CN108011574A - 双面太阳能电池跟踪支架的面板结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用在跟踪支架的加入反射器结构的双面太阳能电池支架面板的设计方法，本发明基于双面电池正反两面都可发电的性能，以及光学原理，提供了一种双面太阳能电池跟踪支架的面板结构设计方法。包括：（1）分析所设计支架面板大体结构以及当地经纬度、日照和气候情况；（2）确定双面电池尺寸数据，以及与支架面板框架之间的距离，设计双面电池左右两旁两个反射器的初始尺寸和倾斜角度；（3）考虑到太阳直射光线与双面电池的夹角变化，为两个反射器设计一定的尺寸裕度，最后确定整个支架面板的尺寸数据。电池接收的辐射量。本发明可以灵活地根据当地环境、双面电池的尺寸等设计出支架面板整体结构，能显著提高双面电池接收的辐射量。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能跟踪支架的面板结构设计技术领域，尤其涉及一种加入反射器结构的双面太阳能电池支架面板结构设计方法。
背景技术
由于双面太阳能电池正反两面都可发电，且反面发电性能仅稍弱与正面，双面太阳能电池的应用越来越广泛。但是一般双面电池多应用于固定式支架，或水平放置，或按一定倾角放置，或垂直放置。水平或者按一定倾角放置下的双面电池不能较好地发挥出其正反两面都可发电的特性，垂直放置下的双面电池虽有效利用了双面电池正反两面发电特性，但是舍弃了正午太阳光最强时段的辐射能量。
也有部分安装方式尝试在双面电池下方安装平面反射器或者弧面反射器，以提高双面电池反面的辐射量，但由于双面电池是固定安装，必然损失一部分不少的太阳辐射量，且由于太阳光线角度的变化，固定不动的反射器通过反射作用为双面电池反面提供的辐射量增益也有限。
发明内容
针对目前双面电池在实际应用中存在的问题，本发明基于双面电池正反两面都可发电的性能，以及光学原理，提供了一种适用于双面电池跟踪支架的面板结构设计方法。能让跟踪支架上的双面电池在追踪太阳方位变化，使双面电池正面获得大量太阳辐射量的同时其反面接收的辐射量得到大量提高。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种双面太阳能电池跟踪支架的面板结构设计方法，包括步骤：
步骤1，分析说明本设计支架面板大体结构，解释各部分主要作用，以及应用到的原理知识；
步骤2，分析本设计应用地区的经纬度、日照和气候情况，确定本设计的跟踪支架面板是否适合当地环境情况；
步骤3，确定双面电池与支架面板之间的距离，根据光学原理，分析和设计双面电池左右两旁两个反射器的初始尺寸和倾斜角度；
步骤4，分析双面电池应用在跟踪支架上时，太阳直射光线与双面电池所在平面的夹角变化范围。并根据此，为给两个反射器设计一定的尺寸裕度，以提高双面电池反面接收的辐射量；
步骤5，最后确定整个支架面板的尺寸数据。
所述步骤1包括以下内容：
在支架面板框架上，将双面电池抬高高度h，用4根支撑支柱固定，在其两边各安装一块有一定倾角的镜子作为反射器，倾角范围在0-90°，左右反射器的作用就是将照射在其表面的直射光线通过反射作用，改变其传播方向，使之最终直接照射在双面电池的背面；双面电池抬高，既有利于空气流通，帮助电池组件散热，也有利于帮助电池背面更加容易接收周围环境的反射光和漫射光。
所述步骤2包括以下过程：
支架面板加入了带有倾斜角度的反射器结构，将会降低其抗风载能力，因此本设计在应用时需考虑当地气候情况；若应用在单轴跟踪支架上，发射器的倾斜角度根据当地纬度来确定，通常情况下在当地纬度的±10°区间内。
所述步骤3包括以下过程：
理想状态下，光线垂直入射双面电池，此时左右两边反射器上光线传播情况对称，左右两边的入射光线经过反射作用均匀照射在双面电池反面；太阳光线垂直入射双面电池正面时，其在反射镜面上的入射角为Q，此时Q＝q；反射器初始长度即为K，双面电池的宽度为L1，设反射器初始宽度为若已知h，根据公式(1)和(2),计算出反射器倾角q和初始宽度则：
