覆盖模型与所述太阳能追踪器的一个定向设定点值相关联；
c)将观测到的云覆盖与一个云覆盖模型匹配；
d)通过应用与在步骤c)期间保留的所述云覆盖模型相关联的定向设定点值来伺服控制所述太阳能追踪器的定向。
因此，所述方法实施云覆盖的观测与预定的理论模型之间的比较，所述预定的理论模型与确定的定向设定点值相关联，以避免在定向改变中太频繁地驱使太阳能追踪器，太频繁地驱使太阳能追踪器将导致很少的能量增益，且甚至将导致能量损失，例如，如果在减少的时间周期内单个云在太阳前面经过，则将出现这种情况。可理解的是，对太阳能追踪器的定向的控制和伺服控制覆盖了对其绕其旋转轴线的倾斜且特别是对其绕此轴线的倾斜角的控制和伺服控制。
根据一个特征，每个云覆盖模型将与一个取决于所述模型的云层的构成的定向设定点值相关联，所述构成取决于以下参数中的至少一个：云的数目、云的覆盖表面、云的厚度、云的位置、云的类型。
因此，每个云覆盖模型被构建成对应于尽可能多的实际情形。
根据另一个特征，对于每个云覆盖模型，根据以下参数中的至少一个来预定对应的定向设定点值：在太阳能追踪器的定向改变期间加载的太阳能追踪器的机械构件的磨损速率、修改太阳能追踪器的定向所必需的能量消耗以及在定向改变期间太阳能追踪器的移位速度。
因此，为了优化太阳能追踪器的定向变化起见，分配给每个云覆盖模型的定向设定点值取决于与太阳能追踪器相关联的且特别是与其机械特性相关联的一个或几个参数。
根据另一个特征，云覆盖模型包括：
-至少一个称为零云覆盖模型的模型，所述零云覆盖模型与一个根据由太阳的位置的天文计算确定的称为直接倾斜角的倾斜角的定向设定点值相关联；
-至少一个称为广泛云覆盖模型的模型，所述广泛云覆盖模型与一个根据称为最佳倾斜角的倾斜角的定向设定点值相关联，所述最佳倾斜角不与所述直接倾斜角一致。
因此，在零云覆盖模型中，提供了根据直接倾斜角(面向太阳)的伺服控制，而在广泛云覆盖模型中，提供了根据另一个称为最佳倾斜角的倾斜角的伺服控制以考虑漫射辐射。
在一个具体实施方案中，所述最佳倾斜角对应于一个与所述太阳能追踪器的水平设定相关联的角。
因此，在广泛云覆盖的情况下，提供所述太阳能追踪器的平坦设定或水平定位，以将太阳能收集器水平放置。
有利地，所述云覆盖模型包括至少一个称为细小云覆盖模型的模型，所述细小云覆盖模型与一个根据在所述直接倾斜角和一个对应于所述太阳能追踪器的水平设定的角之间的预定的中间角的定向设定点相关联。
因此，在细小(几乎不厚的)云覆盖的情况下，提供了在零角(追踪器的水平定位)和直接角(追踪器面向太阳的定位)之间的中间伺服控制以实现吸引人的折中。
有利地，所述云覆盖模型包括至少一个称为不规则云覆盖模型的模型，所述不规则云覆盖模型与根据所述直接倾斜角的定向设定点值相关联。
因此，在存在稀疏的云的情况下，提供了根据直接倾斜角(面向太阳)的伺服控制，以每当云在太阳前面经过时不改变追踪器的定向。
根据本发明的一种可行性，在步骤a)期间，根据不同的仰角将云覆盖的观测转化为太阳能亮度的映射，且在步骤b)期间，所述云覆盖模型由制图模型构成，且所述比较是基于所述映射的太阳能亮度分布与不同的制图模型中的太阳能亮度分布之间的比较。
换句话说，在步骤b)期间，将所述映射的太阳能亮度的值在观测空间中的分布与不同的理论模型的太阳能亮度的值在观测空间中的分布比较；如果根据两个轴线(优选地北-南轴线和东-西轴线)确定映射，则此观测空间是二维的，或如果根据一个轴线(在此实例中是东-西轴线)确定映射，则此观测空间是一维的。
因此，在步骤c)期间进行的匹配类似地基于利用预定的偏离公差将所述映射的太阳能亮度分布与具有接近的或类似的分布的制图模型匹配。
太阳的仰角对应于在水平平面与穿过太阳能追踪器的旋转轴线且平行于太阳光线的平面之间绕太阳能追踪器的旋转轴线的角。
根据本发明的一种可行性，考虑对应于在直接辐射观测期间可接近的太阳能亮度的最大值的最大太阳能亮度值：
-所述零云覆盖模型对应于一个制图模型，其中在所述直接倾斜角附近低于30度的角扇区内太阳能亮度至少等于最大值的80％；以及
-所述广泛云覆盖模型对应于一个制图模型，其中在大于150度的角扇区内，太阳能亮度具有一个低值和一个高值，其中在所述低值和所述高值之间的差异低于所述高值的50％，其中所述高值低于最大值的50％且其中所述高值与从直接倾斜角偏差至少20度的仰角相关联。
根据本发明的一种可行性，所述细小云覆盖模型对应于一个制图模型，其中在大于150度的角扇区内，太阳能亮度具有一个低值和一个高值，其中所述低值和所述高值之间的差异低于所述高值的50％且其中所述高值与位于距所述直接倾斜角小于20度处的仰角相关联。
