CN108563245B - 一种自适应变时间太阳能跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自适应变时间太阳能跟踪控制方法，涉及太阳能光伏发电领域，首先计算当地日出日落时间，并按照一定的规则调整跟踪起始时间与截止时间，根据自适应跟踪区间划分，调整太阳能电池板的转动。本发明对太阳能电池板跟踪起始和截止时间进行了调整，不需要额外电源提供太阳能电池板追踪装置在起始时刻转动所需要的能量，实现系统的自给自足；其次，基于太阳能辐射强度的变化特点，提出自适应变化时间间隔的跟踪方式，动态调整太阳能电池板的工作模式，使得太阳能电池板在尽可能少的转动情况下，采集更多的太阳能量；最后，针对太阳能电池板在追踪过程中存在的滞后性问题，引入相对应的超前量θ，提高太阳能采集效率。

Description

一种自适应变时间太阳能跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电领域，尤其是一种太阳能跟踪控制方法。

背景技术

太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，已成为各国竞相开发的绿色能源。其中太阳能光伏发电已经成为可再生能源发电领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的产业。

随着光伏发电产业的发展，科学技术的进步，各种光伏发电自动跟踪控制系统源源不断地出现，按其工作方式可分为两种跟踪控制系统，一种为实时连续跟踪系统，采用复杂的手段实现了对太阳光的实时跟踪，使得太阳光线与太阳能电池板垂直，虽然极大提高太阳能的吸收效率，但其设备制造成本过高，维护费用又偏高，导致其得不到较大的推广。另一种为间歇式跟踪系统，普遍采用固定时间间隔转动，没有考虑到太阳辐射随时间改变的特点，并且太阳板追踪过程中存在较明显的滞后性问题，有着很大改善的空间。

目前，大多数跟踪系统将每天的日出日落时间作为装置开始和停止工作的时间，然而由于日出时刻太阳辐射强度较低，每天太阳能装置开始时刻追踪太阳光所消耗的能量却比较大，会出现太阳能电池板采集到的能量不足以驱动太阳能追踪装置工作的情况。太阳能追踪装置需要额外使用备用电池提供能量，从而驱动其工作；同样，接近日落时刻，也存在相似的问题。使用这种工作方式，不仅需要增加了一个额外的电源，无法实现系统本身的自给自足，还增加了系统的损耗，降低了发电量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种一种自适应变时间太阳能跟踪控制方法，使得整个系统不需要配备额外电源，并能够采集到更多的太阳能量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体实施步骤如下：

步骤1：计算当地日出日落时间：

根据当地经纬度及当地时间，通过太阳高度角及方位角计算公式，得到实时的太阳高度角α_s、太阳方位角γ_s、当天日出时刻T_u、当天日落时刻T_d及日照时长

步骤2：调整跟踪起始时间与截止时间

太阳能跟踪控制方法在日出时间，通过电机消耗额外能量驱动太阳能电池板进行转动，当日出后，太阳能电池板收集能量达到能量阈值后，才进行转动跟踪，以达到不消耗额外能量的目的。

太阳能电池板倾斜角为太阳能电池板与水平地面的夹角；

假设电机驱动太阳能电池板的倾斜角从0°旋转到90°所需能量为E₀，在日出时刻，太阳能电池板保持初始状态，即太阳能电池板与地平面平行采集太阳能，直至采集到的能量等于E₀时，太阳能电池板开始对太阳进行跟踪，并将此刻的时间作为太阳能电池板转动跟踪起始时间，记作T_b，即T_b时刻太阳能电池板仍保持初始状态，但太阳能电池板吸收能量为E₀，鉴于太阳运动的对称性，太阳能电池板转动跟踪截止时间为T_d-(T_b-T_u)，记作T_e，从而，太阳能电池板跟踪时间区间由(T_u,T_d)调整为(T_b,T_e)，当到达日落时刻，将太阳能电池板放置至初始状态；

