[发明专利]一种自适应变时间太阳能跟踪控制方法

摘要

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。

主权项

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Tb，即Tb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Td‑(Tb‑Tu)，记作Te，从而，太阳能电池板跟踪时间区间由(Tu,Td)调整为(Tb,Te)，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,t3L ti,t(i+1)L tn)，利用太阳方位角与太阳高度角计算公式计算出(t1,t2,t3L ti,t(i+1)L tn)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(αs1,αs2,αs3…αsi,αs(i+1)…αsn)，太阳方位角分别记为(γs1,γs2,γs3…γsi,γs(i+1)…γsn)；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θγi＝|γs(i+1)‑γsi|/2，在太阳高度角方向上的超前角为θαi＝|αs(i+1)‑αs(i)|/2，其中，i＝1,2,3,L,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|γs1|‑θγ1是否小于90°：(a)若|γs1|‑θγ1≥90°，将太阳能电池板逆时针旋转|γs1|‑θγ1‑90°，接下来以(t2,t3L,tn‑1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针旋转θγi+θγ(i+1)，i＝1,2…n‑2，时刻tn不进行旋转，继续采集能量直到日落时刻Ts，将太阳能电池板逆时针旋转|γs1|‑θγ1‑90°，结束当天的转动；(b)若|γs1|‑θγ1＜90°，将太阳能电池板顺时针旋转90°‑(|γs1|‑θγ1)，接下来以(t2,t3L,tn‑1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针旋转θγi+θγ(i+1)，i＝1,2…n‑2，时刻tn不进行旋转，日落时刻Ts将太阳能电池板顺时针旋转90°‑(|γs1|‑θγ1)，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,t3L ti,t(i+1)L tn)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αsm，该时间端点记为tm，从而整个时间序列更新为(t1,t2,t3L,tm,ti,t(i+1)L tn)；t1时刻，将太阳能电池板顺时针翻转90°‑(|αs1|+θα1)，接下来以(t2,t3L,tm‑1)时刻顺序依次将太阳能电池板逆时针翻转θαi+θα(i+1)，其中，i＝1,2…m‑2；对于时刻tm：(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θα(m‑1)；接下来以(tm+1,tm+2L,tn‑1)时刻顺序依次将太阳能电池板顺时针翻转θαi+θα(i+1)，i＝m,m+1…n‑2，时刻tn不进行翻转；在日落时刻Ts，将太阳能电池板逆时针翻转90°‑(|αs1|+θα1)，结束当天的转动。