一种主动向日跟踪式太阳能资源测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电子技术领域，更进一步涉及太阳能资源测量技术领域中的一种主 动向日跟踪式太阳能资源测量方法。本发明可用于测量电站所在地区太阳能资源的丰富程 度，为光伏电站的设计提供必要的基础数据，为光伏电站的运营、调度及发电效率的计算提 供科学的评价依据。
【背景技术】
[0002] 目前的太阳能资源测量方法的测量误差都很大，约为5%。引起误差的主要原因在 于太阳与地球之间存在相对运动，而固定安装的辐射传感器无法跟随太阳运动，实时调整 辐射传感器的感光面与太阳光线的夹角。因此，现有的太阳能资源测量方法在测量总辐射 量和散福射量时，存在以下问题：
[0003] 在测量总辐射量时，由于辐射传感器固定安装，无法调整辐射传感器的感光面与 太阳光线之间的夹角，该夹角随太阳的运动而不断变化，导致总辐射测量过程中产生余弦 误差。该夹角越大，余弦误差也越大。通常厂家按照太阳高度角为10°时的测量误差作为 最大误差，该测量误差值通常达到5%左右。
[0004] 同样，在测量散辐射时，目前的测量方法是利用一个环形遮光物遮挡住太阳的直 接辐射量，使辐射传感器仅仅能测到太阳的散辐射量。其具体做法是利用一个环形遮挡物， 放置在辐射传感器前面，调整这个环形遮挡物的倾斜角度，保证在一天中每时每刻环形遮 挡物都能挡住辐射传感器。由于太阳每天的运行轨迹都不同，为了保证遮挡效果，必须每天 手动调节环形遮挡物的位置。由于手工调节的不准确性，导致环形遮挡物滤除的太阳直接 辐射量不一致，带来散辐射量测量的误差。
[0005] 国家电网公司申请的专利技术"一种太阳能资源评估方法"（【申请号】 2014101639987,申请公布号：CN104156776A)中公开了一种太阳能资源评估方法。该方法 主要讨论如何根据某区域太阳辐射量的历史数据和当前测量数据得到未来24小时的预测 数据，属于一种辐射量预测的方法。该方法通过建立区域太阳能资源图谱，得到区域内以往 太阳能辐射量的数据集S，构建实测数据集Q，根据S和Q并计算各个网格点的加权系数，生 成的未来24h的辐射照度数据集Sp，建立太阳能资源实时分布图。该方法存在的不足是，仅 用于太阳辐射量的预测，而无法提高对太阳辐射量测量的精确度。
[0006] 中国科学院长春光学精密机械研宄所拥有的专利技术"一种测量太阳常数的方 法"（【申请号】981189563,授权公告号：CN1138972C)中公开了一种测量太阳常数的方法。该 方法不使用太阳跟踪装置，而是将绝对辐射计朝向太阳安装，测量过程中绝对辐射计的光 轴与太阳光矢量夹角是时刻变化的，即在变化过程中完成对太阳常数的测量。该专利技术 存在的不足是，由于该方法在初始安装绝对辐射计时对位置的准确性要求很高，安装位置 是否准确，在很大程度上影响太阳常数的测量精度；该方法使用固定安装的绝对辐射计测 量太阳常数，在一天中，当太阳光未进入绝对辐射计视场的时间内，不能够对太阳常数进行 测量。
[0007] 成都信息工程学院申请的专利技术"基于光电原理的太阳辐射观测装置及其实现 方法"（【申请号】201410009888. 5,申请公布号：CN103728016A)中公开了一种基于光电原理 的太阳辐射观测装置及其实现方法，该方法通过使用三只光电二极管感应太阳辐射，其中 一只用于感应太阳总辐射，另外两只用于感应太阳散射辐射；光电检测电路对总辐射进行 检测，并将检测到的信号依次传递至信号调理电路和A/D转换电路进行处理和转换，之后 将转换后的数字信号传递至微处理器进行分析计算；微处理器根据接收到的数字信号算出 太阳总辐射、直接辐射和散射辐射实时观测数据。该专利技术存在的不足是，固定光电二极 管的平台角度固定，无法根据太阳的运动轨迹进行调整，导致三只光电二极管无法时刻对 准太阳，在光电二极管感光平面与太阳光线存在夹角时，造成辐射测量的余弦误差，影响了 太阳辐射的测量精度。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种主动向日跟踪式太阳能 资源测量方法，提高太阳能资源测量的精度。