步骤3：自适应跟踪区间划分

先根据太阳能电池板跟踪的起始工作时间T_b与截止工作时间T_e，以及当天的日照时长

将太阳能电池板工作时间根据太阳能辐射强度变化划分为以下五个个时间段：

再对这每个时间段进一步进行细分，对于不同时间段的划分规则如下：

初始划分间隔为30min；

初始划分间隔为20min；

初始划分间隔为15min；

形成若干个时间子集，太阳能电池板在每一个时间子集进行的具体操作为：

在每个时间子集的开始时刻，旋转太阳能电池板至，然后保持该位置不变，直到采集太阳能量到每个时间子集的结束时刻结束，并进入下一个时间子集后重复所述过程；

当进行时间子集划分时，如时间分割出现余数，则对于划分间隔进行调整，使该时间段内的时间子集均匀分布，每个时间段的时间划分间隔调整步骤如下：

假定一个时间段为(T₁,T₂)，则依据下述公式进行细分：

(T₂-T₁)/a＝p+c

其中a为初始划分间隔，p为整除部分，c为余数；

(a)当c≥a/2，则将(T₁,T₂)等间隔划分为p+1个区间，即时间划分间隔为(T₂-T₁)/(p+1)；

(b)当c＜a/2，则将(T₁,T₂)等间隔划分为p个区间，即时间划分间隔为(T₂-T₁)/p；

步骤4：调整太阳能电池板的转动

步骤4.1区间端点太阳高度角与太阳方位角以及超前角θ的确定

按照步骤3完成对时间段的划分，得到相应的时间子集，将得到的每一个时间子集的开始时刻，以及最后一个时间子集的结束时刻，将所述时刻按时间顺序分别记为(t₁,t₂,t₃…t_i,t_(i+1)…t_n)，利用太阳方位角与太阳高度角计算公式计算出(t₁,t₂,t₃…t_i,t_(i+1)…t_n)对应的每个时刻的太阳方位角与太阳高度角，按时间先后顺序将太阳高度角分别记为(α_s1,α_s2,α_s3…α_si,α_s(i+1)…α_sn)，太阳方位角分别记为(γ_s1,γ_s2,γ_s3…γ_si,γ_s(i+1)…γ_sn)；

在每一个时间子集的开始时刻，太阳能电池板开始追踪太阳，转动太阳能电池板使得太阳能电池板法线与该时间子集开始时刻和结束时刻的太阳方位角的中心线以及太阳高度角的中心线同时重合，和中心线重合后，太阳能电池板将多转动相应的角度，将该角度定义为超前角θ，超前角θ包含两个角度，定义第i个时间子集在太阳方位角方向上的超前角θ_γi＝|γ_s(i+1)-γ_si|/2，在太阳高度角方向上的超前角为θ_αi＝|α_s(i+1)-α_s(i)|/2，其中，i＝1,2,3,…,n-1；

步骤4.2具体的太阳能电池板转动角度过程

本发明所选择的太阳能电池板为矩形，其初始放置状态如下：

太阳能电池板感光面朝上，平行于地平面放置，其中太阳能电池板一组边平行地理坐标系中所规定的南北方向，另外一组边平行地理坐标系中所规定的东西方向，太阳能电池板的几何中心记为O点，太阳能电池板南侧边的中点记为A点，太阳能电池板北侧边的中点记为B点，O点亦为AB的中点；

本发明中太阳能电池板旋转定义如下：

太阳能电池板在两个方向上分别追踪太阳高度角与太阳方位角，在这两个方向的转动分别记为太阳能电池板高度角的转动与太阳能电池板方位角的转动，同一时刻两方向的转动同步进行；

(a)太阳能电池板高度角的转动：

AB轴为俯仰轴，太阳能电池板以AB轴为轴向翻转太阳能电池板，用于追踪太阳高度角，AB轴在太阳能电池板转动过程中，始终平行地平面且与地平面的距离始终保持不变，太阳能电池板翻转时，从A点看向B点的方向形成的旋转方向即为顺时针和逆时针的方向；

(b)太阳能电池板的方位角的转动：

通过O点并垂直于地平面的轴为方位轴，即方位轴垂直于地平面的同时亦垂直于俯仰轴，并通过中点O，以方位轴为轴向旋转太阳能电池板，用于追踪太阳方位角，太阳能电池板旋转时，从空中看向地面的方向形成的旋转方向即为顺时针和逆时针的方向；

太阳能电池板的高度角与方位角的变化是同时进行的，即太阳能电池板绕着方位轴旋转的同时亦绕着俯仰轴翻转。

(1)太阳能电池板方位角的转动：

对于时刻t₁，首先判断|γ_s1|-θ_γ1是否小于90°：

(a)若|γ_s1|-θ_γ1≥90°，将太阳能电池板逆时针旋转|γ_s1|-θ_γ1-90°，接下来以(t₂,t₃…,t_n-1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针旋转θ_γi+θ_γ(i+1)，i＝1,2…n-2，时刻t_n不进行旋转，继续采集能量直到日落时刻T_s，将太阳能电池板逆时针旋转|γ_s1|-θ_γ1-90°，结束当天的转动；

