CN107947687B - 一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置及其光伏板调节方法 - Google Patents

一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置及其光伏板调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置，包括：基座，其内部安装发电机；垂直轴，其安装在基座上，垂直轴依次穿过下连接架和上连接架，并且与上连接架和下连接架转动连接，垂直轴的顶端还固定设置有支撑座；叶片，其固定安转在上连接架和下连接架之间，并且与垂直轴平行；支撑轴，其通过支撑座上的圆形通孔安装在垂直轴的顶端；太阳能光伏板，其固定拼接成具有抛物面形，并且通过支撑轴上的支架与支撑轴固定连接；驱动电机，其与支撑轴电联，能够用于使支撑轴旋转；角度传感器，与支撑轴电联，能够用于监测支撑轴的旋转角度；光伏板控制器，其同时电联角度传感器和驱动电机；风电互补控制器，其同时电联发电机和太阳能光伏板。本发明公开了一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置的光伏板节方法。

Description

一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置及其光伏板调 节方法
技术领域
本发明涉及风电互补发电系统应用领域，具体涉及一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置及其光伏板调节方法。
背景技术
能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，也带来了严重的环境污染和生态系统破坏。近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏。各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。
风光互补，是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机(将交流电转化为直流电)将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电，风光互补发电系统利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。
最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长；太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。
在现有技术中，风光互补发电系统中的太阳能光伏板大多是固定不动的，利用白天太阳光的照射来发电，由于地球自转，太阳光线随时都在变化，固定的太阳能光伏板接收的光线不能达到最大化，使得很多能量不能利用；同时，现有技术中，尽管有能简单调节位置的太阳能光伏板，但是随着太阳光线转动或者定时转动，由于不能随着储能装置的电量以及太阳光线等及时调节，也同样造成了太阳能光伏板接收的光线不能达到最大化，使风光互补发电系统中的能量不能最大化利用的问题。
发明内容
本发明设计开发了一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置，本发明的发明目的是通过太阳能光伏板的合理布局，提高太阳能光伏板的光线利用率以及风光互补系统的发电功率。
本发明设计开发了一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置的调节方法，本发明的发明目的是解决太阳能光伏板的转动角度有效调节，使其达到良好的运行状态，提高太阳能光伏板对光线的接收率。
本发明提供的技术方案为：
一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置，包括：
基座，其内部安装发电机；
垂直轴，其安装在所述基座上，所述垂直轴依次穿过下连接架和上连接架，并且与所述上连接架和所述下连接架转动连接，所述垂直轴的顶端还固定设置有支撑座；
叶片，其固定安转在所述上连接架和所述下连接架之间，并且与所述垂直轴平行；
支撑轴，其通过所述支撑座上的圆形通孔安装在所述垂直轴的顶端；
太阳能光伏板，其固定拼接成具有抛物面形，并且通过所述支撑轴上的支架与所述支撑轴固定连接；
驱动电机，其与所述支撑轴电联，能够用于使所述支撑轴旋转；
角度传感器，与所述支撑轴电联，能够用于监测所述支撑轴的旋转角度；
光伏板控制器，其同时电联所述角度传感器和所述驱动电机；
风电互补控制器，其同时电联所述发电机和太阳能光伏板。
优选的是，所述叶片的数量设置不少于3个。
优选的是，还包括：负载储能装置，其同时电联所述光伏板控制器和所述风电互补控制器。
优选的是，所述负载储能装置为多个电池单体串联而成的铅酸电池组。
优选的是，还包括：
底座，其上固定安装所述基座；
支撑架，其套设在所述垂直轴上，设置在所述上连接架的上方；
牵引绳，其一端固定在所述支撑架上，另一端固定在所述底座上。
优选的是，所述叶片的表面涂有防水膜。
一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置的光伏板调节方法，使用如所述的发电装置，包括如下步骤：
