本发明与能量转换系统相关。更确切地说，本发明涉及控制太阳能跟踪系统以高效地捕获太阳能辐射以用于转换为电能。
背景技术：
：：随着逐渐认识到燃烧化石燃料的环境影响和相关联成本，太阳能已经变为有吸引力的替代品。太阳能跟踪系统跟踪太阳的轨迹以较高效地捕获辐射，所述辐射随后转换成电能。太阳能跟踪系统当天气条件改变时或者当它们并不考虑减少所捕获光量的局部地表形态时效率较低。技术实现要素：根据本发明的原理，基于天气和太阳能跟踪系统局部的地表形态通过全局性能模型来控制所述太阳能跟踪系统。在一个实施例中，性能模型使用周期性地更新其参数进而从天气和地表形态数据学习的机器学习算法。在一个实施例中，太阳能跟踪系统包括形成太阳能面板模块行的网格的多行太阳能面板模块，其中每一行可相对于其它行独立地定向到太阳能源(例如，太阳)。作为一个实例，每一行太阳能面板模块定向到太阳能源的入射角可以不同于其它行太阳能面板模块中的每一者定向到太阳能源的入射角。所述性能模型优化网格的总输出，由于邻近行之间的交互(耦合)，这不一定对应于优化来自每一个别行的输出。在一个实施例中，性能模型由多项式表征，所述多项式确定太阳能面板模块的每一个别行的定向以优化(例如，最大化)从太阳能面板模块网格输出的总能量。优选地，基于地表形态而确定性能模型的参数。基于例如预报和历史天气数据等天气条件来周期性地更新参数。以此方式，性能模型是连续地优化太阳能跟踪系统以考虑变化的天气条件的学习模型。在另一实施例中，性能模型包括漫射表，所述漫射表使太阳能跟踪系统的能量输出相关到天气条件。根据本发明，使用激光现场勘测、使用耦合到太阳能面板模块的光伏装置上的能量读数的习得勘测、太阳能面板模块上的能量读数、使太阳的位置和所得遮挡相关到地形位置的飞机和无人机成像来确定地表形态，仅举几个实例。使用通过局部数据告知的卫星天气预报(“地面实况”)、瞄准天空的相机、太阳能面板模块上的功率测量值以及光伏装置上的电压测量值来确定天气条件。根据实施例的太阳能跟踪系统使用提供故障保护功能性的网状网络。附图说明附图用以说明本发明的实施例。在所有图中，相同标记指代相同或相似元件。图1示出包含多行太阳能面板模块的太阳能跟踪系统的一部分。图2示出根据本发明的一个实施例的太阳能跟踪系统。图3是根据本发明的一个实施例的漫射控制架构nx监控与数据采集(scada)的框图。图4示出根据本发明的一个实施例的用于确定太阳能网格的全局最佳性能模型的参数的过程(增强跟踪算法)的步骤。图5是根据本发明的一个实施例的从每年数据生成的漫射表。图6是根据本发明的一个实施例的漫射比率表跟踪的曲线图，其标绘跟踪器角度比率系数对dhi/ghi比率。图7是根据本发明的一个实施例的漫射比率表回溯的曲线图，其标绘跟踪器角度比率系数对dhi/ghi比率。图8示出根据本发明的一个实施例的scada的组件。图9示出根据本发明的一个实施例的包括一行太阳能面板模块和用以使用遮挡确定多个spm的相对高度的“小型太阳能面板”的配置。图10-23示出根据本发明的一个实施例的算法和使用算法以确定相对高度的结果。具体实施方式根据本发明的原理的太阳能跟踪系统较高效地捕获辐射以用于转换为电能。将了解，对于大的产能系统，例如生成数百兆瓦的那些系统，小百分比的效率增益会转换为能量输出的大增益。根据一个实施例，包括个别行太阳能面板模块的太阳能跟踪系统对每一行独立于其它行进行调节以提供更精细调谐的跟踪，并且还高效地捕获漫射辐射以增加系统输出的总能量。优选地，所述太阳能跟踪系统是基于周期性地基于学习算法进行调谐的性能模型，所述学习算法将预测值(例如，入射于太阳能面板上的辐射或在太阳能面板处生成的输出)与实际值进行比较且相应地更新性能模型。在一个实施例中，通过标绘天气条件(例如，漫射分数指数与最佳漫射增益的比率或漫射辐射与直接辐射的比率)且使用回归将曲线(性能模型)拟合于数据来生成性能模型。在另一实施例中，此数据存储于漫射表中。