根据本发明的一种可行性，所述不规则云覆盖模型对应于一个制图模型，其中在所述直接倾斜角附近小于30度的角扇区内太阳能亮度至少等于最大值的50％，并且在另一个倾斜角附近小于30度的角扇区内至少等于最大值的20％。
此外，可以根据以下方法中的任何一种进行对云覆盖的观测：
-借助于图像拍摄设备诸如摄像机从地面拍摄的天空图像；
-借助于一组的几个光敏电池测量从地面测量太阳能亮度；
-根据所述太阳能追踪器上方的天空恢复卫星图像。
利用图像拍摄，观测对应于图像。利用通过光敏电池测量太阳能亮度，观测对应于由每个光敏电池单独执行的测量的矩阵，这些光敏电池被定位在不同的仰角处。利用卫星图像的恢复，观测对应于相关区域的卫星图像。
根据一个有利的特征，在步骤a)期间，实施在所述观测应用频率加权的步骤，所述频率加权取决于所述观测的频率响应和太阳能收集器的有用频带。
因此，所述频率加权可包括应用一个将太阳能收集器的光谱响应纳入考虑的频率滤波器。
在一个具体实施方案中，考虑到所述方法在第一系列几个相继的控制阶段上根据与第一云覆盖模型相关联的第一定向设定点值实施伺服控制，且考虑到继所述第一系列之后，下一个控制阶段在其步骤c)期间保留与第二定向设定点值相关的第二云覆盖模型，因此仅在所述第一系列之后是包括预定数目的全都在其相应的步骤c)期间保留所述第二云覆盖模型的相继的控制阶段的第二系列时，所述方法切换到根据所述第二定向设定点值的伺服控制。
因此，为了限制太阳能追踪器的机械磨损，仅当在最小时间周期期间观测与所述第二云覆盖模型匹配时才考虑第二定向设定点值。
根据本发明的一种可行性，如果所述第一序列之后不是包括预定数目的全都保留所述第二云覆盖模型的相继的控制阶段的第二序列，因此所述方法维持根据所述第一定向设定点值的伺服控制或切换到根据直接倾斜角的伺服控制。
因此，如果在最小时间周期内所述观测与所述第二云覆盖模型不匹配，则伺服控制保持不变或切换到直接太阳追踪。
根据本发明的另一种可行性，所述第二系列的预定数目的相继的控制阶段取决于以下参数中的至少一个：时间、所述第一定向设定点值与所述第二定向设定点值之间的角偏差、在所述太阳能追踪器的定向改变期间加载的所述太阳能追踪器的机械构件的磨损速率，以及修改所述太阳能追踪器的定向所必需的能量消耗。
根据本发明的另一个特征，如果在包括预定数目的相继的控制阶段的系列期间，其中在每个控制阶段期间，所述数据库的云覆盖模型不与观测到的云覆盖匹配，那么所述方法切换到根据直接倾斜角的伺服控制。
本发明还涉及一种能够绕旋转轴线定向的单轴太阳能追踪器，所述类型的单轴太阳能追踪器包括用于锚固到地面的固定结构和能够支撑至少一个太阳能收集器的平台，所述平台是通过致动系统绕所述旋转轴线在所述固定结构上可旋转地可致动的，所述太阳能追踪器的特征在于，它进一步包括：用于观测太阳能追踪器上方的云覆盖随时间的演变的观测系统；以及控制单元，所述控制单元在一方面被连接到所述观测系统以接收器观测数据，且在另一方面被连接到所述致动系统以控制所述平台的旋转，其中所述控制单元被配置为实施如上文所描述的控制方法的步骤b)到步骤e)。
附图说明
本发明的其它特征和优点将在阅读以下参考附图做出的对实施方式的非限制性实施例的详细描述时显现，在附图中：
-图1，已经讨论过，包括四个图解(1a)、图解(1b)，图解(1c)和图解(1d)，每个图解显示了在不同的气象条件下的两个太阳能追踪器；
-图2是根据本发明的单轴太阳能追踪器的示意性视图，其中显示了固定结构和可移动平台组件以及用于观测云覆盖的系统；
-图3是第一观测系统的示意性视图，该第一观测系统被形成为进行仅根据东-西方向以高度确定的太阳能亮度的一维映射；
-图4是与图3的观察系统等同的第一个观测系统的平坦示意性表示(在左边)，以及根据这样的观测系统导出的太阳能亮度的一维映射的平坦示意性表示；
-图5是第二观测系统的示意性视图，该第二观测系统被形成为进行根据东西方向以高度和根据南北方向以方位确定的太阳能亮度的二维映射；
-图6是与图5的观测系统等同的第二个观测系统的平坦示意性表示(在左边)，以及从这样的观测系统导出的太阳能亮度的二维映射的平坦示意性表示(在右边)；
-图7a是太阳能亮度的二维映射的四个列的示意性侧视图，其中方位角与不同的列相关联；
-图7b是太阳能亮度的一维或二维映射的四个条的示意性侧视图，其中仰角或倾斜角与不同的带相关联；
-图8是摄像机类型的第三观测系统的示意性视图；