如此，可使照在反射镜面上的光线全部均匀的照射在电池板背面上；此时双面电池背面直射光照与正面直射光照强度的比值p为：
其中，P1为反射器表面的反射率。
所述步骤4包括以下过程：
将入射光线分解为在两个正交平面K1、K2上的投影，当入射光线发生偏移时，跟踪支架不能精准追踪，其分解在两个相交平面K1、K2上的投影也会有一定的偏移角度；设光线在K1、K2平面上投影与双面电池所在平面法向量的夹角分别为Δq1、Δq2，此时左右两边反射器上光线传播情况就不再对称；
Δq1、Δq2大小与太阳位置和支架面板的位置有关，太阳位置和支架面板的位置分解为高度角和方位角；太阳的方位角和高度角可以由当地经纬度、日期和时间计算出来；在地平面坐标系中，再根据空间向量运算公式，计算出Δq1、Δq2的大小；
若已知q、Δq1、L1、h，由几何关系变换，可知左侧倾斜反射器上光线的入射角Q1，以及左侧反射器上有效光照区域高度最高的边界H与反射器高度最低的宽J之间的距离为LHJ为：
Q1＝q-Δq1 (4)
由几何关系变换，可知右侧倾斜反射器上光线的入射角Q2，以及右侧反射器上有效光照区域高度最高的边界E与反射器高度最低的宽A之间的距离为LAE为：
Q2＝q+Δq1 (6)
取LAE、LHJ、中最长的值，即为包涵了裕量的反射器宽度；左、右反射器有一样裕量的宽度；
已知Δq2，设直线L与支架面板所在平面的距离为hx，由几何关系变换，可知左边反射器需增加的长度LUN为：
LUN＝(h-hx)·tanΔq2 (8)
考虑边界情况，令hx依次取左侧反射器上有效光照区域的上下边界H、I以及右侧反射器上有效光照区域的上下边界D、E相对于支架面板框架所在平面的高度，并依次代入公式(8)，取其中最大的LUN，作为反射器长度的裕量；左、右反射器都需增加长度LUN。
所述步骤5包括以下过程：
确定支架面板结构和反射器初始尺寸和裕度后，根据此来确定整个支架面板的尺寸数据：
双面电池长宽分别为：L1、K；
双面电池与支架面板框架之间的距离为：h；
反射器长、宽和倾角分别为：K+2LUN、q；
支架面板框架长宽分别为：L2＝L1+2L3cosq、K。
一种基于上述方法的双面太阳能电池跟踪支架的面板，包括支架面板框架、反射器、支撑支柱、双面电池；双面电池通过4根高度为h的支撑支柱固定在支架面板框架上，在固定双面电池的支撑支柱两侧各设置一块镜子作为反射器，镜子固定在支架面板框架上，反射器与支架面板框架形成角度范围在0-90°的倾角。
和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
1、将双面电池应用在跟踪支架中，包括单轴和双轴支架，不再局限于固定式安装，可以大大提高双面电池正面接收的太阳辐射量。
2、本发明可以灵活地根据当地环境、双面电池的尺寸等设计出支架面板整体结构，能显著提高双面电池接收的辐射量。
3、在传统跟踪支架面板的基础上将双面电池抬高一定高度，并在其左右两边设计有一定倾角的反射器。反射器会将直射光线反射在双面电池的反面，可以大大提高双面电池反面接收的太阳辐射量。
4、本设计方法适用于矩形双面太阳能电池，能根据其长和宽，以及与支架面板之间的距离确定左右两边反射器的倾斜角度和初始尺寸。考虑到跟踪支架转动过程中太阳直射光线与双面电池所在平面的夹角变化，在初始尺寸的基础上加上一定裕度确定反射器最终尺寸，能够尽可能多的提高双面电池反面接收的太阳辐射量。
5、提出的设计方案成本低，对双面电池接收的太阳辐射量增益效果良好，能充分利用双面电池的正反两面均可发电的特性，大大提高其发电量。且设计的支架面板结构简单可靠、生产施工难度小，在实际应用中可以被广泛采用。
附图说明
图1为支架面板框架水平放置时的结构示意图，图中，L1和L2分别为双面电池和支架面板框架的宽，K表示双面电池和支架面板框架的长，支架面板框架与双面电池之间的距离为h；
图2为支架框架纵切面示意图，Q为光线入射角，q为反射器倾角，为反射器初始宽度；