图1示出用以阐释本发明的原理的太阳能跟踪系统100的一部分，其包含形成太阳能面板模块网格的多个太阳能面板110a-d。太阳能面板模块110a-d中的每一个具有用于接收太阳能辐射的集光表面，所述太阳能辐射稍后被转换为电力以用于存储于电池中和用于分配到负载。本发明的实施例确定预测所述网格的输出的性能模型，所述性能模型用以使太阳能面板模块行中的每一个定向到太阳或其它辐射源以优化从所述网格输出的总能量。优选地，从含有所述网格的区域的地表形态、太阳能面板模块中的每一个的局部天气条件或这两者来确定所述性能模块。作为一个实例，所述性能模型考虑太阳能面板的行(邻近和其它情况)之间的相依性(耦合)。举例来说，如果太阳能面板模块行110a遮挡或部分地遮挡太阳能面板模块行110b，那么这两行称为耦合的。换句话说，由于在一天的特定时间的遮挡或行110a与110b之间的其它关系，使整个网格输出的全局能量最大化不一定对应于使行110a和110b输出的能量最大化。实际上，可能通过协调输出，例如通过定向行110a以生成其最大值的80％且定向行110b以生成其最大值的10％来使全局能量输出最大化。性能模型针对系统100中的所有行中的每一行确定这些系数或增益(且因此对太阳的定向角度)，所述每一行包含行110a和110b。如本文所使用，在一个实施例中，“定向”意味着改变太阳能面板模块的法线与到太阳的线之间的角度(“入射角”)，改变太阳能面板模块相对于固定位置(例如，gps位置)的x-y-z坐标的任何组合，沿着x-y-z坐标轴中的任一个旋转太阳能面板模块，或这些的任何组合。在阅读本发明之后，本领域的技术人员将认识到定向太阳能面板模块行以改变照射于其上且转换成电能的辐射量的其它方法。图2示出根据本发明的一个实施例的太阳能跟踪系统200。太阳能跟踪系统200是分布式对等网络。太阳能跟踪系统200包含多行太阳能面板模块(spm)spm1...spm8，一起形成太阳能面板模块的网格。每一spmi(此处i＝1到8，但其它值也是预期的)耦合到对应的自供电控制器(spci)和驱动组合件(dai，未图示)。每一spci具有用于基于定向命令而定向其对应驱动组合件(dai)且因此定向spmi的逻辑。作为一个实例，spci从网络控制单元(下文描述)接收定向命令以定向spci与太阳之间的入射角θi。对应驱动组合件dai将spmi定位于角度θi。行spmi205i中的每一个能够独立于其它行而定向。太阳能面板模块spmi行中的每一行接收光，将光转换为电力，且将电力存储于对应数据存储媒体smi中，其中i＝1到8。存储媒体sm1...sm8联合在一起且通过分配面板215电耦合到客户负载220。网络控制单元(ncu)ncu1和ncu2各自无线耦合到spm中的一或多个。如图1所示，ncu1无线耦合到spcspc1到spc4且ncu2无线耦合到spcspc5到spc8。ncu1和ncu2两者在以太网缆线上耦合到nxfp交换机250。交换机250将ncu1和ncu2耦合到nx监控与数据采集(scada)260，所述scada又耦合到交换机270，所述交换机在例如云网络的网络上耦合到远程主机296。在一些实施例中，远程主机296执行例如生成性能模型、检索天气数据等处理，仅举几例此类任务。为便于参考，ncu1、ncu2、nxscada260和nxfp交换机250的组合称为“scu”系统控制器265。由点线280封闭的组件一起共同称为“网格”或“区”280。优选地，区280中的每一ncu耦合到区280中的剩余ncu中的每一个，进而形成网状架构。因此，如果出于任何原因，ncu1失去到nxscada260的通信，那么ncu1可通过ncu2与nxscada260通信。换句话说，区280中的每一ncu为区280中的任何其它ncu充当到nxscada260的网关。此增加的冗余提供了故障保护网络。