CN111142576B - 一种太阳追踪修正算法及太阳追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种太阳追踪修正算法及太阳追踪方法，其中，太阳追踪修正算法包括：根据太阳与观测地基准面的位置关系，建立太阳俯仰角和方位角的理论计算模型；根据影响太阳位置测量精度的误差因子，对所述理论计算模型进行修正，获得修正模型；其中，误差因子包括潮汐、大气压和温度。本发明考虑外界环境影响如潮汐、大气压和温度对太阳位置计算带来的误差，提出一种太阳追踪修正算法，对上述环境影响造成的太阳位置计算误差进行修正，提高了太阳追踪精度。本发明还将太阳追踪修正算法应用于碟式太阳能光热发电系统，提供一种太阳能追踪方法，通过太阳追踪精度的提高，能够提升系统对太阳能的接受率，从而提高太阳能发电的效率。

Description

一种太阳追踪修正算法及太阳追踪方法

技术领域

本发明实施例涉及碟式太阳能光热发电领域，尤其涉及一种太阳追踪修正算法及太阳追踪方法。

背景技术

太阳能发电的最大挑战之一是如何提高对太阳能的利用率，而在一天的时间段内提高太阳光的接受率是一个有效的途径。由于太阳在一天之内的位置在不断变化，太阳光的接受率实际上与受光面的朝向有关。大量研究表明，相比于受光面固定接收太阳能，跟踪之后装置对太阳能的接受率能有效增加，最高可达37.7％。因此，通过对太阳位置跟踪方法的研究来提高太阳能发电的效率具有重要意义。

碟式太阳能光热发电系统利用双轴跟踪太阳装置，让一个旋转抛物面形状的聚光镜将太阳辐射聚焦到焦点上，在焦点的位置装设一个吸热器。由于聚光镜的镜面较大，在太阳光的焦点能达到非常高的温度。吸热器将这些热能吸收起来驱动发电机。整个系统包括聚光镜、吸热器、追踪装置，蓄热发电系统。

近年来，对太阳跟踪技术的研究越来越受到重视，太阳跟踪技术发展迅速。为了提高碟式太阳能光热发电系统的光热转换率，以及光纤式阳光导入系统的光纤耦合光路，都需要对太阳的位置进行高精度的实时追踪。在夜晚或阴雨天气，追踪装置应该停止运行。在多云天气具备发电条件但光照不够强的情况下，追踪装置应该进行视日运动轨道追踪。在晴朗天气，追踪装置应能高精度地追踪太阳位置。

现有的太阳追踪算法按照天文算法来确定太阳位置精确度，然而现有的方法没有考虑外界环境如温度、大气因素、潮汐等带来的误差，在实际应用场合，实现长期的高精度太阳对准跟踪效果不尽人意。因此，这类误差需要相应的修正算法来尽力消除。

发明内容

本发明实施例提供一种太阳追踪修正算法和太阳追踪方法，用以解决现有技术按照天文算法来确定太阳位置精确度，没有考虑环境因素带来的位置计算误差的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种太阳追踪修正算法，包括：

