CN108227760B - 一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统及方法 - Google Patents

一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统，包括顺次连接的光伏板、数据采集模块、中央控制器、执行模块以及四轴气压装置；中央控制器还连接有对比检测模块，中央控制器和数据采集模块之间设置有PID控制模块，节约了能耗，增大了发电量的输出；同时还公布了一种基于预测系统的太阳能跟踪控制方法，包括以下几个步骤：A)：采集数据采集光伏板实时时角度、实时光照强度以及实时时间数据和对比检测模块用于采集太阳光直射角度，B)：对数据进行分析和处理，C)：执行调节；光伏板的角度不变时的发电量，光伏板角度改变后同一时刻的发电量，两者的差值与光伏板调节耗能的比较，最终判定是否需要调整光伏板的角度。

Description

一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统及方法
技术领域
本发明属于太阳能跟踪技术领域，具体涉及一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统；同时本发明还公布了一种基于预测系统的太阳能跟踪控制方法。
背景技术
目前存在的提高光伏发电效率的控制系统大多单纯以时间为基础实时控制光伏板跟踪太阳光旋转，这些控制系统均未考虑到某一具体时刻旋转光伏板所耗能量是否超过了所提高的发电量，如果提高的发电量小于光伏板旋转所需的耗能，则会造成能量的损失，并不能真正实现高发电效率。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，本发明提供一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统，从而解决了现有的控制系统未考虑某一具体时刻旋转光伏板所耗能量是否超过了所提高的发电量的问题；同时本发明还提供了一种基于预测系统的太阳能跟踪控制方法。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统，包括顺次连接的光伏板、数据采集模块、中央控制器、执行模块以及四轴气压装置；
所述中央控制器还连接有对比检测模块，中央控制器和所述数据采集模块之间设置有PID控制模块，PID控制模块的输入端连接所述数据采集模块的输出端，PID控制模块的输出端连接所述中央控制器的输入端。
进一步限定，所述对比检测模块用于采集光伏板的太阳光直射角度；
数据采集模块用于采集光伏板实时时角度、实时光照强度以及实时时间数据。
进一步限定，所述数据采集模块设置于所述光伏板上。
进一步限定，所述执行模块包括四轴支架系统和气动控制系统。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明引入了对比检测模块，用以测定采集光伏板的太阳光直射角度；数据采集模块用于采集光伏板实时时角度、实时光照强度以及实时时间数据；中央控制器用于计算且判定是否调整光伏板的角度且发出指令给执行模块，节省能耗，使得光伏板净的输出的电能量达到最大。
同时，基于上述的一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统，本发明还公开了一种基于预测系统的太阳能跟踪控制方法，该方法包括以下步骤：A)：数据采集模块采集光伏板实时时角度、实时光照强度以及实时时间数据和对比检测模块用于采集光伏板的太阳光直射角度通过电信号传递至中央处理器，PID控制模块将光伏板的实时角度反馈给中央控制器；
B)：中央控制器对步骤A)中传递来的数据进行分析和处理，并发出控制信号给执行模块；
C)：执行模块发出指令给四轴气压装置，四轴气压装置动作调节光伏板的角度。
进一步限定，所述中央控制器的具体分析和处理过程如下：
1)通过PID控制模块传输的光伏板的角度，计算出光伏板的角度偏差分量；
2)二次曲线数据拟合，得到光伏板不旋转时的光照强度曲线A和得到太阳光直射角时的光伏板的光照强度曲线B；
3)求出光伏板增加的发电量；
4)计算出调整光伏板所需要的能耗；
5)计算出光伏板净增加的发电量；
6)光伏板净增加的发电量大于0，则将步骤1)中的光伏板的角度偏差分量发出且作用于执行模块；则不将步骤1)中的光伏板的角度偏差分量发出。
进一步限定，步骤1)中所述光伏板的角度偏差分量具体计算方式如下：
设一年365天对应区间为[0,π]，取日角：
Figure BDA0001535079020000021