(b)若|γ_s1|-θ_γ1＜90°，将太阳能电池板顺时针旋转90°-(|γ_s1|-θ_γ1)，接下来以(t₂,t₃…,t_n-1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针旋转θ_γi+θ_γ(i+1)，i＝1,2…n-2，时刻t_n不进行旋转，日落时刻T_s将太阳能电池板顺时针旋转90°-(|γ_s1|-θ_γ1)，结束当天的转动；

(2)太阳能电池板高度角的转动：

从时间序列(t₁,t₂,t₃…t_i,t_(i+1)…t_n)中各时间端点的太阳高度角中找出高度角最大的时间端点，此时存在两种情况，第一种只有一个端点高度角最大，第二种有两个端点高度角均为最大，将第一种情况下的高度角和第二种情况下的下标较大的端点的高度角均记为α_sm，该时间端点记为t_m，从而整个时间序列更新为(t₁,t₂,t₃…,t_m,t_i,t_(i+1)…t_n)；

t₁时刻，将太阳能电池板顺时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)，接下来以(t₂,t₃…,t_m-1)时刻顺序依次将太阳能电池板逆时针翻转θ_αi+θ_α(i+1)，其中，i＝1,2…m-2；

对于时刻t_m：

(a)只有一个端点高度角最大时，则在此时刻不进行翻转；

(b)有两个端点高度角最大时，则将太阳能电池板逆时针翻转θ_α(m-1)。

接下来以(t_m+1,t_m+2…,t_n-1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针翻转θ_αi+θ_α(i+1)，i＝m,m+1…n-2，时刻t_n不进行翻转；在日落时刻T_s，将太阳能电池板逆时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)，结束当天的转动。

本发明对现有太阳能跟踪控制方法进行了改进，提出了新型的自适应变时间太阳能跟踪控制方法；首先，对太阳能电池板跟踪起始和截止时间进行了调整，不需要额外电源提供太阳能电池板追踪装置在起始时刻转动所需要的能量，实现系统的自给自足；其次，基于太阳能辐射强度的变化特点，提出自适应变化时间间隔的跟踪方式，动态调整太阳能电池板的工作模式，使得太阳能电池板在尽可能少的转动情况下，采集更多的太阳能量；最后，针对太阳能电池板在追踪过程中存在的滞后性问题，引入相对应的超前量θ，提高太阳能采集效率；由于太阳每天都在变化，所以每日的太阳能采集效率提升都不同，比起目前一种不变时间太阳能跟踪控制方法(太阳能电池板跟踪区间为日出到日落时刻，每20min转动一次，不引入超前角)，本发明平均采集到的太阳能量提升了3.5％。

附图说明

图1为本发明提供太阳能跟踪方法的流程图。

图2为太阳能电池板的转动过程流程图。

图3为太阳能电池板双轴示意图。

图4为太阳能电池板初始放置状态图。

图5为某个时间子集内太阳能电池板超前量θ示意图。

图6为太阳能电池板方位角旋转示意图。

图7为太阳能电池板高度角旋转示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

步骤1：计算当地日出日落时间：

根据当地经纬度及当地时间，通过太阳高度角及方位角计算公式，得到实时的太阳高度角α_s、太阳方位角γ_s、当天日出时刻T_u、当天日落时刻T_d及日照时长

步骤2：调整跟踪起始时间与截止时间

太阳能跟踪控制方法在日出时间，通过电机消耗额外能量驱动太阳能电池板进行转动，当日出后，太阳能电池板收集能量达到能量阈值后，才进行转动跟踪，以达到不消耗额外能量的目的。

太阳能电池板倾斜角为太阳能电池板与水平地面的夹角；

假设电机驱动太阳能电池板的倾斜角从0°旋转到90°所需能量为E₀，在日出时刻，太阳能电池板保持初始状态，即太阳能电池板与地平面平行采集太阳能，直至采集到的能量等于E₀时，太阳能电池板开始对太阳进行跟踪，并将此刻的时间作为太阳能电池板转动跟踪起始时间，记作T_b，即T_b时刻太阳能电池板仍保持初始状态，但太阳能电池板吸收能量为E₀，鉴于太阳运动的对称性，太阳能电池板转动跟踪截止时间为T_d-(T_b-T_u)，记作T_e，从而，太阳能电池板跟踪时间区间由(T_u,T_d)调整为(T_b,T_e)，当到达日落时刻，将太阳能电池板放置至初始状态；