在一个实施例中，区280中的ncu彼此无线耦合。区280中的每一ncu具有增加的功能性。作为一些实例，区280中的ncu一起确保性能模型经全局优化且区280中的组件恰当地操作。如果例如spc1指示ncu1其被遮挡，但根据性能模型，spc1不应被遮挡，那么ncu1确定错误已发生。每一spc还向其相关联ncu告知所述spc何时已改变其定向。使用此信息，ncu可因此跟踪太阳能面板模块spmi的定向。根据一个实施例，如果一行太阳能面板模块经受灾难性故障且无法与其相关联scada通信，那么太阳能面板模块进入默认模式。作为一个实例，在默认模式中，spmi独立于整个网格的能量转换而优化其能量转换。将了解，图2已简化以便于图示。在其它实施例中，区280含有少于8个spm和2个ncu，但优选地多于此数目。在一个实施例中，spc与ncu的比率至少在50:1到100:1之间。因此，作为一个实例，在正常操作期间，ncu1通过spc50与spc1通信，ncu2与spc51到spc100通信等。在操作中，基于含有特定太阳能面板模块的区域的地表形态、特定太阳能面板模块局部的天气或这两者，针对太阳能面板模块中的每一个生成性能模型。在一个实施例中，天气包括直射光的量、直射法向辐照度(dni)的量、全局水平辐照度(ghi)、漫射水平辐照度(dhi)、这些的任何组合、这些中的任何两个的比率(例如，dhi/ghi)，或这些的任何函数。在阅读本发明之后，本领域的技术人员将认识到可用于生成根据本发明的原理的性能模型的dni、ghi和dhi的函数。通过将天气条件拟合到输出，使用回归或其它曲线拟合的技术确定基础性能模型。将了解，每一spm具有尤其基于其地表形态和局部天气条件的其自身的性能模型。如下所述，随后基于漫射分数天空更新每一基础性能模型。作为一个实例，将基础性能模型的参数推送到与太阳能面板模块spmi相关联的spc。如果不需要基于“漫射分数”天空的调节，那么这些参数反映太阳能面板模块的定向。为了考虑漫射辐射，还将基于漫射角度调节的参数发送到特定spci。作为一个实例，用于基础性能模型的参数指示为了性能模型的全局优化，太阳能面板模块应当定向于10度的入射角。漫射角度调节因子数据指示10度对于此spm不是最佳的，而是应当使用此角度的70％(0.7的因数)。因此，将0.7的漫射角度调节因子(增益因数)推送到特定太阳能面板。当特定spc接收到两个参数时，其将其相关联太阳能面板定向到(0.7)*(10度)＝7度的入射角。优选地，周期性地执行漫射角度调节，例如每小时一次，但也能使用其它周期。本发明的一些实施例通过使用回溯而避免早晨的遮挡。性能模型因此生成针对清晨跟踪(以避免遮挡)的一些增益(例如，用于定向spm的目标角度)和用于其它时间的另一增益。根据这些实施例的系统被称为在两个模式中操作：常规跟踪和回溯。即，系统在清晨的指定时间使用回溯算法(性能模型)且在所有其它时间使用常规跟踪算法。性能模型在预报天气与瞬时天气之间进行区分。举例来说，瞬时天气改变(例如，辐射的短暂下降)可能归因于经过的云而不是实际天气改变。因此，性能模型优选地对预报天气给予较多权重。图3是根据本发明的一个实施例的漫射控制架构nxscada300的框图。nxscada300接收天气预报(例如，dfi)、ncu和spc数据(未经修改的跟踪角度)、现场配置参数(例如，spc产出状态和漫射表)作为输入且输出每一spc的跟踪和回溯最佳比率。根据本发明的一个实施例的漫射表标绘了用于确定性能模型的最佳漫射增益对漫射分数指数。图4示出根据本发明的一个实施例的用于确定性能模型的参数的过程的步骤400。虽然针对网格中的每一行太阳能面板执行所述过程，但下文的阐释描述用于网格中的单个太阳能面板模块行的过程。将了解，将针对剩余太阳能面板模块行执行所述过程。首先，在步骤405中，从特定太阳能面板模块行的纬度和经度以及日时间计算太阳位置角度(spa)。