[0009] 本发明的具体思路是：采用主动向日跟踪式太阳能资源测量方法，实现控制平台 主动跟随太阳运动轨迹，使控制平台时刻对准太阳，提高辐射传感器的测量精度；采用两种 向日跟踪算法，在光照强度足够的条件下，采用基于四象限检测器的闭环控制算法，精确控 制控制平台对准太阳；在光照强度不足的条件下，采用基于太阳运动轨迹的闭环控制算法， 控制控制平台对准太阳，保证向日跟踪的连续性和稳定性。
[0010] 为实现上述目的，本发明的具体步骤如下：
[0011] ⑴计算光照强度：
[0012] 根据位于控制平台上、下、左、右四个方位的粗调传感器，检测得到四个方位的光 照强度电压值，经过模拟/数字转换器转换成数字量，将四个方位的光照强度数字量求和 后取平均值，将该平均值作为当前的光照强度；
[0013] (2)判断光照强度是否达到光强阈值，若是，则执行步骤（3)，否则执行步骤⑷；
[0014] (3)使用四象限计算控制平台对日偏差值：
[0015] 四象限检测器根据位于I、II、III和IV象限的太阳光斑大小和强度，分别产生对 应I、II、III和IV象限的电流，该电流经过放大电路转换成电压值，通过模拟/数字转换器 转换成数字量，将该数字量作为四个象限的光照强度测量值。根据四个象限的光照强度测 量值，使用四象限对日偏差值公式，计算控制平台对日偏差值；
[0016] (4)使用太阳轨迹计算控制平台对日偏差值：
[0017] (4a)根据太阳能资源测量地点的经、炜度和测量时间，使用太阳高度角和方位角 公式，计算当前时间太阳能资源测量地点的太阳高度角和太阳方位角；
[0018] (4b)使用角度传感器测量得到控制平台的X轴偏移角和Y轴偏移角；
[0019] (4c)按照下式，计算控制平台对日偏差值；
[0020] Dx= k2* (H-Px)
[0021] Dy=k2* (A-Py)
[0022] 其中，Dx、Dy分别表示控制平台X轴方向的对日偏差值、控制平台Y轴方向的对日 偏差值；k2表示双轴电机的步长参数，k2的值为10000/JT，JT表示圆周率；H、A分别表示当 前时间太阳能资源测量地点的太阳高度角、太阳方位角；Px、Py分别表示控制平台的X轴偏 移角、控制平台的Y轴偏移角；
[0023] (5)判断控制平台对日偏差值是否小于偏差阈值，若是，则执行步骤（7)，否则执 行步骤（6);
[0024] (6)调节控制平台方位角和高度角：
[0025] (6a)双轴电机根据步骤⑶或步骤（4c)计算得到的控制平台对日偏差值，对控制 平台进行水平方向和垂直方向的调整，使控制平台对准太阳；
[0026] (6b)执行步骤（2);
[0027] (7)检测太阳总福射量、散福射量和直接福射量：
[0028] (7a)使用三个独立的辐射量传感器，分别测量太阳总辐射量、散辐射量和直接辐 射量；
[0029] (7b)中央处理器将测量得到的太阳总辐射量、散辐射量和直接辐射量输出到液晶 显不屏和串口；
[0030] (7c)执行步骤（1)。
[0031] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0032] 第一，由于本发明通过判断光照强度是否达到光强阈值，选择两种控制平台对日 偏差值的计算方法；在光照强度足够的情况下，使用四象限计算控制平台对日偏差值，精确 控制控制平台对准太阳，在光照强度不足的情况下，使用太阳轨迹计算控制平台对日偏差 值，控制控制平台时刻对准太阳。通过两种计算方法的自动切换，保证系统在光照强度足够 和不足的情况下，均实现控制平台对太阳运动轨迹的准确跟踪，克服了现有技术中辐射测 量方法只适用于光照强度足够的情况的缺点，使得本发明具有适用范围广，适应能力强，跟 踪连续，太阳能资源测量精度高的优点。
[0033] 第二，由于本发明采用控制平台对日偏差值调节控制平台倾斜角度的方法，保证 控制平台自动跟随太阳运动轨迹运动，克服了现有技术中无法根据太阳运动而自动调节控 制平台方位角和高度角的缺点，使得本发明具有主动向日跟踪的优点。
[0034] 第三，由于本发明在调节控制平台方位角和高度角的步骤中，采用闭环反馈的控 制方法，