步骤3：自适应跟踪区间划分

太阳能辐射强度与一天日出到日落时间之间近似于正弦函数，在太阳能辐射强度强的情况下(正午)，让太阳能电池板尽可能多追踪太阳；在太阳辐射强度弱情况下(清晨及傍晚)，减少太阳能电池板追踪太阳的次数；

先根据太阳能电池板跟踪的起始工作时间T_b与截止工作时间T_e，以及当天的日照时长

将太阳能电池板工作时间根据太阳能辐射强度变化划分为以下五个个时间段：

为了使太阳能电池板在转动尽可能少的次数的情况下(为了减少装置的硬件损耗)，采集尽可能多的能量，再对这每个时间段进一步进行细分，对于不同时间段的划分规则如下：

初始划分间隔为30min；

初始划分间隔为20min；

初始划分间隔为15min；

经过上述细分过程之后，形成若干个时间子集，太阳能电池板在每一个时间子集进行的具体操作为：在每个时间子集的开始时刻，旋转太阳能电池板至相应位置(具体旋转到的相应位置，在步骤五中详细提及)，然后保持该位置不变，直到采集太阳能量到每个时间子集的结束时刻结束，并进入下一个时间子集后重复上述过程；

当进行时间子集划分时，如时间分割出现余数，则对于划分间隔进行调整，使该时间段内的时间子集均匀分布，每个时间段的时间划分间隔调整步骤如下：

假定一个时间段为(T₁,T₂)，则依据下述公式进行细分：

(T₂-T₁)/a＝p+c

其中a为初始划分间隔，p为整除部分，c为余数；

(a)当c≥a/2，则将(T₁,T₂)等间隔划分为p+1个区间，即时间划分间隔为(T₂-T₁)/(p+1)；

(b)当c＜a/2，则将(T₁,T₂)等间隔划分为p个区间，即时间划分间隔为(T₂-T₁)/p；

步骤4：调整太阳能电池板的转动

步骤4.1区间端点太阳高度角与太阳方位角以及超前角θ的确定

一般的太阳能跟踪控制方法，在时间子集的开始时刻，使得太阳能电池板法线与太阳光线垂直，而本发明却在时间子集的开始时刻，使得太阳光线与太阳能电池板法线存在一个超前角，这个超前角会使在相同的一个追踪时间子集中，本发明的方法会采集更多的太阳能量；

按照步骤3完成对时间段的划分，得到相应的时间子集，将得到的每一个时间子集的开始时刻，以及最后一个时间子集的结束时刻，将所述时刻按时间顺序分别记为(t₁,t₂,t₃…t_i,t_(i+1)…t_n)，利用太阳方位角与太阳高度角计算公式计算出(t₁,t₂,t₃…t_i,t_(i+1)…t_n)对应的每个时刻的太阳方位角与太阳高度角，按时间先后顺序将太阳高度角分别记为(α_s1,α_s2,α_s3…α_si,α_s(i+1)…α_sn)，太阳方位角分别记为(γ_s1,γ_s2,γ_s3…γ_si,γ_s(i+1)…γ_sn)；

在每一个时间子集的开始时刻，太阳能电池板开始追踪太阳，转动太阳能电池板使得太阳能电池板法线与该时间子集开始时刻和结束时刻的太阳方位角的中心线以及太阳高度角的中心线同时重合，和中心线重合后，太阳能电池板将多转动相应的角度，将该角度定义为超前角θ，超前角θ包含两个角度，定义第i个时间子集在太阳方位角方向上的超前角θ_γi＝|γ_s(i+1)-γ_si|/2，在太阳高度角方向上的超前角为θ_αi＝|α_s(i+1)-α_s(i)|/2，其中，i＝1,2,3,…,n-1；

步骤4.2具体的太阳能电池板转动角度过程

本发明所选择的太阳能电池板为矩形，其初始放置状态如下：

太阳能电池板感光面朝上，平行于地平面放置，其中太阳能电池板一组边平行地理坐标系中所规定的南北方向，另外一组边平行地理坐标系中所规定的东西方向，太阳能电池板的几何中心记为O点，太阳能电池板南侧边的中点记为A点，太阳能电池板北侧边的中点记为B点，O点亦为AB的中点；

本发明中太阳能电池板旋转定义如下：

太阳能电池板在两个方向上分别追踪太阳高度角与太阳方位角，在这两个方向的转动分别记为太阳能电池板高度角的转动与太阳能电池板方位角的转动，同一时刻两方向的转动同步进行；