图3为入射光线所投影的平面K1、K2示意图；
图4为入射光线在平面K1上投影的传播途径示意图，图中，Δq1为入射光线在K1平面上投影的偏移角度；H、I、J、A、D、E、B、C、M均为反射器或双面电池表面上的线段，其与双面电池的长K平行，且长度相等；左侧两平行线段H→I区域内的光线经反射可以照在双面电池背面形成光照区域BM(即两平行线段B→M之间的区域)，其中H、I为上下边界；右侧两平行线段D→E区域内的光线经反射可以照在双面电池背面形成光照区域BC(即两平行线段B→C之间的区域)，正好覆盖住双面电池背面，其中E、D为上下边界；
图5为入射光线在平面K2上投影的传播途径示意图，图中，K为双面电池长度，Δq2为入射光线在K2平面上投影的偏移角度；S、T为双面电池两条边，与双面电池的宽L1等价；直线L为平面K2与反射器斜面的交线，L与支架面板框架所在的平面平行；N、Y可视为双面电池的两条边S、T在反射器斜面上的投影与直线L的交点；U、V为直线L上的点，直线L上U→V区域内的光线经反射在双面电池背面形成光照线段的长度与双面电池的长K相等；直线L与支架面板所在平面的距离设为hx。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式进一步说明本发明技术方案。
本发明方法包括步骤：
步骤1，分析说明本设计支架面板大体结构，解释各部分主要作用，以及应用到的原理知识。
如图1所示，在支架面板框架上，将双面电池抬高高度h，用4根支撑支柱固定，在其两边各安装一块有一定倾角(倾角范围在0-90°)的镜子作为反射器，左右反射器的作用就是将照射在其表面的直射光线通过反射作用，改变其传播方向，使之最终直接照射在双面电池的背面。双面电池抬高，既有利于空气流通，帮助电池组件散热，也有利于帮助电池背面更加容易接收周围环境的反射光和漫射光。
步骤2，分析本设计应用地区的经纬度、日照和气候情况，确定本设计的跟踪支架面板是否适合当地环境情况。
当遇上大风天气，跟踪支架一般会将支架面板归位，防止被大风损坏；但是本设计的支架面板加入了带有倾斜角度的反射器结构，将会在一定程度上降低其抗风载能力，因此本设计在应用时需考虑当地气候情况。若应用在单轴跟踪支架上，支架面板的倾斜角度可根据当地纬度来确定，通常情况下在当地纬度的±10°区间内都可。
步骤3，确定双面电池与支架面板之间的距离，根据光学原理，分析和设计双面电池左右两旁两个反射器的初始尺寸和倾斜角度。
理想状态下，光线垂直入射双面电池，此时左右两边反射器上光线传播情况对称，左右两边的入射光线经过反射作用均匀照射在双面电池反面。太阳光线垂直入射双面电池正面时，其在反射镜面上的入射角为Q，此时Q＝q。反射器初始长度即为K，设反射器初始宽度为若已知h，根据公式(1)和(2)便可算出反射器倾角q和初始宽度则：
如此，可使照在反射镜面上的光线全部均匀的照射在电池板背面上。此时双面电池背面直射光照与正面直射光照强度的比值p为：
其中，P1为反射器表面的反射率。
若假定双面电池尺寸为：K＝1.660m，L1＝0.992m；反射率：P1＝0.9；双面电池抬高高度：h＝0.3m。即可计算出：反射器倾角：q＝36.6°，初始宽度:光照比值：p＝0.521，即双面电池背面直射光照可以达到正面直射光照的52.1％。
以武汉地区(114.36°E，30.54°N)为例，其中周围环境的反射率设为0.3，支架面板离地高度1.5m。此时在晴天环境下，与不加反射器的双面电池相比，双轴精确跟踪支架以及倾角为30°的单轴精确跟踪太阳方位角支架一天之内可以提高双面电池40％左右接收的总辐射量。
步骤4，分析双面电池应用在跟踪支架上时，太阳直射光线与双面电池所在平面的夹角变化。并根据此，为给两个反射器设计一定的尺寸裕度，以提高双面电池反面接收的辐射量。
