CN111478651B - 具有用于改善管理的参考太阳能发电设备的太阳能阵列 - Google Patents

Abstract

一种包括成排(10)分布的太阳能电池组件(3)的太阳能阵列(1)，每个太阳能电池组件(3)包括由单轴太阳追踪器(4)承载的太阳能收集器(5)、具有中央参考太阳能电池组件和至少一个辅助参考太阳能电池组件的参考太阳能发电设备(2)、以及引导单元(7)，所述引导单元(7)适于：－根据对应初始方向设定点的中央参考方向设定点，引导中央参考太阳能电池组件的角度方向；－根据对应初始方向设定点移动了预设偏移角的辅助参考方向设定点，引导各个辅助参考太阳能电池组件的方向；－从各个参考太阳能电池组件接收太阳能发电量的值；－通过应用关联至具有最高发电量的值的参考方向设定点，引导除了参考电池组件以外的电池组件的角度方向。

Description

具有用于改善管理的参考太阳能发电设备的太阳能阵列

分案申请

本发明是申请号为201680083147.9的发明专利申请的分案申请。原申请的申请号为201680083147.9，申请日为2016年12月27日，优先权日为2016年1月4日，发明名称为“具有用于改善管理的参考太阳能发电设备的太阳能阵列”。

技术领域

本发明涉及包括分布在多个平行排中的多个太阳能电池组件的太阳能阵列，还涉及一种管理这种太阳能阵列的方法。

更具体地，本发明涉及一种太阳能阵列，其中每个太阳能电池组件包括由单轴太阳追踪器承载的至少一个太阳能收集器，特别是光伏板类型的，其中每个太阳追踪器通过致动器被引导着绕主轴旋转，以旋转太阳能电池组件，允许其在太阳东升西落期间跟踪太阳。

因此本发明涉及包括太阳追踪器的太阳能阵列领域，太阳追踪器也称为太阳追踪器支撑系统，分布在平行的排中并支撑太阳能收集器，其中太阳追踪器为单轴类型，也就是绕单个主轴旋转，使得能够在太阳东升西落期间跟踪太阳旋转。准确来说，这样的主轴大致水平延伸并大致上平行于固定太阳追踪器的地面。

在同一排中，太阳追踪器对齐为它们的主轴大致重合，主轴通常在南北方向。

背景技术

在传统的太阳能阵列中，已知提供太阳能电池组件的角度方向的引导单元，其中，引导单元连接至致动器，以通过向所有太阳能电池组件应用公共方向设定点，伺服控制太阳能电池组件的角度方向。

该共同方向设定点通常基于对太阳位置的天文计算建立，以实时定位为面向太阳，在一天开始和结束时，太阳能收集器可能具有水平平放的阶段。该公共方向设定点特别取决于日期，因为太阳的位置在整个季节中每天都有变化。

然而，这种类型的伺服控制仅基于对太阳位置的天文计算，具有在特定气象条件下的收益赤字导致的重大缺陷，特别是在导致散射太阳辐射的多云情况下。当直接太阳辐射分散在云中和空气颗粒中时，产生散射太阳辐射。散射太阳辐射是经由云和大气中悬浮的各种分子导致的光衍射造成的。因此，散射太阳辐射不一定遵循太阳在地球表面观测点方向上确定的方向。因此，在多云情况下，为了获得这些情况下的最大收益，将太阳追踪器或太阳能电池组件定向在称为间接或散射方向的方向上可能是优选的，这些方向并不一定对应直接太阳辐射的方向。

此外，太阳能收集器可为双面型的，也就是具有面向太阳的上生产面和面向地面的下生产面。下面接收由地面反射的太阳辐射，通常称为反射。因此，依赖于反射，为了获得最大收益，可优选地将太阳能追踪器或太阳能电池组件定向在称为间接方向的方向上，该方向不一定对应于直接太阳辐射的方向。

发明内容

本发明目的在于，解决这些缺陷，通过提出一种太阳能阵列以及相关管理方法，允许将太阳能电池组件伺服控制在公共方向设定点，该公共方向设定点至少考虑到部分散射辐射和/或反射。

