本发明属于太阳能发电技术领域，具体涉及一种极轴光伏阵列发电单轴跟踪装置及其控制方法。
背景技术
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年欧盟联合研究中心预测，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％。现有的光伏发电单轴跟踪装置(以下简称为“装置”)大多是基于地平坐标系的跟踪方式，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，导致装置跟踪效率差，光伏阵列发电输出效率降低；此外，基于地平坐标系的单轴跟踪方式由于要不断地跟踪太阳高度角或方位角，导致步进电机不断工作，降低了使用寿命，增加了维护量；同时由于装置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。因此研究提供一种极轴光伏阵列发电单轴跟踪装置及其控制方法是十分必要的。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种极轴光伏阵列发电单轴跟踪装置及其控制方法，可有效地提高光伏阵列发电效率，降低故障率。
本发明是这样实现的：如图1所示，其特征是：包括有按照阵列排布的第一、第二、……第n光伏组件1’、1”……1n’、光伏组件的上端连接件2、连接架3、横向丝杆轴4、横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5、纵向丝杆轴6、纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7、支撑座8、光伏组件的下端连接件9，其结构是：支撑座8固定在地基11上，其上部安装有纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7，纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7上面安装有纵向丝杆轴6，纵向丝杆轴6上部安装有横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5，横向丝杆轴4一端与横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5连接，另一端与连接架3连接，第一、第二、……第n光伏组件1’、1”……1n’下端分别与安装在地基11上的下端连接件9相铰接，上端通过上端连接件2分别与连接架3相铰接；第一、第二、……第n光伏组件1’、1”……1n’上面安装有光敏传感器10，纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7带动纵向丝杆轴6转动并带动横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5纵向移动，横向步进电机与蜗轮蜗杆减速器件组合体5带动横向丝杆轴4转动并带动连接架3横向移动，其中，横向丝杆轴4和横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5水平安装，纵向丝杆轴6和纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7垂直安装。上述装置的控制方法是：
设春秋分日，按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n与地面夹角等于θ＝φ，φ是当地维度。设按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n长度为a，按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n顶端与底端的高度差为b，则a与b之间满足式(1)。
然后，判断某一天是一年中的第n天，n为正整数，根据式(2)计算出太阳赤纬角δ，则按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n与地面的倾角αs可由式(3)得到，式(3)中的正负号取春夏为正，秋冬为负，则横向丝杆轴4和横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5水平的横向移动距离δa可由式(4)得到，δa为正，朝按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n方向移动，δa为负，则朝按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n反方向移动，纵向丝杆轴6和纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7垂直移动距离δb可由式(5)得到，δb为正，朝下部支撑件8方向移动，δb为负，则朝下部支撑件8反方向移动。
αs＝θ±δ(3)
δa＝(cosθ-cosαs)a(4)
δb＝±|sinθ-sinαs|a(5)
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ωz与太阳时角ω间存在误差。真太阳时角ωz可由式(6)～(8)得到。
e＝9.87sin2b-7.53cosb-1.5sinb(7)
其中由式(9)得到时钟时间t，t＝12点时ω＝0，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(6)中的正负号应取正号，则真太阳时间tz可由式(10)得到。
每天的日出和日落的方位角可由式(11)得到，其中日出方位角ωsr＝-ωs，日落方位角ωss＝ωs，则每天的日出日落时刻可由式(12)和(13)得到。
ωs＝arccos(-tanφtanδ)(11)
由于公式计算和装置运行都会存在误差，因此，利用横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5和纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7中的编码器可在一段时间范围内误差超过限定值时实现机构误差的归零，光敏传感器10反应太阳辐射强度，低于一定限值，机构不动作。
上述控制方法的实施步骤如图2所示，是：