(a)太阳能电池板高度角的转动：

AB轴为俯仰轴，太阳能电池板以AB轴为轴向翻转太阳能电池板，用于追踪太阳高度角，AB轴在太阳能电池板转动过程中，始终平行地平面且与地平面的距离始终保持不变，太阳能电池板翻转时，从A点看向B点的方向形成的旋转方向即为顺时针和逆时针的方向；

(b)太阳能电池板的方位角的转动：

通过O点并垂直于地平面的轴为方位轴，即方位轴垂直于地平面的同时亦垂直于俯仰轴，并通过中点O，以方位轴为轴向旋转太阳能电池板，用于追踪太阳方位角，太阳能电池板旋转时，从空中看向地面的方向形成的旋转方向即为顺时针和逆时针的方向；

太阳能电池板的高度角与方位角的变化是同时进行的，即太阳能电池板绕着方位轴旋转的同时亦绕着俯仰轴翻转。

(1)太阳能电池板方位角的转动：

对于时刻t₁，首先判断|γ_s1|-θ_γ1是否小于90°：

(a)若|γ_s1|-θ_γ1≥90°，将太阳能电池板逆时针旋转|γ_s1|-θ_γ1-90°，接下来以(t₂,t₃…,t_n-1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针旋转θ_γi+θ_γ(i+1)，i＝1,2…n-2，时刻t_n不进行旋转，继续采集能量直到日落时刻T_s，将太阳能电池板逆时针旋转|γ_s1|-θ_γ1-90°，结束当天的转动；

(b)若|γ_s1|-θ_γ1＜90°，将太阳能电池板顺时针旋转90°-(|γ_s1|-θ_γ1)，接下来以(t₂,t₃…,t_n-1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针旋转θ_γi+θ_γ(i+1)，i＝1,2…n-2，时刻t_n不进行旋转，日落时刻T_s将太阳能电池板顺时针旋转90°-(|γ_s1|-θ_γ1)，结束当天的转动；

(2)太阳能电池板高度角的转动：

从时间序列(t₁,t₂,t₃…t_i,t_(i+1)…t_n)中各时间端点的太阳高度角中找出高度角最大的时间端点，此时存在两种情况，第一种只有一个端点高度角最大，第二种有两个端点高度角均为最大，将第一种情况下的高度角和第二种情况下的下标较大的端点的高度角均记为α_sm，该时间端点记为t_m，从而整个时间序列更新为(t₁,t₂,t₃…,t_m,t_i,t_(i+1)…t_n)；

t₁时刻，将太阳能电池板顺时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)，接下来以(t₂,t₃…,t_m-1)时刻顺序依次将太阳能电池板逆时针翻转θ_αi+θ_α(i+1)，其中，i＝1,2…m-2；

对于时刻t_m：

(a)只有一个端点高度角最大时，则在此时刻不进行翻转；

(b)有两个端点高度角最大时，则将太阳能电池板逆时针翻转θ_α(m-1)。

接下来以(t_m+1,t_m+2…,t_n-1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针翻转θ_αi+θ_α(i+1)，i＝m,m+1…n-2，时刻t_n不进行翻转；在日落时刻T_s，将太阳能电池板逆时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)，结束当天的转动。

以下时间均为北京时间。

实施例一：

太阳能电池板所处地点为乌鲁木齐，其经纬度为(87.36E，43.46N)，日期为9月22日。

步骤1：计算得到日出时间T_u＝8:13，日落时间T_s＝20:08，日照时长为

小时55分。

步骤2：由于电机功率未知，假设此时T_b＝9：00,则太阳能电池板跟踪时间由(8:13，20:08)调整为(9:00，19:21)。

步骤3：区间(9:00，10:13)和(18:09，19:21)的初始划分间隔为30min，区间(10:13，12:11)和(16:10，18:09)的初始划分间隔为20min，区间(12:11，16:10)的初始划分间隔为15min。

步骤4：时间划分间隔自适应调整

将(9:00，10:13)以时间间隔为36.5min等间隔划分为2份；将(10:13，12:11)以时间间隔为20min等间隔划分为6份；将(12:11，16:10)以时间间隔为15min等间隔划分为16份；将(16:10，18:09)以时间间隔为20min等间隔划分为6份；将(18:09，19:21)以时间间隔为36.5min等间隔划分为2份。