步骤一、采集所述发电机的输出功率和所述负载储能装置的负载电量；
步骤二、通过所述风电互补控制器判断所述负载储能装置与所述太阳能光伏板断电或者通电；
步骤三、当所述负载储能装置与所述太阳能光伏板通电时，通过采集光照入射角对所述太阳能光伏板进行旋转角度调节；
其中，在所述步骤三中，采用模糊控制输出旋转角度对支撑轴进行调控进而对所述太阳能光伏板的旋转角度进行调节，包括如下步骤：
分别将光照入射角、光照入射角变化率以及旋转角度转换为模糊论域中的量化等级；
将光照入射角输入模糊控制模型，分为5个等级，将光照入射角变化率输入模糊控制模型，分为7个等级；
模糊控制模型输出为所述旋转角度，分为7个等级；
其中，所述光照入射角的论域为[0，45]，所述光照入射角变化率的论域为[-1，1]，所述旋转角度的论域为[-30，30]，设量化因子都为1。
优选的是，所述光照入射角的模糊集为{S，SM，M，MB，B}，所述光照入射角变化率的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，所述旋转角度的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；隶属函数均选用三角函数。
优选的是，在所述步骤二中，所述风电互补控制器采用模糊控制输出断电概率进而判断所述太阳能光伏板与所述负载储能装置是否断电，包括如下步骤：
分别将输出功率变化率、负载电量变化率以及所述断电概率转换为模糊论域中的量化等级；
将输出功率变化率以及负载电量变化率输入模糊控制模型，均分为7个等级；
模糊控制模型输出为所述断电概率，分为5个等级；
根据所述断电概率判断所述太阳能光伏板与所述负载储能装置是否断电；
其中，所述输出功率变化率的论域为[-1，1]，所述负载电量变化率的论域为[-1，1]，所述断电概率的论域为[0，1]，设量化因子都为1，设定断电概率的阈值为0.49～0.57中的一个值。
优选的是，所述输出功率变化率的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，所述负载电量变化率的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，所述断电概率的模糊集为{S，SM，M，MB，B}；隶属函数均选用三角函数。
本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：
1、本发明采用抛物线面的太阳能光伏板能够对太阳光进行聚光作用，使太阳光在太阳能光伏板内部形成多次反射，提高太阳能光伏板光线的利用率，进而提高太阳能的利用率；
2、本发明通过建立模糊控制的判断方法，风电互补控制器通过负载储能装置的负载电量和发电机的输出功率对太阳能光伏板与负载储能装置的通电与断电进行判断，进而优化储能结构体系，达到能量的最大利用；
3、对支撑轴的旋转角度进行调控，进而带动太阳能光伏板进行调控，使其达到最佳的运行状态，从而提高太阳光利用率，通过建立模糊控制模型，使太阳能光伏板能够根据光入射角度进行及时转动调节，使太阳能光伏板接收的光线最大化，进而也达到能量的最大利用。
附图说明
图1为本发明所述的前侧立体结构示意图。
图2为本发明所述的后侧立体结构示意图。
图3为本发明所述的剖视图。
图4为本发明所述的调节方法的流程图。
图5为光照入射角的隶属函数。
图6为光照入射角变化率的隶属函数。
图7为支撑轴的调整角度的隶属函数。
图8为输出功率变化率的隶属函数。
图9为负载电量变化率的隶属函数。
图10为断电概率的隶属函数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1～3所示，本发明提供了一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置，其主体结构包括基座150、垂直轴121、叶片120、支撑轴111、太阳能光伏板110、驱动电机、角度传感器、光伏板控制器和风电互补控制器；其中，基座150的内部安装有风力发电机151，垂直轴121穿过基座150的上壳体，垂直轴121与风力发电机151的电机轴连接为一体，垂直轴121依次穿过下连接架132和上连接架131，并且与上连接架131和下连接架132转动连接，垂直轴121的顶端还固定设置有支撑座134，叶片120固定安转在上连接架131和下连接架132之间，并且与垂直轴121平行，支撑轴111通过支撑座134上的支架和圆形通孔安装在垂直轴121的顶端，太阳能光伏板110固定拼接成具有抛物面形，并且通过支撑轴111上的支架与支撑轴111固定连接，驱动电机与支撑轴111电联，能够用于使支撑轴111旋转，角度传感器与所述支撑轴111电联，能够用于监测支撑轴111的旋转角度，光伏板控制器同时电联角度传感器和驱动电机，风电互补控制器同时电联风力发电机151和太阳能光伏板110。
在另一种实施例中，叶片120的表面涂有防水膜，并且叶片120的数量设置不少于3个；作为一种优选，在本发明中，叶片数量设置为3个。
在另一种实施例中，还包括：负载储能装置，其同时电联太阳能光伏板、风力发电机、风电互补控制器和光伏板控制器，通过负载储能装置电联逆变器，将电能输出；作为一种优选，负载储能装置为多个电池单体串联而成的铅酸蓄电池组。
