CN110764536A - 一种平单轴光伏跟踪系统优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平单轴光伏跟踪系统优化方法，属于光伏系统的优化设计技术领域，包括以下步骤：根据光伏组件正面直射辐照Bβ、光伏组件正面散射辐照Dβ计算光伏组件表面总辐照Gβ；根据光伏组件表面总辐照Gβ得到平单轴光伏跟踪系统的跟踪角度βm的计算公式，所述跟踪角度βm为光伏组件表面总辐照Gβ最大时的光伏阵列组件倾角；将实时辐照值代入βm的计算公式，得到该时刻光伏跟踪系统的最优跟踪角度βop。本发明可以得到光伏组件正面辐照最大时平单轴跟踪系统的跟踪角度，可以进一步提高跟踪系统的跟踪效率，实现光伏系统短期内发电功率最大化，长期发电量最大化。

Description

一种平单轴光伏跟踪系统优化方法
技术领域
本发明涉及一种平单轴光伏跟踪系统优化方法，属于光伏系统的优化设计技术领域。
背景技术
目前，光伏跟踪系统是提高光伏系统发电量的主要手段。传统平单轴跟踪系统一般根据天文算法定位太阳位置，随着太阳方位角的变化转动光伏组件，吸收更多直射光，进而达到提高系统整体发电量的目的。但这种跟踪方式存在一定的弊端，太阳的位置可以准确计算，但是云层随机运动引起的辐照变化无法有效预测。当云层遮住太阳时，将大部分直射光变成散射光，此时光伏组件若继续跟踪被遮挡的太阳，则无法捕捉散射光，并且此时捕捉的直射光也较少，使得发电光伏系统的发电效益降低。
发明内容
本发明是提供一种平单轴光伏跟踪系统优化方法，可根据辐照条件的变化，动态调整光伏组件跟踪角度，使得光伏组件正面辐照最大化，可以进一步提高光伏系统的发电收益。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种平单轴光伏跟踪系统优化方法，包括以下步骤：根据光伏组件正面直射辐照Bβ、光伏组件正面散射辐照Dβ计算光伏组件表面总辐照Gβ；根据光伏组件表面总辐照Gβ得到平单轴光伏跟踪系统的跟踪角度βm的计算公式，所述跟踪角度βm为光伏组件表面总辐照Gβ最大时的光伏阵列组件倾角；将实时辐照值代入βm的计算公式，得到该时刻光伏跟踪系统的最优跟踪角度βop。
进一步地，所述光伏组件正面直射辐照Bβ由公式(1)计算得到：
Bβ＝B·Rb (1)
其中，B为水平面直射辐照，Rb为水平面直射与光伏组件正面直射关系系数，
Figure BDA0002314590820000021
n＝sinδsinφ+cosδcosφcosω，m＝cosδsinαsinω+cosδsinφcosα-sinδcosφcosα，β为光伏组件相对于水平面的倾角，δ为太阳赤纬角，φ为所在地纬度，α为光伏组件方位角，ω为时角。
进一步地，所述光伏组件正面散射辐照Dβ由公式(2)计算得到：
Dβ＝D·Rd (2)
其中，D为水平面散射辐照，Rd为水平面散射与倾斜面散射关系系数，
Figure BDA0002314590820000022
B为水平面直射辐照，So为太阳常量，1367W/m2；β为光伏组件相对于水平面的倾角，Rb为水平面直射与光伏组件正面直射关系系数。
进一步地，所述光伏组件表面总辐照Gβ由公式(3)计算得到：
Gβ＝Bβ+Dβ (3)
其中，Bβ为光伏组件正面直射辐照，Dβ为组件正面散射辐照。
进一步地，所述计算平单轴光伏跟踪系统的跟踪角度βm具体为，采用导数法计算使得光伏组件表面总辐照Gβ最大时的光伏阵列组件倾角。
进一步地，所述跟踪角度βm由公式(5)计算得到：
Figure BDA0002314590820000031
其中，B为水平面直射辐照W/m2，D为水平面散射辐照W/m2，β为光伏组件相对于水平面的倾角rad，So为太阳常量，1367W/m2；n＝sinδsinφ+cosδcosφcosω，m＝cosδsinαsinω+cosδsinφcosα-sinδcosφcosα。
本发明根据辐照条件的变化，动态调整光伏组件跟踪角度，可以得到直射或辐射条件下，平单轴跟踪系统最优跟踪角度，使得光伏组件正面辐照最大化，提高系统整体发电量，得到最佳发电成本的跟踪方式。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种平单轴光伏跟踪系统优化方法流程示意图；
图2为本发明实施例中光伏组件正面角度示意图；
图3显示了常州地区2017年6月21号辐照数据；
图4为未经优化的跟踪角度与本发明实施例的跟踪角度对比图；
图5为未经优化的光伏组件正面总辐照与本发明实施例光伏组件正面总辐照的对比图；
图6为不同直散比下优化前后跟踪角度对比。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的实质，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的阐述。
光伏组件的正面辐照主要包括直射辐照、散射辐照及少量的反射辐照，由于反射占比很小，通常在优化过程中选择将其忽略。处在跟踪过程中的光伏组件是一个倾角不断变化的斜面，通过不断调整倾角，以吸收更多光能。
本发明适用于光伏系统的优化设计技术领域，尤其适用于平单轴光伏跟踪系统的跟踪路径优化，具体包括以下步骤，如图1所示：
步骤1，根据光伏组件正面直射辐照Bβ、光伏组件正面散射辐照Dβ计算光伏组件表面总辐照Gβ。
1)光伏组件正面直射辐照Bβ由公式(1)计算得到：
Bβ＝B·Rb (1)
其中，B为水平面直射辐照，Rb为水平面直射与组件正面直射关系系数。