接下来，在步骤410中，确定在产出状态中的bit0是否接通。此处，bit0和bit1是用以描述太阳能跟踪器处于可能的4个模式中的哪一个的两位序列(bit0bit1)：bit0＝0/1对应于行到行(r2r)跟踪断开/接通，且bit1＝0/1对应于漫射跟踪断开/接通。因此，举例来说，bit0bit1＝01对应于r2r跟踪断开且漫射跟踪接通，bit0bit1＝10对应于r2r跟踪接通且漫射跟踪断开等。在其它实施例中，bit0＝1/0对应于r2r跟踪断开/接通，且bit1＝1/0对应于漫射跟踪断开/接通。所述指定是任意的。如果bit0未接通，那么过程前进到步骤415，其中将spa_tracker设定成spa_site，且继续到步骤425。如果在步骤410中确定处于产出状态的bit0接通，那么过程继续到步骤420，其中转换用于跟踪器的spa，由此过程继续到步骤425。在步骤425中，计算“回溯”。从步骤425，算法前进到步骤430，其中确定处于产出状态的bit1是否接通。如果bit1接通，那么过程继续到步骤435；否则，如果处于产出状态的bit1断开，那么过程继续到步骤455。在步骤435中，过程确定在上70分钟内是否已接收到漫射比率。如果在上70分钟内已接收到漫射比率，那么过程继续到步骤440；否则，过程继续到步骤455。在步骤440中，过程确定特定spc是否处于回溯模式。如果确定spc不处于回溯模式，那么过程继续到步骤445；否则，过程继续到步骤450。在步骤445中，将跟踪器目标角度设定成(跟踪器目标角度)*漫射比率。从步骤445，过程继续到步骤455。在步骤450中，将目标跟踪器角度设定成(目标跟踪器角度)*diffused_backtrack_ratio。从步骤455，过程继续到步骤455。在步骤455中，将跟踪器移动到目标跟踪器角度。如图4中所示，步骤415、420和425形成r2r算法；步骤435形成“时间放弃”算法；且步骤440、445、450、455形成漫射算法。在图4中，对于时间放弃，如果在上70分钟内未接收到漫射比率，那么将比率设定成1。本领域的技术人员将认识到，步骤400仅说明本发明的一个实施例。在其它实施例中，可增加一些步骤，可删除其它步骤，可以不同次序执行步骤，且可改变时间周期(例如，漫射调节之间的70分钟)。图5是根据一个实例的针对每年数据生成的漫射表，其标绘最佳漫射增益对漫射分数指数。图6是根据本发明的一个实施例的用于跟踪的最终漫射比率表的曲线图，其标绘跟踪器角度比率系数对dhi/ghi比率。图7是根据本发明的一个实施例的用于回溯的最终漫射比率表的曲线图，其标绘跟踪器角度比率系数对dhi/ghi比率。图8示出根据本发明的一个实施例的scada700。scada800包括行到行(r2r)跟踪模块801、存储装置805、漫射角度调节器810、第一传输模块815和第二传输模块820、dhi-ghi模块825、天气查找模块835和报告引擎830。r2r跟踪模块801耦合到存储装置805、漫射角度调节器810和第一传输模块815。r2r跟踪模块801跟踪太阳能面板模块在其位置的斜率，将斜率存储于存储装置805中，将目标跟踪角度(针对给定日期和时间)发送到漫射角度调节器810，且将斜率传输到第一传输模块815以用于推送到spc。天气查找模块835收集用于dhi-ghi模块825的天气数据，所述dhi-ghi模块将天气数据提供到漫射角度调节器810。漫射角度调节器将漫射角度传输到第二传输模块820，所述第二传输模块将数据推送到其相关联spc，并且还推送到报告引擎830。局部传感器数据(lsd)模块840从ncu接收局部感测的天气数据(例如，天气、风或其它局部感测的数据)且将所述数据推送到天气查找模块835。地表形态模块802经配置以存储地图且将地表形态信息传送到r2r跟踪模块801。所述信息可用以计算行到行表。预期r2r跟踪模块801可包含地表形态模块802。