-图9是由等同于图8的观测系统的第三观测系统执行的观测的示意性表示(在左上方处的图像)以及在几个图像处理步骤之后从这样的观测系统导出的太阳能亮度的二维映射的示意性表示(在左下方处)，以及从此二维映射导出的等同亮度值的一维映射的示意性表示(在右下方处)；
-图10是用于限定图11的制图模型的另一个第一观测系统的示意性视图；
-图11表示与图10的第一个观测系统相关联的五个制图模型(a)至(e)；
-图12表示与图8的第三个观测系统相关联的五个制图模型(a)至(e)；以及
-图13是用于实施根据本发明的控制方法的功能元件的功能图解的形式的表示。
具体实施方式
参考图2，一种能够绕旋转轴线A定向的单轴太阳能追踪器1，所述类型的单轴太阳能追踪器1包括由锚固到地面的一个或几个塔架构成的用于锚固到地面的固定结构11，例如通过打桩、螺钉连接、螺栓连接、压载或允许将固定结构11紧固并且稳定到地面的任何其他等同的手段。
太阳能追踪器1进一步包括可移动平台12，该可移动平台12绕旋转轴线A可旋转地安装在固定结构11上，且更具体地可旋转地安装在塔架的上端上。此平台12能够支撑至少一个太阳能收集器13，且特别是一个或几个光伏面板。
参考图2以及图7a和图7b，旋转轴线A是大体上水平的并且根据南-北方向的纵向轴线X指向。当太阳能追踪器1是水平的或平坦的(如图2中示出的)，其中其平台12水平放置时，平台12根据由纵向轴线X和东-西方面的横向轴线Y限定的水平平面、与竖直轴线Z正交地延伸。
在以下描述中，太阳能追踪器1的倾斜角(或平台12的倾斜角和太阳能收集器13的倾斜角)对应于在平面(Y，Z)内考虑的平台12的法线相对于竖直轴线Z的角。因此，当太阳能追踪器1是水平的或平坦的时(如图2、图7a和图7b中显示的)，此倾斜角是0度。
太阳能追踪器1还包括观测太阳能追踪器1上方的云覆盖(换句话说，用于观测太阳能追踪器1上方的天空)的观测系统2。此观测系统2可以与单个太阳能追踪器1相关联，或由于经济原因，可以与几个太阳能追踪器共享。
观测系统2是固定的，且可以相对于地面升起，例如通过安装在标杆20上。
太阳能追踪器1进一步包括致动系统(未显示在图2中并且具有图13中的附图标记3)，该致动系统确保使平台12绕旋转轴线A旋转。
此致动系统3包括例如(电动的、气动的或液压的)气缸类型的或电动马达(例如，旋转马达)类型的致动器。此致动系统3进一步包括用于将该致动器的输出处的移动(旋转马达的旋转移动或气缸的线性移动)传输到平台12的旋转移动的机械系统。作为一个非限制性实施例，此机械传输系统可以是可变形的-平行四边形系统、滑轮系统、小齿轮系统、链系统、带系统、离合器系统、传输轴系统、连杆系统等。
可以考虑的是，该致动器专用于太阳能追踪器1，或在几个太阳能追踪器之间共享。在该致动器被共享的情况下，不同的太阳能追踪器的平台12有利地在旋转时联接，以在共同致动器的作用下同步旋转。
参考图10，太阳能追踪器1还包括控制单元4(诸如，电子板)，该控制单元4被连接到观测系统2以接收其观测(或观测数据)并且该控制单元4还被连接到致动系统3以控制其操作且相应地控制平台12的旋转，换句话说，控制太阳能追踪器1的定向。
此控制单元4包括几个模块，即：
-制图模块40，其被设置成将由观测系统2执行的每个观测转化或转换成太阳能亮度的映射图5，此太阳能亮度的映射反应至少在不同的仰角(该仰角与倾斜角相当且对应于在水平平面(X，Y)和从观测系统2朝向天空中的观测点延伸的直线之间的太阳能追踪器1的绕旋转轴线A的角)下太阳能亮度的分布。
-比较器模块41，其将来自制图模块40的映射与存储在数据库44中的制图模型6比较，并且该比较器模块41将所述映射与已确定为在太阳能亮度分布方面最接近的制图模型6匹配，其中每个制图模型6与太阳能追踪器1的一个定向设定点值相关联；
-伺服控制模块42，其恢复来自比较器模块41的定向设定点值以及由太阳能追踪器1处的直接太阳能辐射的方向限定的直接倾斜角，此直接倾斜角由天文计算模块43导出，该天文计算模块43实时地计算太阳的位置，其中伺服控制模块42朝向致动系统3输出角设定点以控制太阳能追踪器1的平台12的定向的改变。
应该注意的是，此控制单元4专用于太阳能追踪器1，或在几个太阳能追踪器之间共享，且优选地在线性太阳能电站内布置成行(从北到南延伸)的几个太阳能追踪器之间共享。
在图3中显示的第一实施方案中，观测系统2a包括围绕平行于太阳能追踪器的旋转轴线A的轴线X定中心的半圆形弓形支撑件21a，此支撑件21a支撑光敏电池22。