其中，θi为直射光线在光伏组件正面的入射角rad，θz为太阳天顶角rad,β为光伏组件相对于水平面的倾角rad，δ为太阳赤纬角rad，φ指所在地纬度，α为光伏组件方位角rad，ω为时角rad。
定义m＝cosδsinαsinω+cosδsinφcosα-sinδcosφcosα，n＝sinδsinφ+cosδcosφcosω，对公式(2)进行简化，得到：
2)光伏组件正面散射辐照Dβ由公式(4)计算得到：
Dβ＝D·Rd (4)
其中，D为水平面散射辐照，Rd为水平面散射与倾斜面散射关系系数。
Figure BDA0002314590820000052
其中，So为太阳常量，1367W/m2。
3)光伏组件表面总辐照Gβ由公式(6)计算得到：
Gβ＝Bβ+Dβ＝B·Rb+D·Rd (6)
步骤2，根据光伏组件表面总辐照Gβ计算平单轴光伏跟踪系统的跟踪角度βm。
1)根据光伏组件表面总辐照Gβ计算得到光伏组件表面总辐照Gβ关于光伏组件倾角β的一阶导函数G'β
Figure BDA0002314590820000053
2)本发明中，跟踪角度βm为光伏组件表面总辐照Gβ最大时的光伏阵列组件倾角，因此令G'β＝0，求取Gβ的极值点，整理可得组件正面辐照最大时组件倾角βm的计算公式如下：
Figure BDA0002314590820000061
步骤3，光伏跟踪系统的实时最优跟踪角度βop。
将实时辐照值代入公式(8)，得到该时刻光伏跟踪系统的最优跟踪角度βop。
以常州地区(东经119.95°，北纬31.75°)为例，选择2017年6月21号上午9点至下午15点为验证区间。如图2所示，为光伏组件正面角度示意图。将图3实测直射、散射辐照数据代入式(8)可得光伏组件正面总辐照最大时的倾角即为最优跟踪角度。如图4所示为优化后得到的跟踪角度与传统天文算法跟踪角度的对比图。
将优化前和优化后得到的跟踪角度及实测得到的水平面直射、散射辐照数据分别代入式(1)～(6)计算得到光伏组件正面总辐照如图5所示，优化跟踪角度后光伏组件正面总辐照要明显高于优化前，尤其是在辐照强度小于500W/m2的低辐照条件下。
为了进一步验证本发明的有益效果，以常州地区2017年7月21号上午10点为例，通过设置不同直散比来模拟不同辐照条件，验证优化前后跟踪角度及组件正面总辐照的差异。上午10点，直散比从1:1变化至1:6时优化前后的跟踪角度如图6所示，具体数据如表1所示。
表1优化前后跟踪角度及组件正面总辐照对比
Figure BDA0002314590820000062
Figure BDA0002314590820000071
本发明以辐照变化为依据，动态调整光伏组件跟踪角度，有效提高了平单轴跟踪系统在低辐照天气条件下的跟踪效率。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其它多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种平单轴光伏跟踪系统优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据光伏组件正面直射辐照Bβ、光伏组件正面散射辐照Dβ计算光伏组件表面总辐照Gβ；
根据光伏组件表面总辐照Gβ得到平单轴光伏跟踪系统的跟踪角度βm的计算公式，所述跟踪角度βm为光伏组件表面总辐照Gβ最大时的光伏阵列组件倾角；
将实时辐照值代入βm的计算公式，得到该时刻光伏跟踪系统的最优跟踪角度βop。
2.根据权利要求1所述平单轴光伏跟踪系统优化方法，其特征在于：所述光伏组件正面直射辐照Bβ由公式(1)计算得到：
Bβ＝B·Rb (1)
其中，B为水平面直射辐照，Rb为水平面直射与光伏组件正面直射关系系数，
Figure FDA0002314590810000011
n＝sinδsinφ+cosδcosφcosω，m＝cosδsinαsinω+cosδsinφcosα-sinδcosφcosα，β为光伏组件相对于水平面的倾角，δ为太阳赤纬角，φ为所在地纬度，α为光伏组件方位角，ω为时角。
3.根据权利要求1所述平单轴光伏跟踪系统优化方法，其特征在于：所述光伏组件正面散射辐照Dβ由公式(2)计算得到：
Dβ＝D·Rd (2)
其中，D为水平面散射辐照，Rd为水平面散射与倾斜面散射关系系数，
Figure FDA0002314590810000021
B为水平面直射辐照，So为太阳常量，1367W/m2；β为光伏组件相对于水平面的倾角，Rb为水平面直射与光伏组件正面直射关系系数。
4.根据权利要求1所述平单轴光伏跟踪系统优化方法，其特征在于：所述光伏组件表面总辐照Gβ由公式(3)计算得到：
Gβ＝Bβ+Dβ (3)
其中，Bβ为光伏组件正面直射辐照，Dβ为组件正面散射辐照。
5.根据权利要求1所述平单轴光伏跟踪系统优化方法，其特征在于：所述计算平单轴光伏跟踪系统的跟踪角度βm具体为，采用导数法计算使得光伏组件表面总辐照Gβ最大时的光伏阵列组件倾角。
6.根据权利要求5所述平单轴光伏跟踪系统优化方法，其特征在于：所述跟踪角度βm由公式(5)计算得到：
Figure FDA0002314590810000022
其中，m＝cosδsinαsinω+cosδsinφcosα-sinδcosφcosα，
n＝sinδsinφ+cosδcosφcosω，B为水平面直射辐照W/m2，D为水平面散射辐照W/m2，β为光伏组件相对于水平面的倾角rad，So为太阳常量，1367W/m2。
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