为此，提出包括分布在多个平行排中的多个太阳能电池组件的太阳能阵列，每个太阳能电池组件包括由单轴太阳追踪器承载的至少一个太阳能收集器，特别是光伏板类型，其中每个太阳追踪器通过致动器被引导着绕主轴旋转，以旋转太阳能电池组件，允许其在太阳东升西落期间跟踪太阳，所述太阳能阵列还包括太阳能电池组件的角度方向的引导单元，所述引导单元链接至致动器，以通过向所有太阳能电池组件应用公共方向设定点，伺服控制太阳能电池组件的角度方向，所述太阳能阵列的特点在于，其包括具有至少两个参考太阳能电池组件的参考太阳能发电设备，包括中央参考太阳能电池组件和至少一个辅助参考太阳能电池组件，其中该引导单元适用于：

－根据称为中央参考方向设定点的参考方向设定点，引导中央参考太阳能电池组件的角度方向，中央参考方向设定点对应初始方向设定点，

－根据称为辅助参考方向设定点的参考方向设定点，引导各个辅助参考太阳能电池组件的方向，所述辅助参考方向设定点对应初始方向设定点移动了预设非零角度，该非零角度称为偏移角，关联至所述辅助参考太阳能电池组件，该中央参考太阳能电池组件相应地关联至零度偏移角；

－从各个参考太阳能电池组件接收太阳能发电量的值；

－通过将关联至具有最高太阳能发电量的值的参考太阳能电池组件的参考方向设定点应用为公共方向设定点，引导除了参考太阳能电池组件以外的太阳能电池组件的角度方向。

因此，参考太阳能发电设备将允许测试初始方向设定点(例如直接太阳辐射追踪设定点)和相对初始方向设定点成角度地移动一个偏移角的至少一个辅助参考方向设定点(有利地，多个辅助参考方向设定点)。大部分时间，将应用初始方向设定点，但是在有云的情况下以及因此的散射、和/或有高反射的情况下，可以证实移动一个偏移角提供了更好的太阳能发电量，且因此参考太阳能发电设备将允许注意到，关联至偏移角的辅助参考方向设定点是有优势的，且引导单元由此将对除了参考太阳能电池组件以外的所有太阳能电池组件实施偏移角位移。辅助参考太阳能电池组件越多，越有可能测得不同的偏移角。

本解决方式实施起来特别简单且便宜，同时提供太阳能阵列的总太阳能发电量的改进，因为它直接考虑了相对初始方向设定点一个或多个偏移角的太阳能发电量。

根据一个方面，参考太阳能发电设备包括多个辅助参考太阳能电池组件，且各自关联至一个专用偏移角。

根据另一个方面，参考太阳能发电设备包括数量为N的关联至正偏移角的辅助参考太阳能电池组件，以及数量为M的关联至负偏移角的辅助参考太阳能电池组件，其中N和M为整数。

可能有以下四种一般配置：

－如果N＝M≠0，那么参考太阳能发电设备包括至少一对辅助参考太阳能电池组件，分别关联至正偏移角和负偏移角；

－如果N≠0且M＝0，那么参考太阳能发电设备仅包括关联至正偏移角的辅助参考太阳能电池组件；

－如果N＝0且M≠0，那么参考太阳能发电设备仅包括关联至负偏移角的辅助参考太阳能电池组件；

－如果N≠0、M≠0且N≠M，那么参考太阳能发电设备包括的关联至正偏移角的辅助参考太阳能电池组件的数量不同于关联至负偏移角的辅助参考太阳能电池组件的数量。

在特定的实施例中，两个相邻偏移角的差中的至少一个的绝对值小于3度；这两个偏移角之一可能对应于中央参考太阳能电池组件的零偏移角。

也就是说，至少两个相邻的参考太阳能电池组件的方向设定点之间的角位移不超过3度，这足够测试不同的偏移角。

应当注意到，两个相邻偏移角之间的差可以是恒定的或者相反，是非恒定的。

根据本发明的可能性，太阳能阵列包括，在引导单元的输入处的，依赖太阳位置的天文计算的初始方向设定点的计算单元。

还可能考虑到，计算单元适于根据下列参数中的至少一个，计算初始方向设定点：太阳追踪器能够到达的最小方向和最大方向、一排太阳能电池组件在相邻排太阳能电池组件上的阴影。