dn取为年的日期序列，1月1日dn为1,12月31日dn为365，则赤尾弧度δ为：
δ＝0.00689-0.399951cosθ0-0.07208sinθ0-0.0068cos2θ0+0.0009sin2θ0-0.00269cos3θ0+0.00151sin3θ0
太阳实角ω为：ω＝真太阳时(小时)×15-180，式中ω单位为度，15表示每小时相当于150时角；
真太阳时＝地方时+时差＝北京时+精度订正+时差＝北京时+(当地维度-120÷60+时差)；
时差(弧度)＝0.000076+0.001869cosθ0-0.032076sinθ0-0.014616cos2θ0-0.04085sin2θ0
时差(小时)＝时差(弧度)×12÷π
设太阳高度角和方位角分别为θk和θp，地理维度为ψ，则
sinθk＝sinψsinδ+cosψcosδcosω
sinθp＝cosδsinω/cosθh
cosθp＝(sinθhsinψ-sinδ)/cosθhcosψ
由此可知，只要时间和经纬度一定，就能通过上述公式计算出相应的太阳高度角和方位角。
进一步限定，步骤2)中所述光伏板不旋转时的光照强度曲线A为：fa(x)＝a0+a1x+a2x2，太阳光直射角时的光伏板的光照强度曲线B为：fb(x)＝b0+b1x+b2x2；
步骤3)中所述光伏板增加的发电量为：
Figure BDA0001535079020000031
其中：k为光伏系统的发电系数，S为光伏组件面积，
Figure BDA0001535079020000032
Figure BDA0001535079020000033
步骤4)中所述调整光伏板所需要的能耗为：Qp＝Ptp；
其中：P为电机功率、tp为调整所消耗时间；
步骤5)中所述光伏板净增加的发电量为：
Figure BDA0001535079020000034
其中：z为调整系数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
通过预测光伏板旋转之后和旋转之前同一时刻的发电量，且计算出发电量的增加量；计算出旋转光伏板所需要的能耗，将发电量的增加量与旋转光伏板所需要的能耗进行比较；当发电量的增加量大于旋转光伏板所需要的能耗，则中央控制器将光伏板的角度偏差分量发出且作用于执行模块；当发电量的增加量小于旋转光伏板所需要的能耗，则中央控制器不将光伏板的角度偏差分量发出；减少了光伏板角度的调节频率，减少了光伏板调节的能耗，从而增加了光伏板发电量的输出。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是基于神经网络预测技术的太阳能跟踪控制系统的示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。下面结合图1对本发明作详细说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例一
如图1所示，一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统，包括顺次连接的光伏板、数据采集模块、中央控制器、执行模块以及四轴气压装置；所述中央控制器还连接有对比检测模块，中央控制器和所述数据采集模块之间设置有PID控制模块，PID控制模块的输入端连接所述数据采集模块的输出端，PID控制模块的输出端连接所述中央控制器的输入端。
数据采集模块用于采集光伏板实时时角度、实时光照强度以及实时时间数据；
对比检测模块用于采集光伏板的太阳光直射角度；
PID控制模块用于反馈光伏板的实时角度；
中央控制器将数据采集模块、对比检测模块和PID控制模块传来的数据进行分析，计算和处理，发出指令作用于执行模块；
执行模块用于接收中央控制器的指令且对四轴气压装置发出指令；
四轴气压装置动作改变光伏板的角度；
引入了对比检测模块，用以测定采集光伏板的太阳光直射角度；数据采集模块用于采集光伏板实时时角度、实时光照强度以及实时时间数据；中央控制器用于计算且判定是否调整光伏板的角度且发出指令给执行模块，节省能耗，使得光伏板净的输出的电能量达到最大。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例优化了数据采集模块的设置位置，设置于光伏板上，可以减小整个系统的体积，以及减少数据传递的路径，使得采集的数据准确和可靠。
实施例三
在实施例一的基础上，本实施例优化了执行模块，四轴支架系统控制调节四轴气压装置的支架系统，气动控制系统控制四轴气压装置的给气量或泄气量。
为了更好的实现本发明，本发明在实施例一到实施例三中任一实施例的基础上一种基于预测系统的太阳能跟踪控制方法，该方法包括以下步骤：
