一种提高光伏阵列总辐照度的改进太阳能跟踪方法

摘要

本发明涉及一种提高光伏阵列总辐照度的改进太阳能跟踪方法，该方法以光伏阵列最大的总辐照度为跟踪目标，采用自适应超前滞后跟踪方法通过调节阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长来调节阵列方位角，减少阵列方位角跟踪电机的启停次数；采用遗传算法优化光伏阵列总辐照度，根据优化结果给定参考值调节阵列倾角。与现有技术相比，本发明具有延长阵列方位角跟踪电机的使用寿命、提高全天候的光伏阵列总辐照度、不限制总辐照度模型复杂性等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高光伏阵列总辐照度的方法，尤其是涉及一种提高光伏阵列 总辐照度的改进太阳能跟踪方法。

背景技术

太阳辐射包括直射、散射和反射，云遮挡造成直射的衰减。因此，太阳总辐射 量晴天直射为主，多云天直射剧烈变化，阴天散射为主。为提高光伏阵列直射辐照 度，传统太阳能跟踪方法保持入射角为0°。在多云天或阴天，水平面总辐照度大 于倾斜面总辐照度时，会降低光伏效率。而气象资料显示，年散射辐射量可能占总 辐射量60％以上。

在《Improvedphotovoltaicenergyoutputforcloudyconditionswithasolar trackingsystem》{KellyNA，GibsonTL.Improvedphotovoltaicenergyoutputfor cloudyconditionswithasolartrackingsystem[J].SolarEnergy，2009，83(11)： 2092-2102.}中，提出阴天平放光伏阵列能够增加约50％的太阳总辐射量，但没有 提出精确求解的方法。在《Modelingandoptimizationoftheglobalsolarirradiance collectingefficiency》{BurduhosBG，VisaI，NeagoeM，etal.Modelingand optimizationoftheglobalsolarirradiancecollectingefficiency[J].InternationalJournal ofGreenEnergy，2015，12(7)：743-755.}中，提出假设阵列方位角与太阳方位角始 终相等，通过计算阵列总辐照度对阵列倾角的导数，求得最优阵列倾角。但是，上 述2种方法采用的LiuJordan模型无法准确计算晴天和多云天的光伏阵列散射辐照 度。如果采用高精度散射辐照度模型，如Reindl模型、Perez模型等，阵列总辐照 度对阵列倾角的导数求解困难。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种延长阵列方 位角跟踪电机的使用寿命、不限制总辐照度模型复杂性的提高光伏阵列总辐照度的 改进太阳能跟踪方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种提高光伏阵列总辐照度的改 进太阳能跟踪方法，该方法区别阵列方位角和阵列倾角对总辐照度的不同影响，以 光伏阵列最大的总辐照度为跟踪目标，采用自适应超前滞后跟踪方法通过调节阵列 方位角超前滞后跟踪的调节步长来调节阵列方位角，使得阵列方位角与太阳方位角 的位置关系重复经历超前、重合和滞后三个过程，直到水平面总辐照度为0W/m²， 减少阵列方位角跟踪电机的启停次数；采用遗传算法优化光伏阵列总辐照度，根据 优化结果给定参考值调节阵列倾角。

所述的自适应超前滞后跟踪方法根据水平安装的总辐射表测得的水平面的总 辐照度和散射辐照度计算水平面的直射辐照度占总辐照度的比值f，按照该比值的 不同自动改变阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长，在直射辐照度占比小时自动增 大阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长。

所述的比值f计算式如下：

$f=\sqrt{\frac{I_{bh}}{I_{gh}}},$

其中，I_bh为水平面的直射辐照度；I_gh为水平面的总辐照度。

所述的自动改变阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长具体如下：当f值小于 0.63时，阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长为6°；反之，阵列方位角超前滞后 跟踪的调节步长为3°。

所述的自适应超前滞后跟踪方法调节阵列方位角的具体过程如下：

当满足S_a-P_a＞L_a时，调节阵列方位角为：P_an＝P_a+2L_a，其中，S_a为太阳 方位角，L_a为阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长，P_a为阵列方位角，P_an为调节 后的阵列方位角。

