基于爬山算法的光伏发电太阳方位跟踪系统及跟踪方法与流程

本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种在提高接收太阳光效率中基于爬山算法的光伏发电太阳能方位跟踪系统及跟踪方法。

背景技术：

光伏发电是是当今太阳光发电的主流。目前制约太阳能发电的最大瓶颈是太阳利用率低，虽然通过对太阳自动跟踪在很大程度上提高了太阳能的利用率，但各种跟踪方式均存在一定的适用性和局限性。目前在太阳方位自动跟踪方法主要有：光电跟踪方式、太阳运动轨迹跟踪方式以及这两种方式的切换及复用。光电跟踪方式是一种闭环的控制方式，灵敏度高，但是容易受天气影响，引起系统的误动作；太阳运动轨迹跟踪方式分为单轴跟踪和双轴跟踪，是通过计算太阳运动轨迹来控制跟踪转置跟踪太阳方位，属于开环的控制方式，这种方式不受天气影响，能使跟踪装置较为稳定的进行跟踪，但其开环跟踪方式自身存在着积累误差，且自身不能消除；光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式的切换使用，虽然一定程度上解决了受天气影响的问题，但是不能消除太阳运动轨迹跟踪方式的积累误差；光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式的复用，同时采用两种方式进行跟踪，保证了跟踪的精度和可靠性，但同时也增加了跟踪装置的复杂性和额外的电能损耗。

目前太阳能电池板自动跟踪系统还需要更进一步的完善，还具有广阔的研究前景和发展空间。由于光伏电池的输出特性是非线性的，易受周围环境因素的影响，使得系统的跟踪精度很难提高，且结构较为复杂，但随着现代科技的迅速发展，太阳能自动跟踪技术的机构简化和跟踪精度的提高将成为必然的发展趋势。

技术实现要素：

本发明提出一种基于爬山算法的光伏发电太阳能方位跟踪系统及跟踪方法，以解决光电跟踪方式中易受天气影响和太阳运动轨迹跟踪方式中存在积累误差的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于爬山算法的光伏发电太阳方位跟踪系统，包括：

光强传感器，用于采集太阳的光强数据；

信号处理器，用于对光强数据进行处理，得到光强信息；

控制器，根据所述的光强信息，判断天气状况以选择跟踪模式，并控制太阳方位自动跟踪器带动太阳能板执行对应的跟踪策略；

其中，所述的判断天气状况以选择跟踪模式包括：

把光强传感器每隔tr时间内采集的光强信息进行处理得平均值er；设定阈值em，当er>em时，采用晴天和多云天气模式；当er≤em时，采用阴雨天气模式；

所述的跟踪策略包括：

策略1：晴天和多云天气模式

计算当前时间、位置的太阳方位角初值θa和太阳高度角初值θb；太阳方位自动跟踪器根据太阳方位角初值、太阳高度角初值带动太阳能光伏发电系统的太阳能板进行追光；设定每k个小时(1h<k<3h)进行一次以下过程以消除积累误差：

控制器控制对当前太阳方位角进行±5°偏差移动，收集光强传感器反馈的光强信息si，记录每个光强信息si对应的太阳方位角θi，然后利用爬山算法得到最大的光强值sj，控制器控制太阳方位自动跟踪器跟踪对应最大的光强值sj的太阳方位角度；

控制器控制对当前太阳高度角θb进行±2.5°偏差移动，收集光强传感器反馈的光强信息gi，记录每个光强信息对应的太阳高度角θi’；然后利用爬山算法得到最大的光强值sj’，控制器控制太阳方位自动跟踪器跟踪对应最大的光强值的太阳方位角度θi’。

所述的爬山算法为：

把每个光强信息看成一个节点值，然后随机选择一个节点值作为当前节点值进行判断：如果当前节点值大于所有的邻居节点值，那么返回当前节点值作为最大光强值；如果当前节点值小于邻居节点值，则利用最大的邻居节点值替换当前节点值，直至当前节点值大于所有邻居节点值，从而得到最大的光强值；

策略2：阴雨天气模式

太阳方位自动跟踪器停止跟踪，太阳能板保持当前位置，等待光强传感器检测到天气变化，符合晴天和多云天气时，再进入晴天和多云天气模式进行太阳方位跟踪。

进一步地，所述的阈值em的确定方法为：

通过光强传感器测试当地在多云时收集到的光强信息，取平均值et；再通过测试当地阴雨天收集到的光强信息，取平均值en；阈值em的取值范围则为en<em<et；或：

通过当前天气情况和当地气象资料中的辐射照度进行取值，若当前天气多云，光强传感器收集到的平均光强信息为c；参考气象资料，读取多云时平均辐射照度d，阴雨时平均辐射照度e；则可得阴雨时平均光强信息f＝e*c/d。