根据太阳与观测地基准面的位置关系，建立太阳俯仰角和方位角的理论计算模型；

根据影响太阳位置测量精度的误差因子，对所述理论计算模型进行修正，获得修正模型；其中，误差因子包括潮汐、大气压和温度。

进一步，所述根据太阳与观测地基准面的位置关系，建立太阳俯仰角和方位角的理论计算模型，具体包括：

通过GPS定位获得观测地的经纬度和时间，建立太阳俯仰角α₀和方位角γ₀的理论计算模型：

式中，

为观测地纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角。

进一步，所述根据影响太阳位置测量精度的误差因子，对所述理论计算模型进行修正，获得修正模型，具体包括：

基于太阳和月球的潮汐力对太阳赤纬角和太阳时角的影响，计算修正后的太阳真实赤纬和太阳真实时角；

根据大气压和温度对太阳光线折射的影响，计算大气压和温度导致的太阳俯仰角变化量；

根据修正后的太阳真实赤纬、太阳真实时角以及太阳俯仰角变化量，获得太阳俯仰角和方位角的修正模型。

进一步，所述修正后的太阳真实赤纬δ1为：

修正后的太阳真实时角ω1为：ω1＝ω-Δλ

其中，

视差修正参数项x、y为：

式中，ζ为太阳水平时差角，Δλ为因视差导致的太阳赤经角度变化量，E为观测点的海拔高度，单位为米。

进一步，所述大气压和温度导致的太阳俯仰角变化量Δα为：

式中，P为观测地的年平均大气压强，单位为毫巴；T为观测地的年平均气温，单位为℃；

太阳俯仰角α和方位角γ的修正模型分别为：

第二方面，本发明实施例提供一种基于第一方面所述太阳追踪修正算法的太阳追踪方法，包括：

S110，基于GPS数据以及太阳俯仰角和方位角的修正模型，计算获得当前时刻的太阳的位置信息；其中，所述GPS数据包括观测地经纬度信息和时间信息；

S120，将所述太阳位置信息转化为电机控制信号发送至电机驱动机构，以供电机驱动机构根据所述控制信号驱动电机运转，调整碟式太阳能光热发电装置的聚光镜朝向。

进一步，在S110之前，所述方法还包括：

S100，获取GPS数据，基于观测地的经纬度信息和日期计算日出日落时间；

S101，根据日出日落时间，判断当前时刻是否为白天，若否，则等待预设时段后返回S100；若是，则进入S102；

S102，采集观测地的湿度信息，若当前的湿度不高于预设湿度阈值，则进入S110；若当前的湿度高于预设湿度阈值，则等待预设时段后返回S101。

进一步，所述方法还包括：

在电机运转过程中，采用图像传感器测量太阳的入射光线与聚光镜法线的偏差角，并将所述偏差角反馈给单片机；

单片机根据所述偏差角，调整电机的动作，以使入射光线和聚光镜法线重合。

进一步，在S120之后，所述方法还包括：

S130，判断当前时刻是否日落，若是，则停止计算太阳位置；若否，则返回S110，继续计算太阳位置。

第三方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如本发明第二方面实施例所述太阳追踪方法的步骤。

本发明实施例考虑外界环境影响如潮汐、大气压和温度对太阳位置计算带来的误差，提出一种太阳追踪修正算法，对上述环境影响造成的太阳位置计算误差进行修正，提高了太阳追踪精度。

本发明实施例还将太阳追踪修正算法应用于碟式太阳能光热发电系统，提供一种太阳能追踪方法，通过太阳追踪精度的提高，能够提升系统对太阳能的接受率，从而提高太阳能发电的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的太阳追踪修正算法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的太阳追踪方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的太阳追踪方法的一种控制流程框图；

图4为本发明实施例提供的太阳追踪方法的另一种流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种太阳追踪方法的实施流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

目前的太阳追踪算法按照天文算法来确定太阳位置精确度，然而现有的方法没有考虑外界环境如温度、大气因素、潮汐等带来的误差，在实际应用场合，实现长期的高精度太阳对准跟踪效果不尽人意。

因此，本发明实施例考虑外界环境影响如潮汐、大气压和温度对太阳位置计算带来的误差，提出一种太阳追踪修正算法，对上述环境影响造成的太阳位置计算误差进行修正，提高了太阳追踪精度，解决了现有太阳追踪算法未考虑环境因素造成的误差，使得太阳对准跟踪效果受影响的问题。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明实施例提供的太阳追踪修正算法流程示意图，如图1所示，该方法包括：

S1，根据太阳与观测地基准面的位置关系，建立太阳俯仰角和方位角的理论计算模型。

具体地，本发明提供的太阳追踪修正算法应用于碟式太阳能光热发电系统。此处，观测地是指碟式太阳能光热发电系统设备的安装地点，观测地基准面是指系统设备安装点的水平面。本发明实施例中，太阳位置即是指太阳相对于观测地水平面的位置。

可以理解的是，太阳俯仰角和方位角与观测地的地理位置和时间相关。因此，本实施例通过GPS定位获得观测地的经纬度和时间，基于天文算法，建立太阳俯仰角α₀和方位角γ₀的理论计算模型：