这些光敏电池22沿着以几个称为仰角θi的角分布的几个条(示出在图4和图7b中)定位，所述仰角θi是在平面(Y，Z)中绕轴线X相对于竖直轴线Z测量的，参考系(X，Y，Z)被定中心在弓形支撑件21a的中心O上。因此，仰角θi将与太阳能追踪器1的倾斜角相匹配。在图3的实施例中，光敏电池22根据在+θ1、+θ2、+θ3、-θ1、-θ2和-θ3的仰角处的六个条分布；例如其中[θ1]＝30度、[θ2]＝60度、[θ3]＝90度。在图7b中还示出了这些仰角θi和这些条Bi。
在图5中显示的第二实施方案中，观测系统2b包括支撑光敏电池22的半球状圆顶形支撑件21b。
这些光敏电池22沿着根据几个称为仰角θi的角分布的几个条Bi(示出在图6和图7b中)定位，所述仰角θi是在平面(Y，Z)中绕轴线X相对于竖直轴线Z测量的，参考系(X，Y，Z)被定中心在整个圆顶21的中心O上。因此，仰角θi将与太阳能追踪器1的倾斜角匹配。在图5的实施例中，光敏电池22根据在0、+θ1、+θ2、+θ3、-θ1、-θ2和-θ3的仰角处的七个条分布；例如其中[θ1]＝30度、[θ2]＝60度、[θ3]＝90度。在图7b中还示出了这些仰角θi。
在此第二实施方案中，每个条Bi上存在一个或几个光敏电池22。在具有几个光敏电池22的条Bi的情况下，相同的条Bi的光敏电池22根据几个称为方位角Rj的角分布，所述方位角Rj是在平面(X，Z)中绕轴线Y相对于竖直轴线Z测量的，因此，除了根据不同的仰角θi处的条Bi分布之外，光敏电池22还根据不同的方位角Rj处的列Cj(示出在图6和图7a中)分布；这些方位角Rj被示出在图7a中。
在这两个实施方案中，观测系统2a、2b包括光敏电池22越多，且特别是观测系统2a、2b包括光敏电池22的条Bi越多，分辨率和角准确度就越好。
这些光敏电池22可以具有与光伏面板13相同的技术，以使得能够根据光伏面板13的有用波长范围来施加权重。优选地，这些光敏电池22将经历在先校准以获得更好的准确性。
因此，利用这样的第一观测系统2a或第二观测系统2b，通过恢复每个光敏电池22的亮度的测量并且通过知道不同的条Bi的仰角θi(或相关联的倾斜角)，且在适当的情况下通过知道不同的列Cj的方位角Rj，制图模块40将由第一观测系统2a或第二观测系统2b执行的观测转换为太阳能亮度的映射5a、5b，所述映射5a对于第一观测系统2a是一维的(参见在图4中示出的映射5a)或所述映射5b对于第二观测系统2b是二维的(参见在图6中示出的映射5b)。
参考图4，对于第一观测系统2a，一维映射5a形成包括根据平行于横向轴线Y的方向(换句话说根据东-西方向)分布或确定的并且分别与不同的仰角或倾斜角θi相关联的几个条50(i)(i是整数)的太阳能亮度映射，以使得每个条50(i)对应于太阳能追踪器1的一个倾斜角θi；回顾到，此仰角θi是绕南北轴线X测量的。
因此，一维映射5a包括NB个条50(i)(其中NB对应于光敏电池22的数目)，且(绝对的或相对的)太阳能亮度值Lum(i)对应于每个条50(i)。
在图4的顶部，第一观测系统2a的一个实施例被示意性地显示为平坦的，且包括根据与六个仰角(或倾斜角)相关联的六个条B1至B6分布的六个光敏电池22。具有六个条50(1)至50(6)的一维映射5a对应于此第一观测系统2a，且其中以相对的方式将太阳能亮度值表达为与在直接辐射观测期间可接近的太阳能亮度的最大值对应的最大太阳能亮度值的百分比。因此，100％的百分比对应于此最大太阳能亮度值。
参考图6，对于第二观测系统2b，二维映射5b形成一个太阳能亮度映射(或矩阵)，其包括：
-根据平行于横向轴线Y的第一方向(换句话说，根据东-西方向)分布的并且分别与不同的仰角或倾斜角θi相关联以使得每个条(i)对应于太阳能追踪器1的一个倾斜角θi的多个条50(i)(i是整数)(回顾到，此仰角θi是绕北-南轴线X测量的)；以及
-根据平行于轴线X的第二方向(换句话说，根据北-南方向)分布的并且分别与不同的方位角Rj相关联的几个列51(j)(j是整数)(回想到，此方位角Rj是绕东-西轴线Y测量的)。
因此，二维映射5b包括NT个盒(其中NT对应于光敏电池22的数目)，且(绝对的或相对的)太阳能亮度值Lum(i，j)对应于每个盒。
在图6的左边，第二观测系统2b的一个实施例被示意性地显示为平坦的，且包括根据与三个仰角(或倾斜角)相关联的三个条B1、B2、B3和根据与三个方位角相关联的三列C1、C2、C3分布的九个光敏电池22。具有三个条50(1)、50(2)、50(3)和三个列51(1)、51(2)、51(3)的二维映射5b对应于此第二观测系统2b，且其中以相对的方式将太阳能亮度值表达为最大太阳能亮度值的百分比。
在图8中显示的第三实施方案中，观测系统2c包括摄像机，特别是半球状摄像机，以从天空提取图像。