在另一种实施例中，本发明还包括底座160、支撑架130和牵引绳140；其中，在底座160上通过螺栓和螺母固定基座150，支撑架130套设在垂直轴121上，并且设置在上连接架131的上方，垂直轴121能够相对支撑架130转动，牵引绳140的一端固定在支撑架130上，另一端固定底座160上，通过牵引绳140的设置使发电装置安装更加稳固，同时固定底座160时使支撑轴111的初始安装方向沿东西方向安装。
在另一种实施例中，支撑座134上的支架和圆形通孔通过焊接固定。
如图4所示，本发明还提供了一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置的光伏板调节方法，包括如下步骤：
步骤一、采集风力发电机的输出功率和负载储能装置的负载电量；
步骤二、通过风电互补控制器判断负载储能装置与太阳能光伏板通电或者断电，进而判断是否通过太阳能光伏板与风力发电机共同进行电能输出，当负载储能装置与太阳能光伏板通电时，则通过太阳能光伏板和风力发电机同时为负载储能装置充电，当负载储能装置与太阳能光伏板断电时，则通过风力发电机单独为负载储能装置充电；
步骤三、当负载储能装置与太阳能光伏板通电时，通过太阳能光伏板和风力发电机同时为负载储能装置充电，通过采集光照入射角对太阳能光伏板的旋转角度进行调节；
在步骤三中，如果负载储能装置与太阳能光伏板通电，通过太阳能光伏板和风力发电机同时为负载储能装置充电，采集光照入射角λ数据，采用模糊控制计算支撑轴的旋转角度进而对太阳能光伏板进行角度调整，包括如下步骤：模糊控制器的输入是光照入射角λ和光照入射角变化率Eλ，输出是调整角度θ；光照入射角λ的变化范围为[0，45]，光照入射角变化率Eλ的变化范围为[-1，1]，设定量化因子都为1，因此其论域分别为[0，45]和[-1，1]；调整角度θ的模糊论域为[-30，30]，为了保证控制的精度，使其在各种工况下都能很好地进行控制，根据反复试验，最终将光照入射角λ分为5个等级，模糊集为{S，SM，M，MB，B}，S表示小，SM表示较小，M表示中等，MB表示较大，B表示大；将光照入射角变化率Eλ分为7个等级，模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中等，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中等，PB表示正大；输出的调整角度分为7个等级，分别为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中等，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中等，PB表示正大；隶属函数均选用三角形隶属函数，如图5、6、7所示。
模糊控制规则选取经验为：当光照入射角λ为较大或大且光照入射角变化率Eλ为正时，则支撑轴的旋转角度为向正北方向转动；当光照入射角λ为较小或小且光照入射角变化率Eλ为负时，则支撑轴的旋转角度为向正南方向转动；根据光照入射角或光照入射角变化率对支撑轴的旋转角度进行调整，具体的模糊控制规则表1所示。
表1模糊控制规则
在另一种实施例中，在步骤二中，采集风力发电机的输出功率和负载储能装置的负载电量，风电互补控制器采用模糊控制输出断电概率进而判断太阳能光伏板与负载储能装置通电或者断电，包括如下步骤：分别将输出功率变化率EP、负载电量变化率EQ以及断电概率转换为模糊论域中的量化等级；将输出功率变化率EP以及负载电量变化率EQ输入模糊控制模型，模糊控制模型输出为断电概率，进而进行数据是否输出的预测，断电概率的阈值为0.49～0.57中的一个值，如果断电概率达到设定阈值，则表明断电概率数据可输出，判断负载储能装置与太阳能光伏板断电，则通过风力发电机单独为负载储能装置充电，如果断电概率未达到设定阈值，则负载储能装置与太阳能光伏板通电，则通过风力发电机和太阳能光伏板同时为负载储能装置充电；在本实施例中，为了保证控制的精度，使其在不同的环境下都能够很好地进行控制，根据反复试验，将阈值确定为0.53。
输出功率变化率EP的变化范围为[-1，1]，负载电量变化率EQ的变化范围为[-1，1]，设定量化因子都为1，因此，输出功率变化率EP以及负载电量变化率EQ的论域分别为[-1，1]和[-1，1]，断电概率的论域为[0，1]；为了保证控制的精度，使其在不同的环境下都能够很好地进行控制，根据反复试验，最终将输出功率变化率EP的变化范围分为7个等级，模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中等，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中等，PB表示正大；负载电量变化率EQ的变化范围分为7个等级，模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中等，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中等，PB表示正大；输出的断电概率分为5个等级，模糊集为{S，SM，M，MB，B}，S表示小，SM表示较小，M表示中等，MB表示较大，B表示大；隶属函数均选用三角形隶属函数，如图8、9、10所示。
模糊控制模型的控制规则选取经验为：
如果输出功率变化率EP为正大或者正中等，负载电量变化率EQ为正大或正中等，则断电概率为大，即数据可输出，此时，判断负载储能装置与太阳能光伏板断电，则通过风力发电机单独为负载储能装置充电；