式中，

为观测地纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角。

S2，根据影响太阳位置测量精度的误差因子，对所述理论计算模型进行修正，获得修正模型；其中，误差因子包括潮汐、大气压和温度。

具体地，本发明考虑误差因子即潮汐、大气压和温度对太阳位置测量精度带来的影响，对S1中的理论计算模型进行修正，获得修正模型，能够提高太阳追踪精度。

在上述实施例的基础上，S2中，所述根据影响太阳位置测量精度的误差因子，对所述理论计算模型进行修正，获得修正模型，具体包括：

S21，基于太阳和月球的潮汐力对太阳赤纬角和太阳时角的影响，计算修正后的太阳真实赤纬和太阳真实时角。

在地球，潮汐力主要来自太阳和月球，两者持续的改变彼此间相对的位置，造成的地球自转轴的章动。地球自转轴实际上受到章动的影响，它的指向并不是恒定不变的，这便对太阳赤经角和赤纬角的精确计算产生了影响。引起章动的主要原因是地球相对于月球和太阳的位置有周期性的变化，地球受到它们的引力作用也有相同周期的变化，使得地球自转轴的空间指向叠加上各种周期的幅度较小的振动。

本实施例修正潮汐力产生的章动对地球自转轴的影响，获得修正后的太阳真实赤纬和太阳真实时角。

修正后的太阳真实赤纬δ1为：

修正后的太阳真实时角ω1为：ω1＝ω-Δλ

其中，

视差修正参数项x、y为：

式中，ζ为太阳水平时差角，Δλ为因视差导致的太阳赤经角度变化量，E为观测点的海拔高度，单位为米。

S22，根据大气压和温度对太阳光线折射的影响，计算大气压和温度导致的太阳俯仰角变化量。

可以理解的是，大气压和温度都会是空气的密度分布产生变化，太阳光从太空中经过大气传播，大气的密度分布会使太阳光线产生随大气密度分布的折射。故太阳光线在大气中的传输路线实际上是一个曲线。

本实施例中，考虑大气压和温度导致的大气折射，对太阳俯仰角的计算进行修正。大气压和温度导致的太阳俯仰角变化量Δα为：

式中，P为观测地的年平均大气压强，单位为毫巴；T为观测地的年平均气温，单位为℃。

S23，根据S21得到的修正后的太阳真实赤纬、太阳真实时角，以及S22得到的太阳俯仰角变化量，获得太阳俯仰角和方位角的修正模型。

太阳俯仰角α和方位角γ的修正模型分别为：

本发明实施例提供的太阳追踪算法，考虑外界环境影响如潮汐、大气压和温度对太阳位置计算带来的误差，对上述环境影响造成的太阳位置计算误差进行修正，提高了太阳追踪精度。

图2为本发明实施例提供的太阳追踪方法流程示意图，参照图2，本发明实施例提供一种基于上述实施例提供的太阳追踪修正算法的太阳追踪方法，该方法包括：

S110，基于GPS数据以及太阳俯仰角和方位角的修正模型，计算获得当前时刻的太阳位置信息；其中，所述GPS数据包括观测地经纬度信息和时间信息。

具体地，太阳俯仰角和方位角与观测地的地理位置和时间相关。因此，本实施例通过GPS定位获得观测地的经纬度和时间，将GPS数据即观测地的经纬度和时间输入单片机中，单片机基于上述实施例提供的太阳追踪修正算法，能够计算获得实时的太阳俯仰角α和方位角γ。

S120，将所述太阳位置信息转化为电机控制信号发送至电机驱动机构，以供电机驱动机构根据所述控制信号驱动电机运转，调整碟式太阳能光热发电装置的聚光镜朝向。

具体地，本发明实施例将太阳追踪修正算法应用于碟式太阳能光热发电系统，提供一种太阳能追踪方法。其中，碟式太阳能光热发电系统包括聚光镜、吸热器、太阳追踪装置等。太阳追踪装置采用双轴跟踪法，太阳追踪装置包括俯仰角方向电机、水平方向电机和单片机，能够同时跟踪太阳的方位角与俯仰角的变化。

进一步地，图3为本发明实施例提供的太阳追踪方法的一种控制流程框图，参照图3，单片机在计算获得太阳位置信息后，将太阳太阳位置信息转化为电机控制信号发送至电机驱动机构。电机驱动机构根据所述控制信号驱动电机运转，此处，电机即为太阳追踪装置的执行机构，电机包括俯仰角方向电机和水平方向电机。通过俯仰角方向电机和水平方向电机调整碟式太阳能光热发电装置的聚光镜朝向，使聚光镜垂直对准太阳。