步骤5：太阳能电池板的转动

对于实例一来说此时n＝33。由于角度过多，实例不予全体展示。

计算可得第一个时间子集的左端点的方位角与高度角分别为γ_s1＝-80.99°，α_s1＝8.52°。可得θ_γ1＝3.33°，θ_α1＝3.25°。可得高度角α_sm＝45.94°，其中m＝17，这个时间子集左端点为14：11。

(1)对于太阳能电池板方位角的转动：

因为|γ_s1|-θ_γ1＝80.99°-3.33°＜90°，所以在9:00将太阳能电池板顺时针旋转90°-(|γ_s1|-θ_γ1)＝12.34°，接下来在达到19:21将太阳能电池板顺时针旋转角度θ_γi+θ_γ(i+1)(i＝1,2…31)，在19:21不进行旋转。日落时刻T_s将太阳能电池板顺时针旋转90°-(|γ_s1|-θ_γ1)＝12.34°，结束当天的转动。

(2)对于太阳能电池板高度角的转动：

在9:00将太阳能电池板顺时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)＝78.23°，接下来在达到14：11前的时间端点依次将太阳能电池板逆时针翻转角度θ_αi+θ_α(i+1)(i＝1,2…15)。在14：11，这个端点的高度角属于步骤5高度角转动的第一种情况，所以不进行翻转。接下来在达到19:21前的时间端点依次将太阳能电池板顺时针方向翻转θ_αi+θ_α(i+1)(i＝17,18…31)，在19:21不进行翻转。在日落时刻T_s，将太阳能电池板逆时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)＝78.23°，结束当天的转动。

目前一种不变时间太阳能跟踪控制方法为，太阳能电池板跟踪区间为日出到日落时刻，每20min转动一次，不引入超前角。实施例一条件下，相比之前提到的传统太阳能跟踪控制方法，新型跟踪控制方法下的太阳能系统采集到的能量提升了2.2％，太阳能电池板旋转次数减少3次。

实施例二：

太阳能电池板所处地点为乌鲁木齐，其经纬度为(87.36E，43.46N)，日期为6月21日。

步骤1：计算得到日出时间T_u＝6:34，日落时间T_s＝21:47，日照时长为

小时13分钟。

步骤2：由于电机功率未知，假设此时T_b＝7：30,则太阳能电池板跟踪时间由(6:34，21:47)调整为(7:30，20:51)。

步骤3：区间(7:30，9:07)和(19:15，20:51)的初始划分间隔为30min，区间(9:07，11:38)和(16:43，19:15)的初始划分间隔为20min，区间(11:38，16:43)的初始划分间隔为15min。

步骤4：时间间隔自适应调整

将(7:30，9:07)以时间间隔为32min等间隔划分为3份；将(9:07，11:38)以时间间隔为19min等间隔划分为8份；将(11:38，16:43)以时间间隔为15min等间隔划分为20份；将(16:43，19:15)以时间间隔为19min等间隔划分为8份；将(19:15，20:51)以时间间隔为32min等间隔划分为3份。

步骤5：太阳能电池板的转动

对于实例二来说此时n＝43。由于角度过多，实例不予全体展示。

计算可得第一个时间端点的方位角与高度角分别为γ_s1＝-113.85°，α_s1＝8.97°。可得θ_γ1＝2.57°，θ_α1＝2.74°。可得步骤5中提到的高度角θ_αm＝69.94°，其中m＝22。

(1)对于太阳能电池板方位角的转动：

因为|γ_s1|-θ_γ1＝113.85°-2.57°＞90°，将太阳能电池板逆时针旋转|γ_s1|-θ_γ1-90°＝21.28°，接下来在达到20:51前的每个旋转时间点依次将太阳能电池板顺时针旋转角度θ_γi+θ_γ(i+1)(i＝1,2…41)，在20:51不进行旋转。日落时将太阳能电池板逆时针旋转|γ_s1|-θ_γ1-90°＝21.28°，结束当天的转动。

(2)对于太阳能电池板高度角的转动：

在7:30将太阳能电池板顺时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)＝78.29°，接下来的时间区间端点直到达到所记高度角为α_s22的时间端点前依次以将太阳能电池板逆时针翻转θ_αi+θ_α(i+1)(i＝1,2…20)。对于所记高度角为α_s22的时间端点这个端点的高度角属于步骤5高度角转动的第一种情况，所以不进行翻转。接下来直到20:51前依次将太阳能电池板顺时针翻转θ_αi+θ_α(i+1)(i＝22,18…41)，在20:51不进行翻转。在日落时刻T_s，将太阳能电池板逆时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)＝78.29°，结束当天的转动。