A)：数据采集模块采集光伏板实时时角度、实时光照强度以及实时时间数据和对比检测模块用于采集光伏板的太阳光直射角度通过电信号传递至中央处理器，PID控制模块将光伏板的实时角度反馈给中央控制器；
B)：中央控制器对步骤A)中传递来的数据进行分析和处理，并发出控制信号给执行模块；
C)：执行模块发出指令给四轴气压装置，四轴气压装置动作调节光伏板的角度。
本法能够判定光伏板旋转前后在同一时刻发电量的增加量，且与旋转光伏板所要消耗的能量的比较，得出最有的光伏板调节频率，节约了能源，增大了光伏板的输出能量。
基于以上方法，下面结合具体实施例对本发明的方法做进一步说明。
具体实施例
本实施例的技术方案为：所述中央控制器的具体分析和处理过程如下：
1)通过PID控制模块传输的光伏板的角度，计算出光伏板的角度偏差分量；
2)二次曲线数据拟合，得到光伏板不旋转时的光照强度曲线A和得到太阳光直射角时的光伏板的光照强度曲线B；
3)计算出光伏板增加的发电量；
4)计算出调整光伏板所需要的能耗；
5)计算出光伏板净增加的发电量；
6)光伏板净增加的发电量大于0，则将步骤1)中的光伏板的角度偏差分量发出且作用于执行模块；则不将步骤1)中的光伏板的角度偏差分量发出。
步骤1)中光伏板的角度偏差分量的具体计算方式为：设一年365天对应区间为[0,π]，取日角：
Figure BDA0001535079020000051
dn取为年的日期序列，1月1日dn为1,12月31日dn为365，则赤尾弧度δ为：
δ＝0.00689-0.399951cosθ0-0.07208sinθ0-0.0068cos2θ0+0.0009sin2θ0-0.00269cos3θ0+0.00151sin3θ0
太阳实角ω为：ω＝真太阳时(小时)×15-180，式中ω单位为度，15表示每小时相当于150时角；
真太阳时＝地方时+时差＝北京时+精度订正+时差＝北京时+(当地维度-120÷60+时差)；
时差(弧度)＝0.000076+0.001869cosθ0-0.032076sinθ0-0.014616cos2θ0-0.04085sin2θ0
时差(小时)＝时差(弧度)×12÷π
设太阳高度角和方位角分别为θk和θp，地理维度为ψ，则
sinθk＝sinψsinδ+cosψcosδcosω
sinθp＝cosδsinω/cosθh
cosθp＝(sinθhsinψ-sinδ)/cosθhcosψ
由此可知，只要时间和经纬度一定，就能通过上述公式计算出相应的太阳高度角和方位角。
步骤2)中光伏板不旋转时的光照强度曲线A的计算：对采集数据进行数据拟合，因一天光照强度随时间进行线性变化，在短时间内可以将其近似为抛物线，因此采用二次曲线拟合。
可以设拟合函数为y＝a0+a1x+a2x2，就是要以a0、a1和a2为待定系数，确定二次曲线使得所述数据采集模块中2个δ时间内数据所对应的10个点尽可能地靠近这条曲线。因数据点将不会全部落在这条曲线上，如果第k个点的数据恰好落在曲线上，则这个点的坐标满足二次曲线的方程，即
a0+a1xk+a2xk 2＝yk
如果这个点不在曲线上，则它的坐标不满足曲线方程，有一个误差(残差)。于是全部点处的总误差用残差平方和表示
Figure BDA0001535079020000061
这是关于a0、a1和a2的一个三元函数，同时选取a0、a1和a2，使得这个函数取极小值。为了求该函数的极小值点，令
Figure BDA0001535079020000071
得
Figure BDA0001535079020000072
这是关于待定系数a0、a1和a2的线性方程组，写成等价的形式为
Figure BDA0001535079020000073
这就是法方程，求解这一方程组可得二次拟合函数中的三个待定系数a0、a1和a2。并求出曲线A：fa(x)＝a0+a1x+a2x2；
同理，根据以上方法可以得出所述实时调节对比检测系统光照强度曲线B：fb(x)＝b0+b1x+b2x2；
步骤3)中光伏板增加的发电量的计算方法为：根据曲线A和曲线B，可以对未来δ时间光照强度进行预测，进而计算出其发电量差值，具体如下
计算出两条曲线的差值即为
Figure BDA0001535079020000074
Figure BDA0001535079020000075
Figure BDA0001535079020000076
Figure BDA0001535079020000081
(k为光伏系统的发电系数，S为光伏组件面积)
步骤4)调整光伏板所需要的能耗为：
Qp＝Ptp(P为电机功率、tp为调整所消耗时间)
步骤5)中光伏板的净增加的发电量为：