有利地，第三观测系统2c(以下称为摄像机)被形成为以对于太阳能收集器13的技术且特别是对于光伏面板的技术足够的光谱带拍摄图像。
参考图9，摄像机2c传送天空的原始图像IMB，该原始图像IMB后来被传送到制图模块40以将此原始图像IMB(或观测结果)转换成太阳能亮度的二维映射5。参考系(X，Y)与此二维原始图像IMB相关联，这些轴线X和Y已经在上文中被限定。
利用这样的摄像机2c，制图模块40实施从原始图像IMB开始直到映射5c为止的一系列图像处理步骤。
在第一步骤POND处，制图模块40实施应用在恢复的原始图像IMB(或视频信号)上的频率加权，以获得称为加权图像IMP的图像；此频率加权包括在观测上应用频率滤波器(这样的加权也可以被应用在由第一观测系统2a和第二观测系统2b执行的观测上)，该频率加权取决于观测系统2(不论是光敏电池22还是摄像机2c)的频率响应和光伏面板13的有用频带(或光谱响应)。
在第二步骤TRAIT处，制图模块40实施对加权图像IMP的处理，包括校正图像除去缺陷(噪声抑制处理、高光溢出处理、饱和处理......)，以获得称为经处理的图像IMT的图像。然后，制图模块40根据经处理的图像IMT实施对太阳能亮度分布的计算(不论是逐个像素，还是逐个区域，其中每个区域包括几个像素)，以生成二维初始映射CI，该二维初始映射CI形成根据分别与不同的仰角或倾斜角θ(i)相关联的几个条和根据分别与不同的方位角相关联的几个列分布的太阳能亮度的映射(或矩阵)；在图9中，以相对的方式将初始映射CI的太阳能亮度值表达为最大太阳能亮度值的百分比。
在第三步骤SENS处，映射模块40根据摄像机2的灵敏度的变化根据初始映射CI应用一个系数，以生成与上文所描述的二维映射5b类型相同的二维映射5c。事实上，由摄像机2传送的数据的幅度(或亮度)与太阳能辐射的值成比例地相关，以使得此系数根据摄像机2的灵敏度的变化考虑此比例性。
因此，映射模块40生成二维映射5c，该二维映射5C形成根据分别与不同的仰角或倾斜角θ1相关联的多个条50(i)和根据分别与不同的方位角Rj相关联的几个列51(j)分布的太阳能亮度的映射(或矩阵)。在图9的实施例中，映射5包括五个条50(1)、......、50(5)和七个列51(1)、......、51(7)，且以相对的方式将太阳能亮度值表达为最大太阳能亮度值的百分比。
映射5的分辨率(换句话说，条和列的数目)且因此角精确度取决于由映射模块40实施的图像处理的精细度且还取决于观测系统2的灵敏度和分辨率。对于具有光敏电池22的第一观测系统2a和第二观测系统2b，此灵敏度取决于光敏电池22的灵敏度，且此分辨率取决于光敏电池22的数目和分布。对于摄像机类型的第三观测系统2c，此灵敏度和此分辨率取决于摄像机的品质。
从这样的映射5a、5b、5c(不论它是从上文所描述的观测系统2a、2b、2c中的任一个导出的)开始，比较器模块41实施此映射5a、5b、5c与制图模型6的比较，以根据预定的匹配标准提取接近的或等同的制图模型6。
在第一观测系统2a的情况下，映射5a是一维的，相关联的制图模型6a也是一维的，且每个转化由根据分别与不同的仰角或倾斜角θi相关联的几个条的太阳能亮度分布反映的理论云覆盖模型。
参考图10和图11，利用包括以五个仰角θ1、θ2、θ3、θ4和θ5分布的5个光敏电池22的第一观测系统2a，显示了一维制图模型6a的几个相关联的实施例；这些制图模型6a以直方图的形式显示出(等同于图4的映射5a)，其中纵坐标是以相对的方式被表达为最大太阳能亮度值的百分比的太阳能亮度值，且其中横坐标是条50(i)(或仰角θi)。
由直方图11(a)显示的第一模型6a对应于零云覆盖模型，其中在直接倾斜角附近小于30度的角扇区内太阳能亮度至少等于最大值的80％。
在此直方图11(a)中，应该注意到的是：
-100％的相对太阳能亮度与条50(4)相关联，并且因此与仰角θ4相关联，
-对于其他条50(1)、50(2)、50(3)、50(5)，相对太阳能亮度低于10％。
此零云覆盖模型模拟几乎没有云的天空，其中直接辐射大体上位于仰角θ4处。
由直方图11(b)显示的第二模型6a对应于不规则云覆盖模型，其中在直接倾斜角附近小于30度的角扇区内太阳能亮度至少等于最大值的50％，且在另一个倾斜角附近小于30度的角扇区内至少等于最大值的20％。
在此直方图11(b)中，应该注意到的是：
-70％的相对太阳能亮度与条50(4)相关联，并且因此与仰角θ4相关联，
-30％的相对太阳能亮度与条50(2)相关联，并且因此与仰角θ2相关联，