实施例二的结果显示，新型太阳能跟踪控制方法相比之前提到的传统太阳能跟踪控制方法采集到的太阳能提升了3.5％，太阳能电池板旋转次数减少了3次。

通过这两个实施例，可以证明本发明所提出的自适应变时间太阳能跟踪控制方法，能够实现不需要额外提供电源驱动其工作，并能够在尽可能少的转动次数条件下，提高尽可能大的太阳能采集功率。

Claims (1)

1.一种自适应变时间太阳能跟踪控制方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：计算当地日出日落时间：

根据当地经纬度及当地时间，通过太阳高度角及方位角计算公式，得到实时的太阳高度角α_s、太阳方位角γ_s、当天日出时刻T_u、当天日落时刻T_d及日照时长

步骤2：调整跟踪起始时间与截止时间

太阳能跟踪控制方法在日出时间，通过电机消耗额外能量驱动太阳能电池板进行转动，当日出后，太阳能电池板收集能量达到能量阈值后，才进行转动跟踪，以达到不消耗额外能量的目的；

太阳能电池板倾斜角为太阳能电池板与水平地面的夹角；

假设电机驱动太阳能电池板的倾斜角从0°旋转到90°所需能量为E₀，在日出时刻，太阳能电池板保持初始状态，即太阳能电池板与地平面平行采集太阳能，直至采集到的能量等于E₀时，太阳能电池板开始对太阳进行跟踪，并将此刻的时间作为太阳能电池板转动跟踪起始时间，记作T_b，即T_b时刻太阳能电池板仍保持初始状态，但太阳能电池板吸收能量为E₀，鉴于太阳运动的对称性，太阳能电池板转动跟踪截止时间为T_d-(T_b-T_u)，记作T_e，从而，太阳能电池板跟踪时间区间由(T_u,T_d)调整为(T_b,T_e)，当到达日落时刻，将太阳能电池板放置至初始状态；

步骤3：自适应跟踪区间划分

先根据太阳能电池板跟踪的起始工作时间T_b与截止工作时间T_e，以及当天的日照时长

将太阳能电池板工作时间根据太阳能辐射强度变化划分为以下五个个时间段：

再对这每个时间段进一步进行细分，对于不同时间段的划分规则如下：

初始划分间隔为30min；

初始划分间隔为20min；

初始划分间隔为15min；

形成若干个时间子集，太阳能电池板在每一个时间子集进行的具体操作为：

每个时间子集进行一次采集过程，采集过程是指在每个时间子集的开始时刻，旋转太阳能电池板至相应位置，然后保持该位置不变，直到采集太阳能量到每个时间子集的结束时刻结束；进入下一个时间子集后，再重复下一个时间子集的采集过程；

当进行时间子集划分时，如时间分割出现余数，则对于划分间隔进行调整，使该时间段内的时间子集均匀分布，每个时间段的时间划分间隔调整步骤如下：

假定一个时间段为(T₁,T₂)，则依据下述公式进行细分：

(T₂-T₁)/a＝p+c

其中a为初始划分间隔，p为整除部分，c为余数；

(a)当c≥a/2，则将(T₁,T₂)等间隔划分为p+1个区间，即时间划分间隔为(T₂-T₁)/(p+1)；

(b)当c＜a/2，则将(T₁,T₂)等间隔划分为p个区间，即时间划分间隔为(T₂-T₁)/p；

步骤4：调整太阳能电池板的转动

步骤4.1区间端点太阳高度角与太阳方位角以及超前角θ的确定

按照步骤3完成对时间段的划分，得到相应的时间子集，将得到的每一个时间子集的开始时刻，以及最后一个时间子集的结束时刻，将所述时刻按时间顺序分别记为(t₁,t₂,t₃…t_i,t_(i+1)…t_n)，利用太阳方位角与太阳高度角计算公式计算出(t₁,t₂,t₃…t_i,t_(i+1)…t_n)对应的每个时刻的太阳方位角与太阳高度角，按时间先后顺序将太阳高度角分别记为(α_s1,α_s2,α_s3…α_si,α_s(i+1)…α_sn)，太阳方位角分别记为(γ_s1,γ_s2,γ_s3…γ_si,γ_s(i+1)…γ_sn)；

