[发明专利]一种极轴光伏阵列发电单轴跟踪装置及其控制方法

权利要求书

1.一种极轴光伏阵列发电单轴跟踪装置的控制方法，其结构特征在于：包括有按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件(1’、1”……1ⁿ)、光伏组件上端连接件(2)、连接支架(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)、下部支撑件(8)、光伏组件下端连接件(9)、光敏传感器(10)；其结构是下部支撑件(8)固定在地面(11)上，其上部安装纵向步进电机+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)上面安装纵向丝杆轴(6)，纵向丝杆轴(6)上部安装横向步进电机+蜗轮蜗杆减速器及编码器组合体(5)，横向丝杆轴(4)与支架(3)连接，支架(3)通过光伏组件上端连接件(2)与按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件(1’、1”……1ⁿ)连接，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+蜗轮蜗杆减速器件组合件(5)带动横向丝杆轴(4)转动并带动支架(3)横向移动，支架(3)铰链光伏组件上端连接件(2)结合光伏组件下端连接件(9)带动按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件(1’、1”……1ⁿ)移动，光伏组件下端连接件(9)上部与按照阵列排布的第一、第二、……第n个光伏组件(1’、1”……1ⁿ)铰链，光伏组件下端连接件(9)下部固定在地面(11)上； 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；

上述极轴光伏阵列发电单轴跟踪装置的控制方法是：

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θ＝φ，φ是当地纬度； 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α_s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；

α_s＝θ±δ (3)

ΔA＝(cosθ-cosα_s)A (4)

ΔB＝±|sinθ-sinα_s|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ω_z与太阳时角ω间存在误差； 真太阳时角ω_z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，L_s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t_z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ω_sr＝-ω_s，日落方位角ω_ss＝ω_s，则每天的日出日落时刻可由式(12)和(13)得到；

ω_s＝arccos(-tanφtanδ) (11)

由于公式计算和结构运行都会存在误差，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是：

步骤一、根据结构精度要求确定结构最小运行角度Δ，确定误差判定时间t'，误差限定值κ，当地经度L和纬度φ，当地标准时间所在地的经度L_s，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和当地纬度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α_s，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ω_sr、ω_ss、t_ss、t_sr；

步骤四、根据时钟时间由公式(10)计算真太阳时间t_z，判断真太阳时间t_z是否大于等于日出时刻t_sr，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ΔA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ΔB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)与地面的倾角为α_s，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，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α_s；否，执行步骤九；

步骤九、判断真太阳时间t_z是否大于等于日落时刻，是，装置停止，否，返回步骤九。