-对于其他条50(1)、50(3)和50(5)，相对太阳能亮度低于10％。
此不规则云覆盖模型模拟具有单个云或以不规则方式分布的几个云的天空，其中直接辐射大体上位于仰角θ4处并且其中云的漫射辐射大体上位于仰角θ2处。
由直方图11(c)和11(d)显示的第三模型和第四模型6a各自对应于广泛云覆盖模型，其中在大于150度的角扇区内太阳能亮度具有一个低值和一个高值，其中该低值和该高值之间的差异低于该高值的50％，其中该高值低于最大值的50％，且其中该高值与偏离直接倾斜角至少20度的仰角相关联。
在直方图11(c)中，应该注意的是，在仰角θ3处该高值是45％，在仰角θ1和θ5处该低值是30％，而直接倾斜角大体上对应于仰角θ4。在直方图11(d)中，应该注意的是，在仰角θ3处该高值是20％，在仰角θ1和θ5处该低值是10％，而直接倾斜角大体上对应仰角θ4。
此广泛云覆盖模型模拟阴天的天空，其中在整个观测的天空部分上多云表面几乎均匀。直方图11(d)的模型模拟比在直方图11(c)的模型中更厚的云覆盖。
由直方图11(e)显示的第五模型6a对应于细小云覆盖模型，其中太阳能亮度在大于150度的角扇区内具有一个低值和一个高值，其中该低值和该高值之间的差异低于该高值的50％，且其中该高值与距直接倾斜角小于20度处的仰角相关联。
在直方图11(e)中，应该注意到的是，在大体上对应于直接倾斜角的仰角θ4处该高值是37％，且在距仰角θ4最远的仰角θ1处该低值是20％。
在第二观测系统2b和第三观测系统2c的情况下，映射5b、5c是二维的，相关联的制图模型6也是二维的，且每个转化由根据分别与不同的仰角或倾斜角θi相关联的几个条和根据分别与不同的方位角Rj相关联的几个列的太阳能亮度分布反映的理论云覆盖模型。
然而，可以考虑将一维制图模型6a用于第二观测系统2b的映射5b和第三观测系统2c的映射5c。出于此目的，制图模块40将不得不将二维映射5b、5c转换成等同的一维映射。
作为实施例，且参考图9，此转换包括：对于二维映射5c的每个条50(i)，根据在条50(i)中取得的所有亮度值L(i，j)计算等同亮度值Leq(i)。对于每个条50(i)，根据以下公式(参考图7a)，条50(i)的等同亮度值Leq(i)取决于在条50(i)中取得的亮度值L(i，j)且取决于不同的列51(j)的方位角Rj：
因此，获得反映与不同的条50(i)相关联的等同亮度值Leq(i)的分布的等同一维映射Ceq。后来，此等同的一维映射Ceq将与一维的制图模型6a进行比较。
参考图12，利用第三观测系统2c，显示了二维制图模型6c的几个相关联的实施例；这些制图模型6c以二维图像的形式示出。
由图像12(a)显示的第一模型6c对应于零云覆盖模型，就像直方图11(a)的模型6a一样，其中太阳SO是完全可见的而不存在任何云。由图像12(a)显示的第二模型6c对应于不规则云覆盖模型，就像直方图11(b)的模型6a一样，其中一些稀疏的云NU未完全隐藏太阳。由图像12(c)显示的第三模型6c对应于广泛云覆盖模型，就像直方图11(c)的模型6a一样，其中天空完全多云，其中云NU以均匀的方式分布并且隐藏太阳。由图像12(d)显示的第四模型6c对应于广泛云覆盖模型，就像直方图11(d)的模型6a一样，其中天空完全多云，其中云NU以均匀的方式分布并且隐藏太阳，这些云比图像12(c)的那些云更厚。由图像12(e)显示的第五模型6c对应于细小云覆盖模型，就像直方图11(e)的模型6a一样，其中天空完全多云，其中云NU以均匀的方式分布，但是其中太阳SO通过云NU的细小厚度仍然可见。
关于零云覆盖模型和不规则云覆盖模型(显示在直方图11(a)、11(b)以及图像12(a)和12(b)中)，相关联的定向设定点值是根据直接倾斜角的定向设定点值。
关于广泛云覆盖模型(显示在直方图11(c)、11(d)以及图像12(c)和12(d)中)，相关联的定向设定点值是根据称为最佳倾斜角的倾斜角的定向设定点值，所述最佳倾斜角对应于用于太阳能追踪器1的水平设定的零倾斜角。
关于细小云覆盖模型(显示在直方图11(e)和图像12(e)中)，相关联的定向设定点值是根据在直接倾斜角和零角(对应于太阳能追踪器1的水平设置)之间取得的预定的中间倾斜角的定向设定点值。
应该回顾的是，比较器模块41将来自制图模块40的映射与存储在数据库44中的制图模型6比较，并且将所述映射与已确定为在太阳能亮度分布方面最接近的制图模型6匹配。
为了进行此比较和此匹配，比较器模块41逐条(并且可能地逐列)比较太阳能亮度，且对于每个条相对于给定的公差保留太阳能亮度值中具有最大接近度的制图模型6。