为了方便研究入射光线在反射器和双面电池背面之间的传播轨迹，本文将入射光线分解为在两个正交平面K1、K2上的投影，如图3所示。当入射光线发生偏移时，跟踪支架不能精准追踪，其分解在两个相交平面K1、K2上的投影也会有一定的偏移角度。设光线在K1、K2平面上投影与双面电池所在平面法向量的夹角分别为Δq1、Δq2，此时左右两边反射器上光线传播情况就不再对称。
Δq1、Δq2大小与太阳位置和支架面板的位置有关，太阳位置和支架面板的位置可以分解为高度角和方位角。太阳的方位角和高度角可以由当地经纬度、日期和时间计算出来。在地平面坐标系中，再根据空间向量运算公式，便可计算出Δq1、Δq2的大小。
入射光线在平面K1、K2上投影的传播途径如图4、图5所示。
如图4所示，对于左侧，若已知q、Δq1、L1、h，由几何关系变换，可知左侧倾斜反射器上光线的入射角Q1，以及H、J之间的距离LHJ为：
Q1＝q-Δq1 (4)
对于右侧，由几何关系变换，可知右侧倾斜反射器上光线的入射角Q2，以及A、E之间的距离LAE为：
Q2＝q+Δq1 (6)
取LAE、LHJ、中最长的值，即为包涵了裕量的反射器宽度。考虑到入射光线在平面K1上投影偏移有左有右，即Δq1有正有负，所以反射器左右两个斜面都应有一样裕量的宽度。
如图5所示，已知Δq2，设直线L与支架面板所在平面的距离为hx，由几何关系变换，可知反射器左边需增加的长度LUN为：
LUN＝(h-hx)·tanΔq2 (8)
考虑边界情况，令hx依次取线段H、A、E、D的高度代入公式(8)，取其中最大的LUN，作为反射器长度的裕量。考虑到入射光线在平面K2上投影偏移有左有右，即Δq2有正有负。所以反射器左右两边都需增加长度LUN。
步骤5，最后确定整个支架面板的尺寸数据。
确定支架面板结构和反射器初始尺寸和裕度后，可以根据此来确定整个支架面板的尺寸数据：
双面电池长宽分别为：L1、K；
双面电池与支架面板框架之间的距离为：h；
反射器长、宽和倾角分别为：K+2LUN、q；
支架面板框架长宽分别为：L2＝L1+2L3cosq、K；
以上所为本发明的具体实施例，仅对本发明方法作举例说明，并非因此限制本发明的专利范围。对于利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或做各种各样的修改或补充，或运用在其他相关的技术领域，并不会偏离本发明的核心方法或者超越所附权利要求书所定义的范围，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种双面太阳能电池跟踪支架的面板结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定支架面板的结构，解释各部分主要作用，以及应用到的原理知识；
步骤2，分析支架面板应用地区的经纬度、日照和气候情况，确定支架面板是否适合当地环境情况；
步骤3，确定双面电池与支架面板之间的距离，根据光学原理，分析和设计双面电池左右两侧两个反射器的初始尺寸和倾斜角度；
步骤4，分析双面电池应用在跟踪支架上时，太阳直射光线与双面电池所在平面的夹角变化范围；并根据此，为两个反射器设计一定的尺寸裕度，以提高双面电池反面接收的辐射量；
步骤5，最后确定整个支架面板的尺寸数据。
2.根据权利要求1所述的一种双面太阳能电池跟踪支架的面板结构设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下内容：
在支架面板框架上，将双面电池抬高高度h，用4根支撑支柱固定，在其两边各安装一块有一定倾角的镜子作为反射器，倾角范围在0-90°，左右反射器的作用就是将照射在其表面的直射光线通过反射作用，改变其传播方向，使之最终直接照射在双面电池的背面；双面电池抬高，既有利于空气流通，帮助电池组件散热，也有利于帮助电池背面更加容易接收周围环境的反射光和漫射光。
3.根据权利要求2所述的一种双面太阳能电池跟踪支架的面板结构设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下过程：