Figure BDA0001535079020000082
(z为调整系数)
如果H大于0说明光伏板旋转后的发电量大于调整光伏板的角度所需能量，中央处理器发出指令且作用于执行模块，执行模块动作指令发给四轴气压装置，四轴气压装置动作于调节光伏板的角度。
采用上述的计算方式，能够准确计算出是否需要调整光伏板的角度以及光伏板角度调整的频率，节约能源，增加光伏板的输出发电量。

Claims (4)

1.一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统，其特征在于，包括顺次连接的光伏板、数据采集模块、中央控制器、执行模块以及四轴气压装置；
所述中央控制器还连接有对比检测模块，中央控制器和所述数据采集模块之间设置有PID控制模块，PID控制模块的输入端连接所述数据采集模块的输出端，PID控制模块的输出端连接所述中央控制器的输入端；
一种基于预测系统的太阳能跟踪控制方法，包括以下几个步骤：
A)：数据采集模块采集光伏板实时时角度、实时光照强度以及实时时间数据和对比检测模块用于采集光伏板的太阳光直射角度通过电信号传递至中央处理器，PID控制模块将光伏板的实时角度反馈给中央控制器；
B)：中央控制器对步骤A)中传递来的数据进行分析和处理，并发出控制信号给执行模块；
C)：执行模块发出指令给四轴气压装置，四轴气压装置动作调节光伏板的角度；
所述中央控制器的具体分析和处理过程如下：
1)通过PID控制模块传输的光伏板的角度，计算出光伏板的角度偏差分量；
2)二次曲线数据拟合，得到光伏板不旋转时的光照强度曲线A和得到太阳光直射角时的光伏板的光照强度曲线B；
3)求出光伏板增加的发电量；
4)计算出调整光伏板所需要的能耗；
5)计算出光伏板净增加的发电量；
6)光伏板净增加的发电量大于0，则将步骤1)中的光伏板的角度偏差分量发出且作用于执行模块；光伏板净增加的发电量小于等于0，则不将步骤1)中的光伏板的角度偏差分量发出；
步骤2)中光伏板不旋转时的光照强度曲线A的计算：对采集数据进行数据拟合，一天光照强度随时间进行线性变化，在短时间内可以将其近似为抛物线，采用二次曲线拟合；
设拟合函数为y＝a0+a1x+a2x2，以a0、a1和a2为待定系数，确定二次曲线使得所述数据采集模块中2个δ时间内数据所对应的10个点靠近二次曲线，因数据点将不会全部落在二次曲线上，如果第k个点的数据恰好落在二次曲线上，则这个点的坐标满足二次曲线的方程，即
a0+a1xk+a2xk2＝yk
如果这个点不在二次曲线上，则它的坐标不满足曲线方程，有一个误差或残差，全部点处的总误差用残差平方和表示
Figure FDA0003114187370000011
这是关于a0、a1和a2的一个三元函数，同时选取a0、a1和a2，使得这个函数取极小值，为了求该函数的极小值点，令
Figure FDA0003114187370000021
得
Figure FDA0003114187370000022
这是关于待定系数a0、a1和a2的线性方程组，写成等价的形式为
Figure FDA0003114187370000023
这就是法方程，求解这一方程组可得二次拟合函数中的三个待定系数a0、a1和a2，并求出曲线A：fa(x)＝a0+a1x+a2x2；
根据以上方法得出实时调节对比检测系统光照强度曲线B：fb(x)＝b0+b1x+b2x2；
步骤3)中所述光伏板增加的发电量为：
Figure FDA0003114187370000024
其中：k为光伏系统的发电系数，S为光伏组件面积，
Figure FDA0003114187370000025
Figure FDA0003114187370000026
步骤4)中所述调整光伏板所需要的能耗为：Qp＝Ptp；
其中：P为电机功率、tp为调整所消耗时间；
步骤5)中所述光伏板净增加的发电量为：
Figure FDA0003114187370000027
其中：z为调整系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统，其特征在于，所述对比检测模块用于采集光伏板的太阳光直射角度；
数据采集模块用于采集光伏板实时时角度、实时光照强度以及实时时间数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统，其特征在于，所述数据采集模块设置于所述光伏板上。
4.根据权利要求1所述的一种基于预测系统的太阳能跟踪控制系统，其特征在于，所述执行模块包括四轴支架系统和气动控制系统。
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