所述的水平面直射辐照度具体计算公式如下：

I_bh＝I_gh-I_dh

其中，I_gh为水平面总辐照度，I_dh为水平面散射辐照度，两者均用水平安装总 辐射表测得。

所述的遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程提出的一种随机 优化算法，善于优化复杂问题。

所述的遗传算法采用停滞代数作为收敛判据，优化光伏阵列总辐照度模型， 搜索使光伏阵列总辐照度负值最小的最优阵列倾角。采用复杂总辐照度模型时， 遗传算法求解阵列倾角具有优势。阵列倾角按照遗传算法优化光伏阵列总辐照度 给定的参考值进行调节。

所述的光伏阵列总辐照度模型包括光伏阵列直射辐照度和光伏阵列散射辐照 度，忽略光伏阵列反射辐照度，计算式如下：

$\begin{array}{c}{I}_c=I_{bh}{r}_b+I_{dh}({\mathrm{Kr}}_b+\\ \frac{1+\cos \beta }{2}(1-K)(1+{\mathrm{fsin}}^3(\frac{\beta }{2}\left)\right))\end{array}---\left(1\right)$

其中，I_c为光伏阵列总辐照度，I_bh、i、r_b、K、f的计算式分别如下：

I_bh＝I_gh-I_dh(2)

cosi＝cosHcos(S_a-P_a)sinβ+sinHcosβ(3)

$r_b=\frac{\cos i}{\sin H}=\frac{\cos i}{\cos Z}---\left(4\right)$

$K=\frac{I_{bh}}{I_0}---\left(5\right)$

$f=\sqrt{\frac{I_{bh}}{I_{gh}}}---\left(6\right)$

其中，I_bh为水平面直射辐照度，I_dh为水平面散射辐照度，I_gh为水平面总辐照 度，r_b为倾斜面和水平面直射辐照度的比值，i为太阳光入射角，H为太阳高度角， Z为太阳天顶角，S_a为太阳方位角，P_a为阵列方位角，K为各向异性系数，I₀＝1367 W/m²，为太阳常数，f为调节系数，β为阵列倾角。

所述的光伏阵列散射辐照度采用各向异性Reindl模型计算，提高所得计算值 与实测数据的一致性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用自适应超前滞后跟踪方法调节阵列方位角，能够减少其跟踪电机启 停次数，有利于延长电机使用寿命；

(2)采用遗传算法(GA算法)优化光伏阵列总辐照度，根据优化结果给定 调节阵列倾角的参考值，能够采用复杂阵列总辐照度模型；

(3)光伏阵列散射辐照度采用各向异性Reindl模型计算，比其他不采用分区 域积分计算的各向异性模型，与实测数据一致性最好；

(4)考虑太阳散射影响，提高了全天候的光伏阵列总辐照度。

附图说明

图1为晴天的太阳辐照度；

图2为多云天的太阳辐照度；

图3为阴天的太阳辐照度；

图4为本申请与传统超前滞后跟踪方法在多云天的阵列方位角调节过程比较；

图5为本申请与传统超前滞后跟踪方法在晴天、多云天、阴天天气条件下的阵 列倾角调节过程比较；

图6为本申请与传统超前滞后跟踪方法在晴天的光伏阵列总辐照度比较；

图7为本申请与传统超前滞后跟踪方法在多云天的光伏阵列总辐照度比较；

图8为本申请与传统超前滞后跟踪方法在阴天的光伏阵列总辐照度比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种提高光伏阵列总辐照度的改进太阳能跟踪方法，该方法区别阵列方位角和 阵列倾角对总辐照度的不同影响，以光伏阵列最大的总辐照度为跟踪目标，采用自 适应超前滞后跟踪方法通过改变阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长来自适应调 节阵列方位角，使得阵列方位角与太阳方位角的位置关系重复经历超前、重合和滞 后三个过程，直到水平面总辐照度为0W/m²，减少阵列方位角跟踪电机的启停次 数；采用遗传算法优化光伏阵列总辐照度，根据优化结果给定参考值调节阵列倾角。