支架面板加入了带有倾斜角度的反射器结构，将会降低其抗风载能力，因此本设计在应用时需考虑当地气候情况；若应用在单轴跟踪支架上，发射器的倾斜角度根据当地纬度来确定，通常情况下在当地纬度的±10°区间内。
4.根据权利要求3所述的一种双面太阳能电池跟踪支架的面板结构设计方法，其特征在于，所述步骤3包括以下过程：
理想状态下，光线垂直入射双面电池，此时左右两边反射器上光线传播情况对称，左右两边的入射光线经过反射作用均匀照射在双面电池反面；太阳光线垂直入射双面电池正面时，其在反射镜面上的入射角为Q，此时Q＝q；反射器初始长度即为K，双面电池的宽度为L1，设反射器初始宽度为若已知h，根据公式(1)和(2),计算出反射器倾角q和初始宽度则：
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如此，可使照在反射镜面上的光线全部均匀的照射在电池板背面上；此时双面电池背面直射光照与正面直射光照强度的比值p为：
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其中，P1为反射器表面的反射率。
5.根据权利要求4所述的一种双面太阳能电池跟踪支架的面板结构设计方法，其特征在于，所述步骤4包括以下过程：
将入射光线分解为在两个正交平面K1、K2上的投影，当入射光线发生偏移时，跟踪支架不能精准追踪，其分解在两个相交平面K1、K2上的投影也会有一定的偏移角度；设光线在K1、K2平面上投影与双面电池所在平面法向量的夹角分别为Δq1、Δq2，此时左右两边反射器上光线传播情况就不再对称；
Δq1、Δq2大小与太阳位置和支架面板的位置有关，太阳位置和支架面板的位置分解为高度角和方位角；太阳的方位角和高度角可以由当地经纬度、日期和时间计算出来；在地平面坐标系中，再根据空间向量运算公式，计算出Δq1、Δq2的大小；
若已知q、Δq1、L1、h，由几何关系变换，可知左侧倾斜反射器上光线的入射角Q1，以及左侧反射器上有效光照区域高度最高的边界H与反射器高度最低的宽J之间的距离为LHJ为：
Q1＝q-Δq1 (4)
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由几何关系变换，可知右侧倾斜反射器上光线的入射角Q2，以及右侧反射器上有效光照区域高度最高的边界E与反射器高度最低的宽A之间的距离为LAE为：
Q2＝q+Δq1 (6)
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取LAE、LHJ、中最长的值，即为包涵了裕量的反射器宽度；左、右反射器有一样裕量的宽度；
已知Δq2，设直线L与支架面板所在平面的距离为hx，由几何关系变换，可知左边反射器需增加的长度LUN为：
LUN＝(h-hx)·tanΔq2 (8)
考虑边界情况，令hx依次取左侧反射器上有效光照区域的上下边界H、I以及右侧反射器上有效光照区域的上下边界D、E相对于支架面板框架所在平面的高度，并依次代入公式(8)，取其中最大的LUN，作为反射器长度的裕量；左、右反射器都需增加长度LUN。
6.根据权利要求5所述的一种双面太阳能电池跟踪支架的面板结构设计方法，其特征在于，所述步骤5包括以下过程：
确定支架面板结构和反射器初始尺寸和裕度后，根据此来确定整个支架面板的尺寸数据：
双面电池长宽分别为：L1、K；
双面电池与支架面板框架之间的距离为：h；
反射器长、宽和倾角分别为：K+2LUN、q；
支架面板框架长宽分别为：L2＝L1+2L3cosq、K。
7.一种基于权利要求6所述方法的双面太阳能电池跟踪支架的面板，其特征在于：包括支架面板框架、反射器、支撑支柱、双面电池；双面电池通过4根高度为h的支撑支柱固定在支架面板框架上，在固定双面电池的支撑支柱两侧各设置一块镜子作为反射器，镜子固定在支架面板框架上，反射器与支架面板框架形成角度范围在0-90°的倾角。
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