根据本发明的另一种可能性，只有当辅助参考太阳能电池组件在预定等待时间具有最高的太阳能发电量时，将应用在具有最高太阳能发电量的值的该辅助参考太阳能电池组件上的辅助方向设定点作为公共方向设定点应用，这样，引导单元适于引导除了参考太阳能电池组件以外的太阳能电池组件的角度方向。

因此，在切换至辅助方向设定点之前，设定等待时间，以避免过于频繁或过快地改变方向。事实上，每个方向变化都需要至少一个致动器(通常为电机)，这产生电量消耗和由方向变化导致的机械构件(轴承、旋转导向元件)的磨损。这些电量消耗和这些磨损未必能够通过匹配到辅助方向设定点获得的生产率增益而弥补。

本发明还涉及一种根据本发明的管理太阳能阵列的方法，该方法包括重复执行以下步骤：

－计算初始方向设定点；

－根据称为中央参考方向设定点的参考方向设定点，引导中央参考太阳能电池组件的角度方向，该中央参考方向设定点对应初始方向设定点。

－根据称为辅助参考方向设定点的参考方向设定点，引导辅助参考太阳能电池组件或各个辅助参考太阳能电池组件的方向，该辅助参考方向设定点对应初始方向设定点移动了预设非零角度，该非零角度称为偏移角，并关联至所述辅助参考太阳能电池组件；

－从各个参考太阳能电池组件接收太阳能发电量的值；

－通过将关联至具有最高太阳能发电量的值的参考太阳能电池组件的参考方向设定点作为公共方向设定点应用，引导除了参考太阳能电池组件以外的太阳能电池组件的角度方向。

根据本发明的一个优点，如果最高太阳能发电量的值与关联至辅助参考太阳能电池组件的辅助参考方向设定点有关，那么本方法只有当辅助参考太阳能电池组件在预定等待时间具有最高的太阳能发电量的值时，通过将辅助参考方向设定点，作为公共方向设定点应用，实施对除了参考太阳能电池组件以外的太阳能电池组件的角度方向的引导。

有利地，根据以下参数中的至少一个建立等待时间：

－改变除了参考太阳能电池组件以外的太阳能电池组件的方向所必需的能耗，偏移角关联至具有最高太阳能发电量的值的次级参考太阳能电池组件；

－在对方向改变偏移角期间导致的，除了参考太阳能电池组件以外的太阳能电池组件的太阳追踪器的机械构件的磨损率，该偏移角关联至具有最高太阳能发电量的值的次级参考太阳能电池组件。

本发明还涉及到一个特点，根据该特点，根据对太阳位置的天文计算，计算初始方向设定点。

附图说明

本发明的其他特点和优点将在阅读以下参照附图详细描述的所实施的非限制性实施例后显现，其中：

－图1为根据本发明的太阳能阵列的示意图；

－图2为根据本发明的太阳能阵列中的多排太阳能电池组件的示意透视图；

－图3和4为参考太阳能发电设备的两个实例的示意透视图；

－图5为在根据本发明的管理方法期间所实施的步骤的流程图形式的表示；

－图6为在给定日期，初始方向设定点作为时间函数的变化曲线的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的太阳能阵列1，包括多组GR多排太阳能电池组件10(这些太阳能电池组件在图1中未示出，在图2中示出)，这些组GR和这些排10根据容纳太阳能阵列1的地面形态分布以及确定尺寸。太阳能阵列1还包括下文所述的参考太阳能发电设备2。

参见图2，每排10包括在南北方向对齐并在排10中并排设置的多个太阳能电池组件3。

每个太阳能电池组件3包括绕主旋转轴A旋转的单轴太阳追踪器4，其类型包括：

－固定结构40，用于固定在地面，由例如固定在地面的一个或多个塔架构成，例如通过打桩、螺丝接合、螺栓连接、压重或任何其他允许将固定结构40固定或稳定在地面上的等效方式固定；

－可动结构(未示出)，特别是平台类型，由梁、纵桁和/或横梁构件组装组成的，其中，可动结构沿主轴A可旋转地安装在固定结构40上，特别地，可旋转地安装在塔架的上端部；