可按周期性基础更新存储于地表形态模块802中的信息。举例来说，可使用激光现场勘察、使用spc上的光伏装置习得的勘察、太阳能面板模块上的闭环读数或者飞机或无人机成像来确定地表形态信息。如上文所解释，优选地scada800不推送用于每一个别spa的“最佳”角度，而是优化总全局能量输出的角度。漫射角度调节器810不推送角度，而是比率(例如，70％，“增益因数”)。在优选实施例中，scada800经配置以传输两个增益：用于常规跟踪的增益，和用于“回溯”的增益，即用以避免在清晨时间期间的遮挡的增益。因此，根据一个实施例，scada800确定日时间且因此确定是生成常规跟踪增益还是回溯增益，这被推送到spc。如上文所解释，在一个实施例中，从使用小太阳能面板(“小型太阳能面板”)的spm(邻近和其它情况)之间的遮挡确定每一spm的拓扑，所述小太阳能面板各自耦合到如上文所描述的spm上的自供电控制器(spc)或与其集成或者以其它方式耦合到spm。如本文所使用，类似于spm中的个别太阳能面板，小型太阳能面板能够读取照射其表面的辐射(例如，太阳能辐射)的量。类似于spm，此辐射量能够与表面到太阳能源的定向(例如，入射角)有关。图9示出支撑小型太阳能面板910和一行太阳能面板模块901两者的扭力管，spm901包括个别太阳能面板901a-j。扭力管耦合到驱动组合件(未图示)以用于将spm901和小型太阳能面板910的辐射收集表面定向(此处，旋转)到太阳能源。在一个实施例中，小型太阳能面板910确定spm之间的遮挡和因此其相关高度。以此方式，可估计“高度分布”。在下文，β事件指代面板不再被遮挡。举例来说，当spm中的第一者移动时，可触发β事件以示出其它面板不再被遮挡。这些遮挡事件可决定spm的相对高度和次序(顺序)。图10-23用以阐释根据本发明的一个实施例的此确定。图11-17尤其示出可如何使用简单三角学来确定相对高度(dh)。图18示出用于确定相对高度的简单递归算法。图19-23示出根据本发明的一个实施例的使用此算法的结果。在不同实施例中，小型太阳能面板与为spc供电的光伏装置相同或形成其部分，或是与为spc供电的光伏装置分开的组件。因此，根据图9-23可使用与小型太阳能面板不同的光伏装置以确定本文中描述的spm之间的相对高度和排序。在优选实施例中，根据本发明的太阳能跟踪系统的逻辑是分布式的。举例来说，参考图2，在scada260或在通过云网络耦合到scada260的中心位置生成基础性能模型。在scada260处确定漫射调节(例如，增益)。基于增益在相关联spc处确定用于每一spc的实际目标角度。使用云网络，scada260能够接收天气预报，从云到区280中的ncu和spc共享信息，将计算功能性分担到远程处理系统，或这些或任何其它任务的任何组合。在一个实施例的操作中，针对太阳能跟踪系统在两个阶段中生成全局最佳性能模型。在第一阶段中，确定含有太阳能跟踪系统的区域的详细现场几何形状(地表形态)。这可使用激光现场勘察、使用spc上的光伏装置习得的勘察、太阳能面板模块上的闭环读数或者飞机或无人机成像来确定。作为一些实例，通过将spc上的光伏装置定向到太阳的已知位置来确定含有spc的区域的地表形态。与太阳的已知位置进行比较的能量读数可用于确定相关联太阳能面板的位置，包含其相对于固定点的x-y-z坐标(即，其gps坐标)或其相对于法向或另一固定角度的坡度/斜率中的任何一或多者，仅举几个此类坐标为例。太阳能面板可以相似方式定向且类似地确定其局部地表形态。在又一实施例中，在每一行太阳能面板模块上安装单独的感测面板。通过调节感测面板相对于太阳的定向，基于日时间(即，太阳的角度)和在感测面板上生成的输出，可确定太阳能面板模块的邻近行的相对位置。在再一实施例中，物理上测量太阳能面板模块行的边缘的x-y-z坐标。