所述的自适应超前滞后跟踪方法根据水平安装的总辐射表测得的水平面的总 辐照度和散射辐照度计算水平面的直射辐照度占总辐照度的比值f，按照该比值的 不同自动改变阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长，在直射辐照度占比小时自动增 大阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长。

所述的比值f计算式如下：

$f=\sqrt{\frac{I_{bh}}{I_{gh}}},$

其中，I_bh为水平面直射辐照度；I_gh为水平面总辐照度。

所述的自动改变阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长具体如下：当f值小于 0.63时，阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长为6°；反之，阵列方位角超前滞后 跟踪的调节步长为3°。

所述的自适应超前滞后跟踪方法调节阵列方位角的具体过程如下：

当满足S_a-P_a＞L_a时，调节阵列方位角为：P_an＝P_a+2L_a，其中，S_a为太阳 方位角，L_a为阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长，P_a为阵列方位角，P_an为调节 后的阵列方位角。

所述的水平面直射辐照度具体计算公式如下：

I_bh＝I_gh-I_dh

其中，I_gh为水平面总辐照度，I_dh为水平面散射辐照度。

所述的遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程提出的一种随机 优化算法，善于优化复杂问题。

所述的遗传算法采用停滞代数作为收敛判据，优化光伏阵列总辐照度模型， 搜索使光伏阵列总辐照度负值最小的最优阵列倾角。采用复杂总辐照度模型时， 遗传算法求解阵列倾角具有优势。阵列倾角按照遗传算法优化光伏阵列总辐照度 给定的参考值进行调节。

所述的光伏阵列总辐照度模型包括光伏阵列直射辐照度和光伏阵列散射辐照 度，忽略光伏阵列反射辐照度，计算式如下：

$\begin{array}{c}{I}_c=I_{bh}{r}_b+I_{dh}({\mathrm{Kr}}_b+\\ \frac{1+\cos \beta }{2}(1-K)(1+{\mathrm{fsin}}^3(\frac{\beta }{2}\left)\right))\end{array}---\left(1\right)$

其中，I_c为光伏阵列总辐照度，I_bh、i、r_b、K、f的计算式分别如下：

I_bh＝I_gh-I_dh(2)

cosi＝cosHcos(S_a-P_a)sinβ+sinHcosβ(3)

$K=\frac{I_{bh}}{I_0}---\left(5\right)$

$f=\sqrt{\frac{I_{bh}}{I_{gh}}}---\left(6\right)$

其中，I_bh为水平面直射辐照度，I_dh为水平面散射辐照度，I_gh为水平面总辐照 度，r_b为倾斜面和水平面直射辐照度的比值，i为太阳光入射角，H为太阳高度角， Z为太阳天顶角，S_a为太阳方位角，P_a为阵列方位角，K为各向异性系数，I₀＝1367 W/m²，为太阳常数，f为调节系数，β为阵列倾角。

所述的光伏阵列散射辐照度采用各向异性Reindl模型计算，提高所得计算值 与实测数据的一致性。

太阳总辐射量晴天直射为主，多云天直射剧烈变化，阴天以散射辐射为主，如 图1所示为晴天的太阳辐照度；图2为多云天的太阳辐照度；图3为阴天的太阳辐 照度；自适应超前滞后跟踪方法判断阵列方位角调节启动的条件，如式(7)所示。 阵列方位角调节方程，如式(8)所示。

S_a-P_a＞L_a(7)

P_an＝P_a+2L_a(8)

式中：L_a为阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长；P_an为调节后的阵列方位角。

式(1)-(6)中水平面直射辐照度占总辐照度比例越小，阵列方位角对光伏阵列总 辐照度影响越小，可采用较大的调节步长。本申请改进太阳能跟踪方法中的自适应 超前滞后跟踪方法，通过调节系数f值，表明水平面直射辐照度占比大小，按式(6) 计算。