本发明实施例提供的太阳追踪方法，将上述实施例提供的太阳追踪修正算法应用于碟式太阳能光热发电系统，能够提升太阳追踪精度，进而提升系统对太阳能的接受率，提高太阳能发电的效率。

图4为本发明实施例提供的太阳追踪方法的另一种流程示意图，参照图4，在S110之前，所述方法还包括：

S100，获取GPS数据，基于观测地的经纬度信息和日期计算日出日落时间。本实施例中，根据地球经纬度与日出日落的关系，并根据一年四季变化规律与经纬度算法计算日出日落时间。

S101，根据日出日落时间，判断当前时刻是否为白天，若否，则等待预设时段后返回S100；若是，则进入S102。

可以理解的是，在日落时，光照强度低，太阳追踪装置应该停止运行。本实施例中，单片机根据计算获得的日出日落时间，判断当前时刻是否为白天，若此时为日落时间，则单片机进入休眠状态，并等待预设时段后返回S100。优选的，预设时段为30min。若此时为日出时间，则进入下一步骤S102。

S102，采集观测地的湿度信息，若当前的湿度不高于预设湿度阈值，则进入S110；若当前的湿度高于预设湿度阈值，则等待预设时段后返回S101。

可以理解的是，在阴雨天气，光照强度低，太阳追踪装置应该停止运行。本实施例通过湿度传感器采集观测地的湿度信息发送至单片机，单片机判断当前的湿度是否高于预设湿度阈值。若当前的湿度不高于预设湿度阈值，表明此时湿度适宜，进入S110，计算当前时刻的太阳位置。若当前的湿度高于预设湿度阈值，则表面湿度过高，大概率是阴雨天气，此时等待预设时段后返回S101。优选的，预设时段为30min。

在上述各实施例的基础上，本实施例中，太阳追踪方法还包括：

在电机运转过程中，采用图像传感器测量太阳的入射光线与聚光镜法线的偏差角，并将所述偏差角反馈给单片机。

单片机根据所述偏差角，调整电机的动作，以使入射光线和聚光镜法线重合。

具体地，图像传感器是在圆筒中间设置一个由巴德膜滤波片制成的接受屏，利用小孔成像在上面形成一个光斑，再用装设在圆筒底部的摄像头采集到图片，通过图像灰度变换、中值滤波和二值化处理后，找到光斑中心位置，进而获取到太阳的入射光线与聚光镜法线的偏差角。接着，单片机根据所述偏差角，调整电机的动作，从而减小偏差角，最终使入射光线和聚光镜法线重合，达到自动追踪的目的。这种方法的优点是使用的CMOS图像传感器价格较低，并能实现较高精度的追踪。

在上述各实施例的基础上，在S120之后，所述方法还包括：

S130，判断当前时刻是否日落，若是，则停止计算太阳位置；若否，则返回S110，继续计算太阳位置。

图5为本发明实施例提供的一种太阳追踪方法的实施流程示意图。参照图5，系统开始运行之后，首先进行数据的初始化，然后读取GPS数据。接着，计算日出日落时间并和本地时间比较，判断是否白天，若在日出前则继续等待日出，否则接着利用湿度传感器判断天气是否允许，若湿度超过超过预设湿度阈值则不运行系统，若湿度不超过预设湿度阈值，则通过太阳追踪修正算法计算太阳位置。然后，将太阳位置信息转化为步进电机需要转动的步数，再驱动电机进行太阳位置跟踪。最后，判断是否日落，若日落则停止计算太阳位置，并且系统归零等待下一次的追踪过程，若是日出时间则继续计算太阳位置，继续跟踪太阳运动。图像传感器测量太阳的入射光线与聚光镜法线的偏差角反馈给单片机，防止积累误差。

