基于极轴的光伏发电双轴跟踪结构的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于太阳能发电技术领域，具体涉及一种基于极轴的光伏发电双轴跟踪结 构的控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前，可再生能源的开发和利用日益得到各国政府的关注，在不久的将来通过光 伏组件将太阳能转换成电能具有很大的开发潜力。据2004年欧盟联合研宄中心预测，到本 世纪末，光伏发电在整个世界能源供应中的比率将超过30%。现有的光伏发电双轴跟踪结 构（以下将简称为"结构"）大多是基于地平坐标系的双轴跟踪方式，且大都没有考虑太阳 日升方位角、日落方位角、当地经度与时区经度间的经度差、太阳时角和真太阳时角间的误 差等因素对太阳位置判断的影响，导致结构跟踪效率变差，光伏发电结构输出效率降低；此 外，基于地平坐标系的双轴跟踪方式由于要不断地跟踪太阳高度角、方位角，导致两个步进 电机不断工作，降低了使用寿命，增加了维护量；同时由于结构运行和公式计算误差导致预 测太阳位置与实际太阳位置存在偏差。因此研宄提供一种基于极轴坐标系的光伏发电双轴 跟踪结构的控制方法是非常有益和十分必要的。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是提供一种基于极轴的光伏发电双轴跟踪结构的控制方法，可有效地 提尚光伏发电结构跟踪精度。
[0004] 本发明是这样实现的，如图1所示，基于极轴的光伏发电双轴跟踪结构包括有光 伏组件1、第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2'、2"、2"'、倾斜丝杆轴4、上部步进电机5、 上部蜗轮蜗杆减速器6、倾斜平台7、摆动支杆11、下部步进电机12、下部蜗轮蜗杆减速器 13、固定轴承座14、移动支座16、底部丝杆轴17、底座19、下部支座20 ;其结构是下部支座 20下部固定在底座19上，其上部通过右支撑销轴10"与固定在倾斜平台7下面的下部轴承 座8相铰接，摆动支杆11下端通过左支撑销轴10'与移动支座16相铰接，摆动支杆11上 端通过上部支撑销轴10与固定在倾斜平台7下面的固定座9相铰接，由下部步进电机12 和下部蜗轮蜗杆减速器13带动底部丝杆轴17转动并带动移动支座16移动，底部丝杆轴17 的右端与固定在底座19上的固定轴承座14相铰接，在下部步进电机12、下部蜗轮蜗杆减速 器13及固定轴承座14内侧分别安装有第一、第二、第三限位开关18、18'、18"，由上部步进 电机5和上部蜗轮蜗杆减速器6带动的倾斜丝杆轴4通过上下轴承座3、3'安装在倾斜平 台7上面，倾斜丝杆轴4上端与光伏组件1连接，倾斜丝杆轴4下端安装有编码器22,光伏 组件1的四角处分别安装有第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2'、2"、2"'，倾斜平台7的 长度与摆动支杆11的长度相等，左支撑销轴10'与右支撑销轴10"的安装高度相同，本发 明特征在于对上述结构的控制方法是：
[0005] 调节倾斜平台7与地面夹角等于摆动支杆11与地面夹角为θ = φ，φ是当地维 度。设摆动支杆11长度为A，以固定轴承座14为起点，移动支座16与固定轴承座14间的 平均距离为B，则A与B之间满足式（1)。
[0006]
(1)
[0007] 然后，判断某一天是一年中的第η天，η为正整数，根据式（2)计算出太阳赤炜角 S，则摆动支杆11与地面的倾角a s可由式⑶得到，式⑶中的正负号取春夏为正，秋冬 为负，则移动支座16的移动距离ΛB可由式（4)、（5)得到，春夏季ΛB为正，移动支座16 朝固定轴承座14方向移动，秋冬季△ B为负，则移动支座16朝固定轴承座14反方向移动， 太阳方位角Ys可由式（6)得到，
[0008] (2)
[0009]
[0010]
[0011]
[0012] (6)
[0013] 其中ω是太阳时角，中午12点为0°，上午为负，下午为正，每小时的时角为 15。。
[0014] 由于地球围绕太阳的运行轨道是椭圆形轨道，因此真太阳时角ωζ与太阳时角ω 间存在误差。真太阳时角ωζ可由式（7)、（8)、（9)得到，然后将式（6)中的太阳时角ω用 真太阳时角ωζ代替，