－机械系统，用于驱动可动结构沿主轴A的旋转。

通过致动器(未示出)，引导每个太阳追踪器3绕其主轴A旋转，以旋转太阳能电池组件3使得其能够在太阳东升西落期间跟踪太阳。此致动器可特定于每个太阳能电池组件3，或者可在多个太阳能电池组件3之间共享，例如在同一排10中，或者甚至在两排或更多排10中共享。

每个太阳能电池组件3还包括至少一个太阳能收集器5，特别是一个或多个光伏板，支撑或安装在太阳追踪器4的可动结构上。在本说明书的剩余部分中，太阳能收集器为光伏板5。

参照图2，旋转轴A为大致水平的，并指向南北方向。当太阳追踪器1为水平或平放时(如图2所示)，光伏板5为水平的并在由南北方向的纵轴X(平行于主轴A)和东西方向的横轴Y所确定的水平面延伸，该水平面垂直于竖轴Z。

在本说明书的剩余部分中，太阳能电池组件3的角度方向，或者称为倾斜角(或光伏板5的角度方向或太阳追踪器3的角度方向)对应于光伏板5的法线与水平面(X，Y)上的竖轴Z的夹角。因此，当太阳追踪器1水平或平放时(如图2所示出)，此角度方向为0度。

参照图5，太阳能阵列1还包括计算单元6，适于根据太阳位置的天文计算，计算初始方向设定点COI。

图6示出了初始方向设定点COI作为时间t的函数，在给定日期一天中早晨4点(4AM)到晚上7点(7PM)之间的时间范围内的变化。应当注意到，此变化在早晨具有－50度的阶段，在下午具有+50度的阶段，对应太阳能电池组件3的最大和最小方向，因为太阳能电池组件3的旋转由于机械原因受限。

初始方向设定点CIO也可根据其他参数计算，例如考虑到一排10太阳能电池组件3在相邻排10太阳能电池组件3上的阴影而优化。

参照图5，太阳能阵列1还包括引导单元7，适于引导组GR中的排10的太阳能电池组件3的角度方向，该引导单元7链接至这些太阳能电池组件3的致动器，以伺服控制它们的角度方向，通过向所有这些太阳能电池组件3应用公共方向设定点COC。

该引导单元7在输入处连接至计算单元6，以接收初始方向设定点COI为输入数据，并在输出处连接至这些太阳能电池组件3(更具体地，连接至它们的致动器)，以输出将应用于所有太阳能电池组件3的公共方向设定点COC。

引导单元7还连接至参考太阳能发电设备2，以根据初始方向设定点COI以及该参考太阳能发电设备2的响应，建立此公共方向设定点COC。

参照图3和图4，参考太阳能发电设备2包括多个参考太阳能电池组件20(i)(i为整数)，包括中央参考太阳能电池组件20(0)和多个辅助参考太阳能电池组件20(j)(j为非零整数)。在图3－5的实施例中，参考太阳能发电设备2包括两对辅助参考太阳能电池组件，也就是第一对辅助参考太阳能电池组件20(+1)、20(－1)和第二对辅助参考太阳能电池组件20(+2)、20(－2)。

参考太阳能电池组件20(i)与上文所述的太阳能电池组件3为相同类型，但是它们可能具有不同尺寸。参考太阳能电池组件20(i)因此包括追踪器支架4，沿主轴A旋转可动，追踪器支架4还支撑与太阳能电池组件3的太阳能收集器5使用相同技术的至少一个太阳能收集器5。

在参考太阳能发电设备2中，这些参考太阳能电池组件20(i)可例如与它们的主旋转轴A(如图3所示)正交对齐，或者沿它们的主旋转轴A对齐。

引导单元7适于：

－根据对应初始方向设定点COI的称为中央参考方向设定点COR(0)的参考方向设定点，引导中央参考太阳能电池组件20(0)的角度方向(换句话说，COR(0)＝COI，且相关联的偏移角OFF(0)为零)；

－根据相关联的辅助参考方向设定点COR(j)，引导各个辅助参考太阳能电池组件20(j)的方向，该辅助参考方向设定点COR(j)对应于初始方向设定点COI移动称为偏移角OFF(j)的预设角度，偏移角OFF(j)关联至辅助参考太阳能电池组件20(j)(换句话说，COR(j)＝COI+OFF(j))。

