一種主動向日跟蹤式太陽能資源測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光電子技術領域，更進一步涉及太陽能資源測量技術領域中的一種主 動向日跟蹤式太陽能資源測量方法。本發明可用于測量電站所在地區太陽能資源的豐富程 度，為光伏電站的設計提供必要的基礎數據，為光伏電站的運營、調度及發電效率的計算提 供科學的評價依據。
【背景技術】
[0002] 目前的太陽能資源測量方法的測量誤差都很大，約為5%。引起誤差的主要原因在 于太陽與地球之間存在相對運動，而固定安裝的輻射傳感器無法跟隨太陽運動，實時調整 輻射傳感器的感光面與太陽光線的夾角。因此，現有的太陽能資源測量方法在測量總輻射 量和散福射量時，存在以下問題：
[0003] 在測量總輻射量時，由于輻射傳感器固定安裝，無法調整輻射傳感器的感光面與 太陽光線之間的夾角，該夾角隨太陽的運動而不斷變化，導致總輻射測量過程中產生余弦 誤差。該夾角越大，余弦誤差也越大。通常廠家按照太陽高度角為10°時的測量誤差作為 最大誤差，該測量誤差值通常達到5%左右。
[0004] 同樣，在測量散輻射時，目前的測量方法是利用一個環形遮光物遮擋住太陽的直 接輻射量，使輻射傳感器僅僅能測到太陽的散輻射量。其具體做法是利用一個環形遮擋物， 放置在輻射傳感器前面，調整這個環形遮擋物的傾斜角度，保證在一天中每時每刻環形遮 擋物都能擋住輻射傳感器。由于太陽每天的運行軌跡都不同，為了保證遮擋效果，必須每天 手動調節環形遮擋物的位置。由于手工調節的不準確性，導致環形遮擋物濾除的太陽直接 輻射量不一致，帶來散輻射量測量的誤差。
[0005] 國家電網公司申請的專利技術"一種太陽能資源評估方法"（【申請號】 2014101639987,申請公布號：CN104156776A)中公開了一種太陽能資源評估方法。該方法 主要討論如何根據某區域太陽輻射量的歷史數據和當前測量數據得到未來24小時的預測 數據，屬于一種輻射量預測的方法。該方法通過建立區域太陽能資源圖譜，得到區域內以往 太陽能輻射量的數據集S，構建實測數據集Q，根據S和Q并計算各個網格點的加權系數，生 成的未來24h的輻射照度數據集Sp，建立太陽能資源實時分布圖。該方法存在的不足是，僅 用于太陽輻射量的預測，而無法提高對太陽輻射量測量的精確度。
[0006] 中國科學院長春光學精密機械研宄所擁有的專利技術"一種測量太陽常數的方 法"（【申請號】981189563,授權公告號：CN1138972C)中公開了一種測量太陽常數的方法。該 方法不使用太陽跟蹤裝置，而是將絕對輻射計朝向太陽安裝，測量過程中絕對輻射計的光 軸與太陽光矢量夾角是時刻變化的，即在變化過程中完成對太陽常數的測量。該專利技術 存在的不足是，由于該方法在初始安裝絕對輻射計時對位置的準確性要求很高，安裝位置 是否準確，在很大程度上影響太陽常數的測量精度；該方法使用固定安裝的絕對輻射計測 量太陽常數，在一天中，當太陽光未進入絕對輻射計視場的時間內，不能夠對太陽常數進行 測量。
[0007] 成都信息工程學院申請的專利技術"基于光電原理的太陽輻射觀測裝置及其實現 方法"（【申請號】201410009888. 5,申請公布號：CN103728016A)中公開了一種基于光電原理 的太陽輻射觀測裝置及其實現方法，該方法通過使用三只光電二極管感應太陽輻射，其中 一只用于感應太陽總輻射，另外兩只用于感應太陽散射輻射；光電檢測電路對總輻射進行 檢測，并將檢測到的信號依次傳遞至信號調理電路和A/D轉換電路進行處理和轉換，之后 將轉換后的數字信號傳遞至微處理器進行分析計算；微處理器根據接收到的數字信號算出 太陽總輻射、直接輻射和散射輻射實時觀測數據。該專利技術存在的不足是，固定光電二極 管的平臺角度固定，無法根據太陽的運動軌跡進行調整，導致三只光電二極管無法時刻對 準太陽，在光電二極管感光平面與太陽光線存在夾角時，造成輻射測量的余弦誤差，影響了 太陽輻射的測量精度。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供了一種主動向日跟蹤式太陽能 資源測量方法，提高太陽能資源測量的精度。