步骤一、根据装置精度要求确定装置最小运行角度δ，确定误差判定时间t'，误差限定值κ，当地经度l和维度φ，当地标准时间所在地的经度ls，确定按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n长度a，春秋分日按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n与地平面的夹角θ；
步骤二、计算某一天在一年中的第n天，由公式(2)计算出当天的太阳赤纬角δ；
步骤三、根据太阳赤纬角δ和当地维度φ，由公式(3)得到按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n与地面的倾角αs，由公式(4)得到横向丝杆轴4和横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5水平的横向移动距离δa，由公式(5)得到纵向丝杆轴6和纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7垂直的纵向移动距离δb，由公式(1)得到按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n顶端与底端的高度差b，由公式(11)～(13)得到ωsr、ωss、tss、tsr；
步骤四、根据时钟时间由公式(10)计算真太阳时间tz，判断真太阳时间tz是否大于等于日出时刻tsr，是，执行步骤五；否，返回步骤四；
步骤五、根据光敏传感器10判断是否阴天，是，返回步骤五；否，执行步骤六；
步骤六、根据δ调整横向丝杆轴4和横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5，根据δ调整纵向丝杆轴6和纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7，即调整按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n与地面的倾角αs，执行步骤七；
步骤七、判断误差判定时间t'是否达到，是，执行步骤八；否，执行步骤九；
步骤八、判断误差是否超过误差限定值κ，是，装置复位到初始值，然后，根据δ调整横向移动距离δa和纵向移动距离δb，使按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n与地面的倾角为αs；否，执行步骤九；
步骤九、判断真太阳时间tz是否大于等于日落时刻，是，装置停止，否，返回步骤九；
本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：①与现有技术比较，由于控制方法中的装置采用了极轴坐标结构，可以减少装置在极轴方向的运行次数，延长了装置寿命；②由于在装置上安装了编码器，提高了装置的跟踪精度；③装置简单、控制方便、成本低廉、性价比高。
附图说明
图1为本发明装置示意图；
图2为本发明控制方法流程图；
图3为本发明智能控制法与传统计算太阳位置跟踪法输出对比图；
图中：1’、1”……1n’—按照阵列排布的第一、第二、……第n光伏组件，2—光伏组件上端连接件，3—连接架，4—横向丝杆轴，5—横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体，6—纵向丝杆轴，7—纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体，8—支撑座，9—下端连接件、10—光敏传感器，11—地基。
具体实施方式：
如图1所示为本实施例的装置示意图，选取横向步进电机和纵向步进电机的额定功率为200w，额定电压为50v，额定电流为4a，装置上安装的光伏组件最大输出功率为1000w，齿数比为50：1；选定光敏电阻为cds光敏电阻。
以上海2013年9月22日下午15点为例，控制方法步骤为(1)设定的最小运行角度δ＝0.1°、误差判定时间t'＝30天，误差限定值κ＝0.2°，当地经度和纬度分别为121.48°和31.2°，当地标准时间所在地的经度(即北京的经度)为116.4°，确定按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n长度为1米，春秋分日按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n与地平面的夹角为θ＝φ＝31.2°，执行步骤(2)；(2)确定9月22日为一年中的第266天，由公式(2)计算的太阳赤纬角为δ＝-0.8966°，执行步骤(3)；(3)根据太阳赤纬角δ＝-0.8966°和当地维度φ＝31.2°，由公式(3)得到按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n与地面的倾角αs＝32.0966°，由公式(4)得到横向丝杆轴4和横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5水平的横向移动距离δa＝0.0081米，由公式(5)得到纵向丝杆轴6和纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7垂直的纵向移动距离δb＝0.0133米，由公式(1)得到按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件1’、1”……1n顶端与底端的高度差b＝0.5313米，执行步骤(4)；由公式(10)计算的真太阳时间为tz＝14.72小时，由公式(11)得到9月22日的日出和日落时角分别为ωsr＝-89.5°和ωss＝89.5°，由公式(12)和(13)得到日出时刻和日落时刻分别为tsr＝6.03和tss＝17.97小时，大于日出时刻，执行步骤(5)；(5)没有阴天，执行步骤(6)；(6)根据δ调整横向丝杆轴4和横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体5，根据δ调整纵向丝杆轴6和纵向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体7，执行步骤(7)；(7)误差判定时间t'没达到，执行步骤(9)；(8)真太阳时间tz小于等于日落时刻，返回执行步骤(9)。
其运行结果与传统计算太阳位置跟踪法比较如图3所示。
可见本发明在一年中的任意一天达到跟踪太阳的目的，且跟踪精度高，装置部件少，装置运行次数少，延长了装置寿命，提高光伏发电系统的输出功率。