在第二阶段，例如通过使用天气条件(例如，预报和历史条件)，例如使用卫星天气预报、指向天空的相机、太阳能面板模块上的功率测量值和来自spc的电压测量值，来对性能模型的参数做出周期性调节。将了解，本文所描述的spc、ncu和scada中的每一个包括含有计算机可执行指令的存储器和用于执行那些指令处理器，例如本文所揭示。将了解，太阳能网格能够跨越大的区域，以使得太阳能网格的不同部分经历不同天气条件。根据本发明的实施例，针对每一太阳能面板模块生成性能模型且基于每一者局部的天气条件更新性能模型。本领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下可对所揭示的实施例做出各种修改。作为一个实例，虽然实施例揭示多行太阳能面板模块，但每一行可被单个伸长的太阳能面板模块代替。此外，虽然实例将辐射源描述为太阳，但本发明的原理预期其它辐射源，例如热辐射源。用于生成性能模型的系统和方法在2014年12月19日提交且标题为“用于对现场建筑物组件进行建模、步骤测试和自适应控制的系统和方法(systemsforandmethodsofmodeling,step-testing,andadaptivelycontrollingin-situbuildingcomponents)”的第14/577,644号美国专利申请案中揭示，所述美国专利申请案要求2013年12月20日提交且标题为“用于通过使用通用性能数据、公用事业仪表数据和自动步骤测试表征现场建筑物和系统组件和子组件性能的系统、方法和平台(system,methodandplatformforcharacterizingin-situbuildingandsystemcomponentandsub-componentperformancebyusinggenericperformancedata,utility-meterdata,andautomaticsteptesting)”的第61/919,547号美国临时专利申请案以及2014年7月8日提交且标题为“用于商业建筑物中的自动化调测的系统、方法和平台(system,methodandplatformforautomatedcommissioningincommercialbuildings)”的第62/022,126号美国临时专利申请案的优先权，以上申请案全部特此以引用的方式并入本文中。用于自供电太阳能跟踪器的系统和方法在2015年12月16日提交且标题为“自供电太阳能跟踪器设备(self-poweredsolartrackerapparatus)”的第14/972,036号美国专利申请案中揭示，所述申请案特此以引用的方式并入本文中。用于行到行跟踪的系统和方法在2017年5月1日提交且标题为“行到行太阳跟踪方法和系统(rowtorowsuntrackingmethodandsystem)”的第62/492,870号美国专利申请案中揭示，所述申请案特此以引用的方式并入本文中。跟踪系统在2015年6月19日提交且标题为“用于太阳能跟踪器的夹具组合件(clampassemblyforsolartracker)”的第14/745,301号美国专利申请案中描述，所述申请案是2014年9月17日提交且标题为“用于太阳能跟踪器的夹具组合件(clampassemblyforsolartracker)”的第14/489,416号美国专利申请案的接续案，此案是2013年12月9日提交且标题为“水平平衡太阳能跟踪器(horizontalbalancedsolartracker)”的第14/101,273号美国专利申请案的部分接续案，此案要求2012年12月10日提交且标题为“完全可调节的跟踪器设备(fullyadjustabletrackerapparatus)”的第61/735,537号美国专利申请案的优先权，以上案全部特此以引用的方式并入本文中。当前第1页12当前第1页12