太阳的方位角和高度角，根据经纬度、日子数和当地时间等参数确定。水平面 的总辐照度和散射辐照度，采用水平安装总辐射表测量。本申请改进太阳能跟踪方 法中的遗传算法优化总辐照度模型，只需搜索最优阵列倾角的一个变量。遗传算法 优化结果作为阵列倾角的调节参考值，考虑电机启停频率与效率，阵列倾角的调节 步长设定为1°。

为验证本申请提出的改进太阳能跟踪方法的提高光伏阵列总辐照度并减少阵 列方位角跟踪电机启停次数的能力，通过实验得出了一系列仿真图形，如图4-图8 所示是本申请提出的改进太能跟踪方法与传统超前滞后跟踪方法的对比仿真曲线 图。阵列的方位角和阵列倾角均根据预先确定的太阳运行轨迹进行超前滞后跟踪， 是一种性能较好的传统太阳能跟踪方法。设定其阵列方位角超前滞后跟踪的调节步 长为3°，阵列倾角超前滞后跟踪的调节步长为1°。

图4可以看出，传统超前滞后跟踪方法的阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长 始终为3°。调节系数f值在早晨、傍晚、12点附近等较小，本申请提出的改进太 阳能跟踪方法自动改变阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长为6°。反之，自动改 变阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长为3°。相同仿真条件下，采用传统超前滞 后跟踪方法需调节41次，采用本申请提出的改进太阳能跟踪方法只需调节31次， 这足以证明本申请提出的改进太阳能跟踪方法能够根据实测的太阳辐照度自动改 变阵列方位角超前滞后跟踪的调节步长，减少阵列方位角跟踪电机的启停次数，延 长电机的使用寿命。

从图5中可以看出，不同天气条件下，传统超前滞后跟踪方法的阵列倾角调节 过程均相同，如图5中实线所示。不考虑散射辐照度，其阵列倾角均大于本申请提 出的改进太阳能跟踪方法。不同天气条件下，本申请提出的改进太阳能跟踪方法的 阵列倾角调节过程，与实测太阳辐照度密切相关，如图5中的另外3条曲线所示。 总体来说，晴天的阵列倾角调节过程与传统超前滞后跟踪方法相似；阴天一般将光 伏阵列水平放置。还可以发现，本申请提出的改进太阳能跟踪方法的阵列倾角调节 受直射辐照度变化影响较大。例如图1的晴天，18点后仍有较小的水平面直射辐 照度，且太阳高度角小于15°使得倾斜面和水平面直射辐照度的比值r_b较大。阵列 倾角继续增大，能够提高总辐照度。19点后水平面直射辐照度为0W/m²，阵列倾 角立刻变为0°。图2的多云天和图3的阴天的阵列倾角调节过程也均受水平面直 射辐照度变化影响。证明本申请提出的改进太阳能跟踪方法的阵列倾角调节过程除 受太阳运动规律影响外，还与实测辐照度有关。

光伏阵列日总辐射量r_d，按式(9)计算。本申请提出的改进太阳能跟踪方法增 加光伏阵列r_d的百分率d，按式(10)计算。

$r_d=\underset{1}{\overset{24}{\int }}{I}_c\left(t\right)dt---\left(9\right)$

$d=\frac{r_i-r_t}{r_t}\times 100\%---\left(10\right)$

式中：t为当地时间，单位为h；I_c(t)为光伏阵列总辐照度的瞬时值；r_i为光伏 阵列采用本申请提出的改进太阳能跟踪方法的日总辐射量；r_t为光伏阵列采用传统 超前滞后跟踪方法的日总辐射量。

表1为本申请提出的方法与传统超前滞后跟踪方法在晴天、多云天和阴天天气 条件下的光伏阵列总辐射量比较。从图1-图3、图6-图8和表1中可以看出，某时 刻的水平面直射辐照度越小，改进太阳能跟踪方法提高光伏阵列总辐照度越明显。 d在直射占主导的晴天最小，在几乎没有直射的阴天最大。说明在晴天，传统超前 滞后跟踪方法仍有较好性能。但在阴天，改进太阳能跟踪方法增加了11.97％的辐 射量，具有明显优势。

表1本申请提出的方法与传统方法在晴天、多云天和阴天天气条件下的光伏阵列 总辐射量比较