因此，引导单元7控制太阳能电池组件20(0)的角度方向，这样使得其跟随初始方向设定点COI的曲线。此外，引导单元7引导每个辅助参考太阳能电池组件20(j)的角度方向，这样使得其跟随从初始方向设定点COI移动偏移角OFF(j)的曲线，该偏移角OFF(j)专用于辅助参考太阳能电池组件20(j)。

对于每对辅助参考太阳能电池组件20(+1)、20(－1)(相应地20(+2)、20(－2))，辅助参考组件20(+1)(相应地20(+2))关联至正偏移角OFF(+1)(相应地OFF(+2))，且另一个辅助参考组件20(－1)(相应地20(－2))关联至负偏移角OFF(－1)(相应地OFF(－2))。此外，OFF(－1)和OFF(+1)(相应地OFF(－2)和OFF(+2))的绝对值相等。

通常地，j＝+k或－k(其中k为正整数)，且OFF(+k)＝+Ak，OFF(－k)＝－Ak，其中Ak为正角度。换句话说，每对辅助参考太阳能电池组件20(+k)、20(－k)的正偏移角(+Ak)和负偏移角(－Ak)的绝对值相等。

应当注意到，j的绝对值越高(也就是说，k越大)，偏移角OFF(i)(也就是说，OFF(+k)或OFF(－k))的绝对值越大。

此外，绝对值小的偏移角，也就是说偏移角OFF(+1)和OFF(－1)，绝对值小于或等于3度。也就是说，|OFF(+1)|和|OFF(－1)|＝A1≤3度。

此外，相邻的两个偏移角的差的绝对值小于或等于3度。也就是说，|OFF(i)－OFF(i+1)|≤3度，|OFF(i)－OFF(i－1)|≤3度。

可以认为，|OFF(i)－OFF(i+1)|＝|OFF(i)－OFF(i－1)|＝PA。也就是说，偏移角之间的间距PA是不变的，这样使得OFF(i)＝i.PA，对中央参考太阳能组件20(0)(其中i＝0)来说，偏移角OFF(0)为零。间距PA为正、非零并小于或等于3度。因此OFF(+1)＝PA，OFF(－1)＝－PA，OFF(+2)＝2PA，且OFF(－2)＝－2PA。因此，我们得到以下通用关系：COR(i)＝COI+i.PA。

当然可以想到，两个相邻偏移角OFF(i)之间的差可变化，也就是说间距可以不是恒定的。

还考虑到，有更多的辅助参考太阳能电池组件21(j)关联至正的偏移角OFF(j)，或者相反地，具有更多辅助参考太阳能电池组件21(j)关联至负的偏移角OFF(j)。也就是说，可以想到参考太阳能发电设备2包括：

－辅助参考太阳能电池组件20(j)仅关联至正偏移角OFF(j)；或者

－辅助参考太阳能电池组件20(j)仅关联至负偏移角OFF(j)；或者

－P1辅助参考太阳能电池组件20(j)关联至正偏移角OFF(j)，P2辅助参考太阳能电池组件20(j)关联至负偏移角OFF(j)，其中P1和P2为非零整数且P1不同于P2(P1可大于或小于P2)。

辅助参考太阳能电池组件21(j)的数量和它们的偏移角OFF(j)的选择(间距、正负号、值)特别地取决于太阳能阵列1的主站点(配置、环境如有丘陵、山、水体等)和其太阳能收集器5的技术。

然后，引导单元7实施以下步骤：

－从各个参考太阳能电池组件20(i)接收太阳能发电量的值P(i)；

－发送到太阳能电池组件3(除了参考太阳能电池组件20(i))，作为公共方向设置COC，与参考太阳能电池组件20(i)相关联的参考方向设定点COR(i)具有最高的太阳能发电量的值P(i)。

因此，通过将关联至具有最高太阳能发电量的值P(i)的参考太阳能电池组件20(i)的参考方向设定点COR(i)作为公共方向设定点应用，引导单元7引导太阳能电池组件3的角度方向。也就是说，COC＝COR(m)＝COI+m.PA，其中P(m)对应P(i)的最大值。