[0016] E = 9. 87sin 2C-7. 53cos C-L 5sin C (8)[0017]
(9)
[0015] (7)
[0018] 其中由式（10)得到时钟时间t，t = 12点时ω = 〇, L为当地的经度，Ls为当地 标准时间所在地的经度，由于我国位于东半球，所以式（7)中的正负号应取正号，则真太阳 时间tz可由式（11)得到。
[0019] (10)
[0020] (11)
[0021] 每天的日出和日落的方位角可由式（12)得到，其中日出方位角C^= -ω S，日落 方位角Uss= ω s，则每天的日出日落时刻可由式（13)和（14)得到。
[0022] ω s= arccos (-tan Φ tan δ ) (12)
[0023] (13)
[0024] (14)
[0025] 由于公式计算和结构运行都会存在误差，此外，结构在运行过程中可能会部分遮 敝，因此，在光伏组件1上安装有第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2'、2"、2"'，在倾斜丝 杆轴4上安装有编码器22,分别对第一、第二、第三、第四光敏传感器2、2'、2"、2" '的电阻 值 R2、R2,、R2，，、R2，，，进行比较：
[0026] 如果，R2= R 2, = R 2? = R2,,，，则说明无极轴误差且光伏组件没有被部分遮蔽；
[0027] 如果R2^ R 2，乒R 2,,乒R2,,,，则说明摆动支杆11与地面的倾角α 3和结构的太阳方 位角γ 3均有误差，首先通过下部步进电机12和下部蜗轮蜗杆减速器13调整摆动支杆11 与地面的倾角a s使得R 2= R 2"、R2, = R 2"，，然后结合编码器22的角度信号S，通过上部步 进电机5和上部蜗轮蜗杆减速器6调整结构的太阳方位角γ s，使得R2= R 2,、R2,, = R2,,，，即 尺2= R 2, = R 2" =尺2"，；
[0028] 如果R2^ R 2"，但R2= R 2，和R 2" = R2,,，，则说明摆动支杆11与地面的倾角α 3有 误，判断馬与R2，，的大小，使摆动支杆11与地面的倾角α 3向电阻值小的一侧运行，直到R2 -1^2，- R 2" -尺2"，；
[0029] 如果，R2^ R 2,，但R2= R 2"和R2, = R 2"，，则说明结构的太阳方位角γ s有误，判断 馬与R2，的大小，使结构的太阳方位角γ 3向电阻值小的一侧运行，结合编码器22的角度信 5 S，使得 R2= R 2, = R 2" =馬"，；
[0030] 如果，突然出现四个光敏电阻值中三个相等，一个不等的情况（例如R2= R2,= R2，，辛R2，，，），则说明出现了部分遮蔽情况，判断四个电阻值那个最小，使摆动支杆11与地面 的倾角as和结构的太阳方位角γ s向电阻值最小的一侧运行，首先调整摆动支杆11与地 面的倾角a s使得R 2= R 2，，、R2, = R 2，，，，然后结合编码器22的角度信号S，调整结构的太阳 方位角 y s，使得 R2= R 2,、R2" = R2"，，即 R2= R 2, = R 2" = R2，，，。
[0031] 为了防止误动作对结构的损害，在下部步进电机12、下部蜗轮蜗杆减速器13、和 固定轴承座14上安装有第一、第二、第三限位开关18、18'、18"、当移动支座16碰到第一、第 二、第三限位开关18、18'、18"，结构停止。
[0032] 上述控制方法的实施步骤如图2所示，是：
[0033] 步骤一、根据结构精度要求确定结构最小运行角度Δ，确定每次运行间隔时间 Δ t，当地经度L和维度Φ，当地标准时间所在地的经度Ls，确定摆动支杆11长度A，与地平 面的夹角Θ，移动支座16与固定轴承座14间的平均距离B，采样编码器22的角度信号S ;
[0034] 步骤二、计算某一天在一年中的第η天，由公式（2)计算出当天的太阳赤炜角δ ;
[0035] 步骤三、根据太阳赤炜角δ和当地维度φ，由公式（3)得到摆动支杆11与地面的 倾角a s，由公式（5)得到移动支座16的移动距离ΛΒ，由公式（12)得