进一步地，当最大光强值所对应的方位角或高度角处于偏差值±5°或±2.5°的边缘值时，可能存在当前太阳方位值有所偏差；此时，控制器控制在偏差移动±5°或±2.5°的基础上再偏差移动±1°或±0.5°，然后再进行爬山算法，求得最大光强值所对应的太阳方位和高度角。

一种基于爬山算法的光伏发电太阳方位跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1，根据太阳能光伏发电系统所在地日出日落时间，设定太阳方位自动跟踪器的工作时间；

步骤2，进入太阳方位自动跟踪器的工作时间后，通过光强传感器收集的光强信息，判断天气状况以选择跟踪模式；

把光强传感器每隔tr时间内采集的光强信息进行处理得平均值er；设定阈值em，当er>em时，采用晴天和多云天气模式；当er≤em时，采用阴雨天气模式；

步骤3，针对于不同的跟踪模式，选择对应的跟踪策略：

策略1：晴天和多云天气模式

计算当前时间、位置的太阳方位角初值θa和太阳高度角初值θb；太阳方位自动跟踪器根据太阳方位角初值、太阳高度角初值带动太阳能光伏发电系统的太阳能板进行追光；设定每k个小时(1h<k<3h)进行一次以下过程以消除积累误差：

控制器控制对当前太阳方位角进行±5°偏差移动，收集光强传感器反馈的光强信息si，记录每个光强信息si对应的太阳方位角θi，然后利用爬山算法得到最大的光强值sj，控制器控制太阳方位自动跟踪器跟踪对应最大的光强值sj的太阳方位角度；

控制器控制对当前太阳高度角θb进行±2.5°偏差移动，收集光强传感器反馈的光强信息gi，记录每个光强信息对应的太阳高度角θi’；然后利用爬山算法得到最大的光强值sj’，控制器控制太阳方位自动跟踪器跟踪对应最大的光强值的太阳方位角度θi’。

所述的爬山算法为：

把每个光强信息看成一个节点值，然后随机选择一个节点值作为当前节点值进行判断：如果当前节点值大于所有的邻居节点值，那么返回当前节点值作为最大光强值；如果当前节点值小于邻居节点值，则利用最大的邻居节点值替换当前节点值，直至当前节点值大于所有邻居节点值，从而得到最大的光强值；

策略2：阴雨天气模式

太阳方位自动跟踪器停止跟踪，太阳能板保持当前位置，等待光强传感器检测到天气变化，符合晴天和多云天气时，再进入晴天和多云天气模式进行太阳方位跟踪；

步骤4，跟踪结束，复位

当超出太阳方位自动跟踪器的工作时间范围，此时太阳方位自动跟踪器停止跟踪并复位，回到当天日出时的位置。

本发明具有以下技术特点：

1.本发明在太阳运动轨迹跟踪方式下通过爬山算法精确太阳方位角和高度角，消除太阳运动轨迹跟踪方式中的积累误差，在提高跟踪精度的同时，实现了太阳能自动跟踪技术的机构简化需求，具有效率高与实用性好的优点。

2.本发明利用光强传感器把整个太阳方位自动跟踪装置分为两种工作模式，能够很好的解决天气变化对太阳方位跟踪稳定性的影响。同时相对较为复杂的光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式切换以及复用系统，更为的简便和实用，在一定程度上节约了电能的损耗。

附图说明

图1为本发明系统的结构图；

图2为本发明系统中太阳方位角和高度角偏差移动图；

图3为本发明系统的跟踪流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于爬山算法的光伏发电太阳方位跟踪系统，该系统包括：

光强传感器，用于采集太阳的光强数据；

信号处理器，用于对光强数据进行处理，得到光强信息；

控制器，根据所述的光强信息，判断天气状况以选择跟踪模式，并控制太阳方位自动跟踪器带动太阳能板执行对应的跟踪策略。

其中，本实施例中光强传感器型号为tsl2561，信号处理器以及控制器使用高性能数字信号处理器tms320lf2407a。

太阳方位角是指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为-90°，在正东北方时，方位为-135°，在正西方时方位角为90°，在正北方时为±180。太阳高度角是指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角(或观测点到太阳的连线与地面之间的夹角)，其值在0°到90°之间变化，日出日落时为零，太阳在正天顶上为90°。

在太阳运动轨迹跟踪方式中，太阳方位角计算公式如下：

其中，a为太阳方位角，为地理纬度，δ为太阳赤纬。

在太阳运动轨迹跟踪方式中，太阳方位角计算公式如下：

其中，h⊙为太阳高度角，为地理纬度；δ为太阳赤纬；ω为时角。

本发明光强传感器通过收集的光强信息把跟踪模式分为晴天和多云天气模式、阴雨天气模式。在晴天和多云天气模式使用太阳运动轨迹跟踪方式和爬山算法，阴雨天气模式则停止跟踪转置的运作。在解决天气变化和环境干扰的同时，提高跟踪精度和节约电能损耗。具体包括以下步骤：