图6为本发明实施例提供的一种电子设备结构示意图，如图6所示，该服务器可以包括：处理器(processor)601、通信接口(Communications Interface)602、存储器(memory)603和通信总线604，其中，处理器501，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信。处理器601可以调用存储器603中的逻辑指令，以执行如下太阳追踪方法：基于GPS数据以及太阳俯仰角和方位角的修正模型，计算获得当前时刻的太阳的位置信息；其中，所述GPS数据包括观测地经纬度信息和时间信息。将所述太阳位置信息转化为电机控制信号发送至电机驱动机构，以供电机驱动机构根据所述控制信号驱动电机运转，调整碟式太阳能光热发电装置的聚光镜朝向。

本实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如上述各实施例中所述太阳追踪方法的步骤。例如包括：基于GPS数据以及太阳俯仰角和方位角的修正模型，计算获得当前时刻的太阳的位置信息；其中，所述GPS数据包括观测地经纬度信息和时间信息。将所述太阳位置信息转化为电机控制信号发送至电机驱动机构，以供电机驱动机构根据所述控制信号驱动电机运转，调整碟式太阳能光热发电装置的聚光镜朝向。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种太阳追踪修正算法，其特征在于，包括：

根据太阳与观测地基准面的位置关系，建立太阳俯仰角和方位角的理论计算模型；

根据影响太阳位置测量精度的误差因子，对所述理论计算模型进行修正，获得修正模型；其中，误差因子包括潮汐、大气压和温度；

所述根据太阳与观测地基准面的位置关系，建立太阳俯仰角和方位角的理论计算模型，具体包括：

通过GPS定位获得观测地的经纬度和时间，建立太阳俯仰角α₀和方位角γ₀的理论计算模型：

式中，

为观测地纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角；

所述根据影响太阳位置测量精度的误差因子，对所述理论计算模型进行修正，获得修正模型，具体包括：

基于太阳和月球的潮汐力对太阳赤纬角和太阳时角的影响，计算修正后的太阳真实赤纬和太阳真实时角；

根据大气压和温度对太阳光线折射的影响，计算大气压和温度导致的太阳俯仰角变化量；

根据修正后的太阳真实赤纬、太阳真实时角以及太阳俯仰角变化量，获得太阳俯仰角和方位角的修正模型；

所述修正后的太阳真实赤纬δ1为：

修正后的太阳真实时角ω1为：ω1＝ω-Δλ

其中，

视差修正参数项x、y为：/>

式中，ζ为太阳水平时差角，Δλ为因视差导致的太阳赤经角度变化量，E为观测点的海拔高度，单位为米；

所述大气压和温度导致的太阳俯仰角变化量Δα为：

式中，P为观测地的年平均大气压强，单位为毫巴；T为观测地的年平均气温，单位为℃；太阳俯仰角α和方位角γ的修正模型分别为：

2.一种基于权利要求1所述太阳追踪修正算法的太阳追踪方法，其特征在于，包括：

S110，基于GPS数据以及太阳俯仰角和方位角的修正模型，计算获得当前时刻的太阳的位置信息；其中，所述GPS数据包括观测地经纬度信息和时间信息；

S120，将所述太阳位置信息转化为电机控制信号发送至电机驱动机构，以供电机驱动机构根据所述控制信号驱动电机运转，调整碟式太阳能光热发电装置的聚光镜朝向。

3.根据权利要求2所述的太阳追踪方法，其特征在于，在S110之前，所述方法还包括：

S100，获取GPS数据，基于观测地的经纬度信息和日期计算日出日落时间；

S101，根据日出日落时间，判断当前时刻是否为白天，若否，则等待预设时段后返回S100；若是，则进入S102；

S102，采集观测地的湿度信息，若当前的湿度不高于预设湿度阈值，则进入S110；若当前的湿度高于预设湿度阈值，则等待预设时段后返回S101。

4.根据权利要求2所述的太阳追踪方法，其特征在于，所述方法还包括：

在电机运转过程中，采用图像传感器测量太阳的入射光线与聚光镜法线的偏差角，并将所述偏差角反馈给单片机；

单片机根据所述偏差角，调整电机的动作，以使入射光线和聚光镜法线重合。

5.根据权利要求3所述的太阳追踪方法，其特征在于，在S120之后，所述方法还包括：

S130，判断当前时刻是否日落，若是，则停止计算太阳位置；若否，则返回S110，继续计算太阳位置。

6.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求2至5任一项所述太阳追踪方法的步骤。

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