如果最高太阳能发电量的值关联至与辅助参考太阳能电池组件20(j)相关的辅助参考方向设定点COR(j)，那么只有当该辅助参考太阳能电池组件20(j)在预设的等待时间DAT期间具有最高太阳能发电量的值P(j)时，通过将所述辅助参考方向设定点COR(j)作为公共方向设定点COC应用，引导单元7对太阳能电池组件3的角度方向实施引导。

该等待时间DAT根据以下参数中的至少一个建立：

－改变除了参考太阳能电池组件20(i)以外的太阳能电池组件3的方向所必需的能耗，偏移角OFF(j)关联至具有最高太阳能发电量的值P(j)的辅助参考太阳能电池组件20(j)；

－在改变偏移角OFF(j)方向期间导致的，除了参考太阳能电池组件20(i)以外的太阳能电池组件3的太阳追踪器4的机械构件的磨损率，该偏移角OFF(j)关联至具有最高太阳能发电量的值P(j)的辅助参考太阳能电池组件20(j)。

因此，特别是在散射辐射和/或反射的情况下，如果光伏板为双面类型，参考太阳能发电设备2允许检测关于初始方向设定点COI的偏移角OFF(j)，这将提供太阳能发电量的增加，并且引导单元7将该偏移角OFF(j)应用至所有太阳能电池组件3，以便增加太阳能阵列1的发电量。

当然，上文提到的实施例不是限制性的，并且可以将其他改进和细节添加到根据本发明的太阳能阵列中，在不脱离本发明的范围的情况下，例如可以实施其他形式的太阳能电池组件和/或太阳能收集器。

Claims (10)

1.一种太阳能阵列，包括：

多个单轴太阳追踪器，每个单轴太阳追踪器绕主轴旋转，主轴设置为大致南北方向；

多个太阳能电池组件，其安装在多个单轴太阳追踪器上；

多个致动器，用于使多个单轴太阳追踪器绕主轴旋转；

中央参考太阳能电池组件，位于所述多个单轴太阳追踪器的第一个上；

辅助参考太阳能电池组件，位于所述多个单轴太阳追踪器的第二个上；

引导单元，链接至多个致动器，以通过向所有太阳能电池组件(3)应用公共方向设定点来控制太阳能电池组件的角度方向，其中所述引导单元适用于：

根据中央参考方向设定点引导所述中央参考太阳能电池组件的角度方向，并根据辅助参考方向设定点引导所述辅助参考太阳能电池组件的角度方向；

从各个中央参考太阳能电池组件和辅助参考太阳能电池组件接收太阳能发电量的值；

确认中央参考太阳能电池组件和辅助参考太阳能电池组件中的哪一个具有更高的太阳能发电量；并且

将太阳能电池组件的角度方向引导至中央参考方向设定点和辅助参考方向设定点中具有最高太阳能发电量的一个。

2.根据权利要求1所述的太阳能阵列，还包括计算单元，设置为根据太阳位置的天文计算确定所述多个太阳能电池组件的初始方向设定点。

3.根据权利要求2所述的太阳能阵列，其特征在于，所述计算单元适用于根据多个单轴太阳追踪器可能的最小方向和最大方向或太阳能组件上的阴影来计算初始朝向设定点。

4.根据权利要求1所述的太阳能阵列，其特征在于，中央参考方向设定点和辅助参考方向设定点之间的差等于或小于3度。

5.根据权利要求1所述的太阳能阵列，还包括多个辅助参考太阳能电池组件，每个由所述多个单轴太阳追踪器中的一个来支撑。

6.根据权利要求5所述的太阳能阵列，其特征在于，所述多个辅助参考太阳能电池组件中的每一个都具有单独的辅助参考方向设定点。

7.根据权利要求6所述的太阳能阵列，其特征在于，所述引导单元还设置为将太阳能电池组件的角度方向引导至具有最高的太阳能发电量的值的辅助参考方向设定点。

8.根据权利要求6所述的太阳能阵列，其特征在于，所述多个辅助参考太阳能电池组件设置为成对的辅助参考太阳能电池组件。

9.根据权利要求8所述的太阳能阵列，其特征在于，每对辅助参考太阳能电池组件具有正偏移角和负偏移角。

10.根据权利要求9所述的太阳能阵列，其特征在于，相邻的辅助参考太阳能电池组件之间的角位移不超过3度。