[0009] 本發明的具體思路是：采用主動向日跟蹤式太陽能資源測量方法，實現控制平臺 主動跟隨太陽運動軌跡，使控制平臺時刻對準太陽，提高輻射傳感器的測量精度；采用兩種 向日跟蹤算法，在光照強度足夠的條件下，采用基于四象限檢測器的閉環控制算法，精確控 制控制平臺對準太陽；在光照強度不足的條件下，采用基于太陽運動軌跡的閉環控制算法， 控制控制平臺對準太陽，保證向日跟蹤的連續性和穩定性。
[0010] 為實現上述目的，本發明的具體步驟如下：
[0011] ⑴計算光照強度：
[0012] 根據位于控制平臺上、下、左、右四個方位的粗調傳感器，檢測得到四個方位的光 照強度電壓值，經過模擬/數字轉換器轉換成數字量，將四個方位的光照強度數字量求和 后取平均值，將該平均值作為當前的光照強度；
[0013] (2)判斷光照強度是否達到光強閾值，若是，則執行步驟（3)，否則執行步驟⑷；
[0014] (3)使用四象限計算控制平臺對日偏差值：
[0015] 四象限檢測器根據位于I、II、III和IV象限的太陽光斑大小和強度，分別產生對 應I、II、III和IV象限的電流，該電流經過放大電路轉換成電壓值，通過模擬/數字轉換器 轉換成數字量，將該數字量作為四個象限的光照強度測量值。根據四個象限的光照強度測 量值，使用四象限對日偏差值公式，計算控制平臺對日偏差值；
[0016] (4)使用太陽軌跡計算控制平臺對日偏差值：
[0017] (4a)根據太陽能資源測量地點的經、煒度和測量時間，使用太陽高度角和方位角 公式，計算當前時間太陽能資源測量地點的太陽高度角和太陽方位角；
[0018] (4b)使用角度傳感器測量得到控制平臺的X軸偏移角和Y軸偏移角；
[0019] (4c)按照下式，計算控制平臺對日偏差值；
[0020] Dx= k2* (H-Px)
[0021] Dy=k2* (A-Py)
[0022] 其中，Dx、Dy分別表示控制平臺X軸方向的對日偏差值、控制平臺Y軸方向的對日 偏差值；k2表示雙軸電機的步長參數，k2的值為10000/JT，JT表示圓周率；H、A分別表示當 前時間太陽能資源測量地點的太陽高度角、太陽方位角；Px、Py分別表示控制平臺的X軸偏 移角、控制平臺的Y軸偏移角；
[0023] (5)判斷控制平臺對日偏差值是否小于偏差閾值，若是，則執行步驟（7)，否則執 行步驟（6);
[0024] (6)調節控制平臺方位角和高度角：
[0025] (6a)雙軸電機根據步驟⑶或步驟（4c)計算得到的控制平臺對日偏差值，對控制 平臺進行水平方向和垂直方向的調整，使控制平臺對準太陽；
[0026] (6b)執行步驟（2);
[0027] (7)檢測太陽總福射量、散福射量和直接福射量：
[0028] (7a)使用三個獨立的輻射量傳感器，分別測量太陽總輻射量、散輻射量和直接輻 射量；
[0029] (7b)中央處理器將測量得到的太陽總輻射量、散輻射量和直接輻射量輸出到液晶 顯不屏和串口；
[0030] (7c)執行步驟（1)。
[0031] 本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0032] 第一，由于本發明通過判斷光照強度是否達到光強閾值，選擇兩種控制平臺對日 偏差值的計算方法；在光照強度足夠的情況下，使用四象限計算控制平臺對日偏差值，精確 控制控制平臺對準太陽，在光照強度不足的情況下，使用太陽軌跡計算控制平臺對日偏差 值，控制控制平臺時刻對準太陽。通過兩種計算方法的自動切換，保證系統在光照強度足夠 和不足的情況下，均實現控制平臺對太陽運動軌跡的準確跟蹤，克服了現有技術中輻射測 量方法只適用于光照強度足夠的情況的缺點，使得本發明具有適用范圍廣，適應能力強，跟 蹤連續，太陽能資源測量精度高的優點。
[0033] 第二，由于本發明采用控制平臺對日偏差值調節控制平臺傾斜角度的方法，保證 控制平臺自動跟隨太陽運動軌跡運動，克服了現有技術中無法根據太陽運動而自動調節控 制平臺方位角和高度角的缺點，使得本發明具有主動向日跟蹤的優點。
[0034] 第三，由于本發明在調節控制平臺方位角和高度角的步驟中，采用閉環反饋的控 制方法，