在每一个时间子集的开始时刻，太阳能电池板开始追踪太阳，转动太阳能电池板使得太阳能电池板法线与该时间子集开始时刻和结束时刻的太阳方位角的中心线以及太阳高度角的中心线同时重合，和中心线重合后，太阳能电池板将多转动相应的角度，将该角度定义为超前角θ，超前角θ包含两个角度，定义第i个时间子集在太阳方位角方向上的超前角θ_γi＝|γ_s(i+1)-γ_si|/2，在太阳高度角方向上的超前角为θ_αi＝|α_s(i+1)-α_s(i)|/2，其中，i＝1,2,3,…,n-1；

步骤4.2具体的太阳能电池板转动角度过程

所选择的太阳能电池板为矩形，其初始放置状态如下：

太阳能电池板感光面朝上，平行于地平面放置，其中太阳能电池板一组边平行地理坐标系中所规定的南北方向，另外一组边平行地理坐标系中所规定的东西方向，太阳能电池板的几何中心记为O点，太阳能电池板南侧边的中点记为A点，太阳能电池板北侧边的中点记为B点，O点亦为AB的中点；

太阳能电池板旋转定义如下：

太阳能电池板在两个方向上分别追踪太阳高度角与太阳方位角，在这两个方向的转动分别记为太阳能电池板高度角的转动与太阳能电池板方位角的转动，同一时刻两方向的转动同步进行；

(a)太阳能电池板高度角的转动：

AB轴为俯仰轴，太阳能电池板以AB轴为轴向翻转太阳能电池板，用于追踪太阳高度角，AB轴在太阳能电池板转动过程中，始终平行地平面且与地平面的距离始终保持不变，太阳能电池板翻转时，从A点看向B点的方向形成的旋转方向即为顺时针和逆时针的方向；

(b)太阳能电池板的方位角的转动：

通过O点并垂直于地平面的轴为方位轴，即方位轴垂直于地平面的同时亦垂直于俯仰轴，并通过中点O，以方位轴为轴向旋转太阳能电池板，用于追踪太阳方位角，太阳能电池板旋转时，从空中看向地面的方向形成的旋转方向即为顺时针和逆时针的方向；

太阳能电池板的高度角与方位角的变化是同时进行的，即太阳能电池板绕着方位轴旋转的同时亦绕着俯仰轴翻转；

(1)太阳能电池板方位角的转动：

对于时刻t₁，首先判断|γ_s1|-θ_γ1是否小于90°：

(a)若|γ_s1|-θ_γ1≥90°，将太阳能电池板逆时针旋转|γ_s1|-θ_γ1-90°，接下来以(t₂,t₃…,t_n-1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针旋转θ_γi+θ_γ(i+1)，i＝1,2…n-2，时刻t_n不进行旋转，继续采集能量直到日落时刻T_s，将太阳能电池板逆时针旋转|γ_s1|-θ_γ1-90°，结束当天的转动；

(b)若|γ_s1|-θ_γ1＜90°，将太阳能电池板顺时针旋转90°-(|γ_s1|-θ_γ1)，接下来以(t₂,t₃…,t_n-1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针旋转θ_γi+θ_γ(i+1)，i＝1,2…n-2，时刻t_n不进行旋转，日落时刻T_s将太阳能电池板顺时针旋转90°-(|γ_s1|-θ_γ1)，结束当天的转动；

(2)太阳能电池板高度角的转动：

从时间序列(t₁,t₂,t₃…t_i,t_(i+1)…t_n)中各时间端点的太阳高度角中找出高度角最大的时间端点，此时存在两种情况，第一种只有一个端点高度角最大，第二种有两个端点高度角均为最大，将第一种情况下的高度角和第二种情况下的下标较大的端点的高度角均记为α_sm，该时间端点记为t_m，从而整个时间序列更新为(t₁,t₂,t₃…,t_m,t_i,t_(i+1)…t_n)；

t₁时刻，将太阳能电池板顺时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)，接下来以(t₂,t₃…,t_m-1)时刻顺序依次将太阳能电池板逆时针翻转θ_αi+θ_α(i+1)，其中，i＝1,2…m-2；

对于时刻t_m：

(a)只有一个端点高度角最大时，则在此时刻不进行翻转；

(b)有两个端点高度角最大时，则将太阳能电池板逆时针翻转θ_α(m-1)；

接下来以(t_m+1,t_m+2…,t_n-1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针翻转θ_αi+θ_α(i+1)，i＝m,m+1…n-2，时刻t_n不进行翻转；在日落时刻T_s，将太阳能电池板逆时针翻转90°-(|α_s1|+θ_α1)，结束当天的转动。

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