步骤1，根据太阳能光伏发电系统所在地日出日落时间，设定太阳方位自动跟踪器的工作时间，日出日落时间可根据现有的天文计算技术得出(也可在控制器上人工设定)；所述的工作时间对应于日出日落时间，例如可设置为早7点至晚6点。

步骤2，进入太阳方位自动跟踪器的工作时间后，通过光强传感器收集的光强信息，判断天气状况以选择跟踪模式；

光强传感器每隔tr时间(10s<tr<60s)收集一次光强信息，把tr时间内收集的光强信息进行处理得平均值er；设定阈值em，当er>em时，采用晴天和多云天气模式；当er≤em时，采用阴雨天气模式。

阈值em可通过当地多云和阴雨时光强传感器检测得到的光强信息临界值。该阈值设定具体过程为，通过光强传感器测试当地在多云时收集到的光强信息，取平均值et；再通过测试当地阴雨天收集到的光强信息，取平均值en；阈值em的取值范围则为en<em<et。当不便于测试时，可通过当前天气情况和当地气象资料中的辐射照度进行取值，若当前天气多云，光强传感器收集到的平均光强信息为c；参考气象资料，读取多云时平均辐射照度d，阴雨时平均辐射照度e；则可得阴雨时平均光强信息f＝e*c/d。

步骤3，针对于不同的跟踪模式，选择对应的跟踪策略：

策略1：晴天和多云天气模式

通过太阳高度角和方位角公式得到当前时间、位置的太阳方位角初值θa和太阳高度角初值θb；太阳方位自动跟踪器根据太阳方位角初值、太阳高度角初值带动太阳能光伏发电系统的太阳能板进行追光；

根据太阳方位角和高度角的定义，进行爬山算法处理；设定每k个小时(1h<k<3h)进行一次爬山算法消除积累误差，具体算法为：开始进行爬山算法，首先控制器控制太阳方位自动跟踪器对当前太阳方位角进行±5°偏差移动，收集光强传感器反馈的光强信息si，i＝10，11，……，k；记录每个光强信息si对应的太阳方位角θi，把每个光强信息看成一个节点值，然后随机选择一个节点值作为当前节点值进行判断：如果当前节点值大于所有的邻居节点值，那么返回当前节点值作为最大光强值；如果当前节点值小于邻居节点值，则利用最大的邻居节点值替换当前节点值，直至当前节点值大于所有邻居节点值，从而得到最大的光强值sj；为防止数据出现偏差，需再次随机重启爬山算法取最大的光强值；当得到最大的光强值sj，控制器控制太阳方位自动跟踪器跟踪对应最大的光强值sj的太阳方位角度。

同样的，控制器控制对当前太阳高度角θb进行±2.5°偏差移动，收集光强传感器反馈的光强信息gi，i＝10，11，……，k，记录每个光强信息对应的太阳高度角θi’；把每个数据看成一个节点值，然后随机选择一个节点值作为当前节点值进行判断：如果当前节点值大于所有的邻居节点值，那么返回当前节点值作为最大光强值；如果当前节点值小于邻居节点值，则利用最大的邻居节点值替换当前节点值，直至当前节点值大于所有邻居节点值，从而得到最大的光强值sj’；为防止数据出现偏差，需再次随机重启爬山算法取最大的光强值sj’。当得到最大的光强值sj’，控制器控制太阳方位自动跟踪器跟踪对应最大的光强值的太阳方位角度θi’。

另外，当存在最大光强值所对应的方位角或高度角处于偏差值±5°(或者±2.5°)边缘值(±5°)时，即可能存在当前太阳方位值有所偏差。此时，控制器控制在偏差移动±5°(或者±2.5°)的基础上再偏差移动±1°(或者±0.5°)，然后再进行一次爬山算法，求得最大光强值所对应的太阳方位和高度角。

策略2：阴雨天气模式

太阳方位自动跟踪器停止跟踪，太阳能板保持当前位置，等待光强传感器检测到天气变化，符合晴天和多云天气时，再进入晴天和多云天气模式进行太阳方位跟踪。

步骤4，跟踪结束，复位

当日落后(日落时间可根据现有的天文技术计算得出也可在控制器上人工设定)，超出太阳方位自动跟踪器的工作时间范围，此时太阳方位自动跟踪器停止跟踪并复位，回到当天日出时的位置。

综上所述，本发明通过在太阳运动轨迹跟踪方式下加入爬山算法进行对太阳方位角和高度角的精确跟踪，能够较好的消除太阳运动轨迹跟踪方式的积累误差，提供太阳方位的跟踪精度。同时利用光强传感器把整个太阳方位自动跟踪装置分为两种工作模式，能够很好的解决天气变化对太阳方位跟踪稳定性的影响。同时相对较为复杂的光电跟踪方式和太阳运动轨迹跟踪方式切换以及复用系统，更为的简便和实用，在一定程度上节约了电能的损耗。