后来，一旦制图模型6被保留，与保留的制图模型6相关联的定向设定点值就被发送到伺服控制模块42，此伺服控制模块42还恢复来自天文计算模块43的直接倾斜角。
然后，伺服控制模块42向致动系统3发送基于与保留的制图模型6相关联的定向设定点值确定的角设定点值，且该角设定点可以呈现直接倾斜角的值(在零云覆盖模型和不规则云覆盖模型的情况下)、零值(在广泛云覆盖模型的情况下)或零值和直接倾斜角的值之间的中间值(在细小云覆盖模型的情况下)。
应该注意的是，如果在一定的时间周期期间，数据库的制图模型6不与从观测导出的相继的映射5相匹配(因为映射5和制图模型6之间的太阳能亮度差异超过该公差)，则伺服控制模块42自动地切换到根据直接倾斜角的伺服控制。
应该注意的是，从根据与第一制图模型6相关联的第一定向设定点值的伺服控制的情形开始，仅当在一定的时间周期内仅第二制图模型6与从观测导出的相继的映射5匹配时，伺服控制模块42才切换到根据与第二制图模型6相关联的第二定向设定点值的伺服控制。换句话说，伺服控制模块42设定执行定向改变的时间延迟，以使得在伺服控制模块42遵循第二定向设定点值之前，第二制图模型6应与映射5匹配足够长。
此时间延迟的最小时间周期取决于时间、所述第一定向设定点值与所述第二定向设定点值之间的角偏差、在太阳能追踪器1的定向改变期间加载的太阳能追踪器1的机械构件的磨损速率以及修改太阳能追踪器的定向所必需的能量消耗。
当然，上文中提及的实施方式的实施例不是限制性的，且其他改进和细节可以被添加到根据本发明的太阳能追踪器，虽然如此，但是在不脱离本发明的范围的前提下，例如可以实现其他类型的固定结构或平台。

Claims (18)

1.一种用于控制能够绕旋转轴线(A)定向的单轴太阳能追踪器(1)的定向的方法，所述方法重复地完成相继的控制阶段，其中每个控制阶段实施以下相继的步骤：
a)观测所述太阳能追踪器(1)上方的云覆盖；
b)将观测到的云覆盖(5)与存储在数据库(44)中的云覆盖模型(6)比较，每个云覆盖模型(6)与所述太阳能追踪器(1)的一个定向设定点值相关联；
c)将观测到的云覆盖(5)与一个云覆盖模型(6)匹配；
d)通过应用与在步骤c)期间保留的所述云覆盖模型(6)相关联的定向设定点值来伺服控制所述太阳能追踪器(1)的定向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每个云覆盖模型(6)与一个取决于所述模型的云层的构成的定向设定点值相关联，所述构成取决于以下参数中的至少一个：云的数目、云的覆盖表面、云的厚度、云的位置、云的类型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中对于每个云覆盖模型(6)，根据以下参数中的至少一个来预定对应的定向设定点值：在所述太阳能追踪器(1)的定向改变期间加载的所述太阳能追踪器(1)的机械构件的磨损速率、修改所述太阳能追踪器(1)的定向所必需的能量消耗以及在定向改变期间所述太阳能追踪器(1)的移位速度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述云覆盖模型(6)包括：
-至少一个称为零云覆盖模型的模型，所述零云覆盖模型与一个根据由太阳的位置的天文计算确定的称为直接倾斜角的倾斜角的定向设定点值相关联；
-至少一个称为广泛云覆盖模型的模型，所述广泛云覆盖模型与一个根据称为最佳倾斜角的倾斜角的定向设定点值相关联，所述最佳倾斜角不与所述直接倾斜角一致。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述最佳倾斜角对应于一个与所述太阳能追踪器的水平设定相关联的角。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述云覆盖模型(6)包括至少一个称为细小云覆盖模型的模型，所述细小云覆盖模型与根据在所述直接倾斜角和对应于所述太阳能追踪器的水平设定的角之间的预定中间角的定向设定点相关联。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中所述云覆盖模型(6)包括至少一个称为不规则云覆盖模型的模型，所述不规则云覆盖模型与根据所述直接倾斜角的定向设定点值相关联。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤a)期间，根据不同的仰角(θi)将云覆盖的观测转化为太阳能亮度的映射(5)，且在步骤b)期间，所述云覆盖模型由制图模型(6)构成，且所述比较是基于所述映射上的太阳能亮度分布与不同的制图模型(6)中的太阳能亮度分布之间的比较。