如果输出功率变化率EP为负大、负中等或者负小，负载电量变化率EQ为负大或负中等，则断电概率为小，即数据不可输出，此时，判断负载储能装置与太阳能光伏板通电，则通过风力发电机和太阳能光伏板同时为负载储能装置充电；
也就是说，如果通电概率为“小或较小”，则数据不可输出，此时，判断负载储能装置与太阳能光伏板通电，则通过风力发电机和太阳能光伏板同时为负载储能装置充电；如果通电概率为“大或较大”，则数据可输出，此时，判断负载储能装置与太阳能光伏板断电，则通过风力发电机单独为负载储能装置充电；如果通电概率为“中等”，则断电概率为阈值，此种情况，如果输出功率变化率EP或者负载电量变化率EQ稍有变化，则必然会形成断电或通电这两种情况的切换；具体的模糊控制规则如表2所示。
表2模糊控制规则
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置的光伏板调节方法，其特征在于，使用一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置，包括：
基座，其内部安装发电机；
垂直轴，其安装在所述基座上，所述垂直轴依次穿过下连接架和上连接架，并且与所述上连接架和所述下连接架转动连接，所述垂直轴的顶端还固定设置有支撑座；
叶片，其固定安转在所述上连接架和所述下连接架之间，并且与所述垂直轴平行；
支撑轴，其通过所述支撑座上的圆形通孔安装在所述垂直轴的顶端；
太阳能光伏板，其固定拼接成具有抛物面形，并且通过所述支撑轴上的支架与所述支撑轴固定连接；
驱动电机，其与所述支撑轴电联，能够用于使所述支撑轴旋转；
角度传感器，与所述支撑轴电联，能够用于监测所述支撑轴的旋转角度；
光伏板控制器，其同时电联所述角度传感器和所述驱动电机；
风电互补控制器，其同时电联所述发电机和太阳能光伏板；
所述叶片的数量设置不少于3个；
还包括：负载储能装置，其同时电联所述光伏板控制器和所述风电互补控制器；
所述负载储能装置为多个电池单体串联而成的铅酸电池组；
还包括：
底座，其上固定安装所述基座；
支撑架，其套设在所述垂直轴上，设置在所述上连接架的上方；
牵引绳，其一端固定在所述支撑架上，另一端固定在所述底座上；
所述叶片的表面涂有防水膜；
包括如下步骤：
步骤一、采集所述发电机的输出功率和所述负载储能装置的负载电量；
步骤二、通过所述风电互补控制器判断所述负载储能装置与所述太阳能光伏板断电或者通电；
步骤三、当所述负载储能装置与所述太阳能光伏板通电时，通过采集光照入射角对所述太阳能光伏板进行旋转角度调节；
其中，在所述步骤三中，采用模糊控制输出旋转角度对支撑轴进行调控进而对所述太阳能光伏板的旋转角度进行调节，包括如下步骤：
分别将光照入射角、光照入射角变化率以及旋转角度转换为模糊论域中的量化等级；
将光照入射角输入模糊控制模型，分为5个等级，将光照入射角变化率输入模糊控制模型，分为7个等级；
模糊控制模型输出为所述旋转角度，分为7个等级；
其中，所述光照入射角的论域为[0，45]，所述光照入射角变化率的论域为[-1，1]，所述旋转角度的论域为[-30，30]，设量化因子都为1。
2.如权利要求1所述的基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置的光伏板调节方法，其特征在于，所述光照入射角的模糊集为{S，SM，M，MB，B}，所述光照入射角变化率的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，所述旋转角度的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；隶属函数均选用三角函数。
3.如权利要求2所述的基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置的光伏板调节方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述风电互补控制器采用模糊控制输出断电概率进而判断所述太阳能光伏板与所述负载储能装置是否断电，包括如下步骤：
分别将输出功率变化率、负载电量变化率以及所述断电概率转换为模糊论域中的量化等级；
将输出功率变化率以及负载电量变化率输入模糊控制模型，均分为7个等级；
模糊控制模型输出为所述断电概率，分为5个等级；
根据所述断电概率判断所述太阳能光伏板与所述负载储能装置是否断电；
其中，所述输出功率变化率的论域为[-1，1]，所述负载电量变化率的论域为[-1，1]，所述断电概率的论域为[0，1]，设量化因子都为1，设定断电概率的阈值为0.49～0.57中的一个值。
4.如权利要求3所述的基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置的光伏板调节方法，所述输出功率变化率的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，所述负载电量变化率的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，所述断电概率的模糊集为{S，SM，M，MB，B}；隶属函数均选用三角函数。
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