9.根据权利要求4和8所述的方法，其中考虑对应于在直接辐射观测期间可接近的太阳能亮度的最大值的最大太阳能亮度值：
-所述零云覆盖模型对应于一个制图模型，其中在所述直接倾斜角附近低于30度的角扇区内太阳能亮度至少等于最大值的80％；以及
-所述广泛云覆盖模型对应于一个制图模型，其中在大于150度的角扇区内，太阳能亮度具有一个低值和一个高值，其中在所述低值和所述高值之间的差值低于所述高值的50％，其中所述高值低于最大值的50％且其中所述高值与偏离直接倾斜角至少20度的仰角相关联。
10.根据权利要求6和9所述的方法，其中所述细小云覆盖模型对应于一个制图模型，其中在大于150度的角扇区内，太阳能亮度具有低值和高值，其中所述低值和所述高于高值之间的差值低于所述高值的50％且其中所述高值与位于距所述直接倾斜角小于20度处的仰角相关联。
11.根据权利要求7和9所述的方法，其中所述不规则云覆盖模型对应于一个制图模型，其中在所述直接倾斜角附近小于30度的角扇区内太阳能亮度至少等于最大值的50％，并且在另一个倾斜角附近小于30度的角扇区内至少等于最大值的20％。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中根据以下方法中的任何一种来进行所述云覆盖的观测：
-借助于图像拍摄设备诸如摄像机从地面拍摄的天空图像；
-借助于一组的几个光敏电池测量从地面测量太阳能亮度；
-根据所述太阳能追踪器(1)上方的天空恢复卫星图像。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤a)期间，实施在所述观测应用频率加权的步骤，所述频率加权取决于所述观测的频率响应和太阳能收集器的有用频带。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，考虑到所述方法在第一系列几个相继的控制阶段上根据与第一云覆盖模型相关联的第一定向设定点值实施伺服控制，且考虑到继所述第一系列之后，下一个控制阶段在其步骤c)期间保留与第二定向设定点值相关的第二云覆盖模型，因此仅在所述第一系列之后是包括预定数目的全都在其相应的步骤c)期间保留所述第二云覆盖模型的相继的控制阶段的第二系列时，所述方法切换到根据所述第二定向设定点值的伺服控制。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，如果所述第一序列之后不是包括预定数目的全都保留所述第二云覆盖模型的相继的控制阶段的第二序列，因此所述方法维持根据所述第一定向设定点值的伺服控制或切换到根据直接倾斜角的伺服控制。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述第二系列的预定数目的相继的控制阶段取决于以下参数中的至少一个：时间、所述第一定向设定点值与所述第二定向设定点值之间的角偏差、在所述太阳能追踪器(1)的定向改变期间加载的所述太阳能追踪器(1)的机械构件的磨损速率，以及修改所述太阳能追踪器的定向所必需的能量消耗。
17.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中如果在包括预定数目的相继的控制阶段的系列期间，其中在每个控制阶段期间，所述数据库的云覆盖模型不与观测到的云覆盖匹配，因此所述方法切换到根据直接倾斜角的伺服控制。
18.一种能够绕旋转轴线(A)定向的单轴太阳能追踪器(1)，所述类型的单轴太阳能追踪器(1)包括用于锚固到地面的固定结构(11)和能够支撑至少一个太阳能收集器(13)的平台(12)，所述平台(12)是通过致动系统(3)绕所述旋转轴线(A)在所述固定结构(11)上可旋转地可致动的，所述太阳能追踪器(1)的特征在于，它进一步包括：
-用于观测太阳能追踪器(1)上方的云覆盖的系统(2)，
-存储云覆盖模型(6)的数据库(44)，每个云覆盖模型(6)与一个用于太阳能追踪器(1)的定向设定点值相关联，以及
-控制单元(4)，其被连接到所述观测系统(2)以将它的观测数据接收到所述数据库(44)且被连接到所述致动系统(3)以控制所述平台(12)的旋转，其中所述控制单元(4)被配置为实施根据前述权利要求中任一项所述的控制方法的步骤b)至步骤d)。
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