一种光伏板角度测量系统及方法

技术领域

本发明属于太阳能利用领域，涉及光伏板安装角度测量技术，具体是一种光伏板角度测量系统及方法。

背景技术

太阳能是地球上最主要的可再生能源之一，是未来发展最重要的能源来源。它作为一种清洁、无污染的新能源，得到了广泛关注和使用。太阳能的采集利用主要通过光伏板对太阳能进行转换存储，因此光伏板的设置至关重要。

目前主要采用太阳跟踪装置，实时有效地监测和跟踪太阳光角度，使得太阳光始终照射在光伏板上，最大限度地利用太阳能，使得光伏发电系统达到最佳太阳能吸收率和转换率，能有效利用太阳能。但现有技术提供的技术方案本身就需要消耗能量，而且追踪装置结构复杂会增加运维成本，难以保证跟踪精度的稳定性，影响光伏发电系统的适应性。

本发明提供了一种光伏板角度测量系统及方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了一种光伏板角度测量系统及方法，用于解决现有技术通过调节光伏板角度以提高太阳能利用率，会增加能耗和运维成本，影响光伏发电系统稳定性的技术问题。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种光伏板角度测量系统，包括中枢控制模块，以及与之相连接的数据交互模块；数据交互模块分别与数据库和智能终端相连接，智能终端包括智能手机或者电脑；中枢控制模块从数据库中提取历史天气数据，根据设定周期从历史天气数据中提取目标天气数据；以光伏板设置区域的视角模拟太阳运行的二维轨迹图，根据目标天气数据模拟二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数；以及基于二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数计算光伏板在各子区域下的有效输出功率；根据目标天气数据计算各方位组合对应的设备稳定系数，与有效输出功率结合考虑从子区域中筛选出目标组合，基于目标组合对光伏板的角度进行调节。

除了目前主流的通过跟踪太阳自动调节光伏板角度的方法之外，还有一类是通过对光伏板的角度实际模拟来确定最优的角度。根据确定的最优角度来安装设置光伏板，但是实际模拟并不能覆盖所有的天气情况，因此并不能准确获取相对于光伏板安装区域来说的最优角度。

本发明根据光伏板安装区域的历史天气数据来模拟各种环境下太阳在二维轨迹图中对光伏板所做的功，结合光伏板在各方位组合下的稳定性从方位组合中筛选出最合适的目标组合；根据目标组合调节光伏板的角度能够从太阳能的整体利用率和光伏板的使用寿命来提高经济性。

本发明中的中枢控制模块与数据交互模块通信和/或电气连接；数据交互模块分别与数据库和智能终端通信和/或电气连接；数据库用于存储历史天气数据，智能终端用于反馈筛选出的目标组合。中枢控制模块主要负责数据处理，也就是模拟通过光伏板在各方位组合下能够获取的有效输出功率。数据交互模块主要提供数据支持，数据库用于采集存储各种所需数据，智能终端则用于接收数据处理结果。

本发明中的历史天气数据包括太阳运行轨迹以及对应的云雾浓度和温度变化等，这些数据的基础是以光伏板安装区域视角；太阳运行轨迹用于构建二维轨迹图，云雾浓度用于模拟获取云雾影响系数，温度、湿度等用于模拟获取效率转换系数，还有风力参数用于评估光伏板各方位组合对应的稳定性。设定周期根据光伏板的使用寿命设定，如光伏板所设定的使用寿命为三年，则从历史天气数据中提取近三年的数据作为目标天气数据。

优选的，所述以光伏板设置区域的视角模拟太阳运行的二维轨迹图，包括：以光伏板设置区域的视角，模拟该视角下太阳在设定周期内的运行轨迹；基于设定周期内的运行轨迹识别有效边框，基于有效边框确定太阳运行的二维轨迹图。

光伏板设置区域可以理解为地球上的一个参考视点，在一年四季中该参考视点所看到的太阳方位和高度是会变化的，但总体来说方位和高度均会在一定的角度范围内变化，如方位角设定正东方向为0°，正南为90°，正西为180°，俯仰角设定水平为0°，垂直为90°，方位角范围为[0°，180°]，俯仰角范围为[0°，90°]。

根据方位角范围和俯仰角范围确定原始区域，则模拟太阳一年(设定周期超过一年也按照一年进行模拟)中的运行轨迹，并映射到原始区域中。显然，太阳运行轨迹并不能填满原始区域，则按照太阳所能填充的位置和能够激发光伏板工作来确定有效边框，根据有效边框在原始重新确定一个区域，标记为二维轨迹图。也就是说太阳会在二维轨迹图中运行，而且二维轨迹图中的所有位置均能够激发光伏板做有效功。有效边框是指太阳在该边框上满足光伏板工作的最低要求，即在晴朗天气和环境适宜的情况下，太阳在有效边框时也能够带动光伏板进行发电工作。

优选的，所述根据目标天气数据模拟二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数，包括：根据光伏板安装的方位组合在二维轨迹图中设置若干子区域；基于目标天气数据统计各子区域的云雾参数，根据云雾参数获取对应子区域的云雾影响系数；根据目标天气数据统计各子区域的环境参数，根据环境参数获取对应子区域的效率转换系数。

本发明中的方位组合由方位角和俯仰角组成，有一个方位角和一个俯仰角既可以确定光伏板的位置。以光伏板安装区域(上述的参考视点)的视角，每个方位组合均会在二维轨迹图上对应一个投影区域，该投影区域即为一个子区域，且与对应的方位组合进行关联。每个子区域均对应一组云雾参数、一组环境参数和一组风力参数；根据云雾参数和环境参数可模拟获取子区域(或者说对应方位组合)对应的有效输出功率，也就是太阳能经过云雾遮挡衰减，再经过光伏板转换得到的功率；风力参数用于评估在光伏板设置区域中各方位组合对应的光伏板稳定性。综合有效输出功率和稳定性，可以选择出最优的方位组合，也就是目标组合，根据目标组合可完成光伏板的角度调节。

优选的，所述根据光伏板安装的方位组合在二维轨迹图中设置若干子区域，包括：基于设定步长划分方位角范围和俯仰角范围，获取若干方位范围和若干俯仰范围；从若干方位范围和若干俯仰范围中各提取一个，生成方位组合；以光伏板设置区域视角确定若干方位组合在二维轨迹图中的投影区域，获取若干子区域。

本发明中根据方位组合将二维轨迹图划分为若干子区域，主要是通过投影的方式。将方位角范围和俯仰角范围划分成若干方位范围和若干俯仰范围，则任意一个方位范围和任意一个俯仰范围均能够对应一个组成形成一个方位组合，在光伏板安装区域的视角，每个方位组合在二维轨迹图上均会对应一个投影区域，这样就可以在二维轨迹图中生成若干子区域。

优选的，所述根据云雾参数获取对应子区域的云雾影响系数，包括：提取子区域的云雾参数；模拟经过该云雾参数对应的云雾影响下，太阳能在设定周期内的可用比例；将可用比例标记为云雾影响系数。

本发明中的云雾参数包括设定周期内的云雾平均浓度和云雾影响时长。根据云雾参数模拟对应的云雾，计算在对应方位组合中云雾对太阳投射的影响。云雾定然会影响太阳能量达到光伏板，统计太阳能达到光伏板的到达率，该到达率可作为云雾影响系数。

优选的，所述根据环境参数获取对应子区域的效率转换系数，包括：提取子区域的环境参数；模拟在该环境参数影响下光伏板的太阳能转换效率，标记为效率转换系数。

本发明中的环境参数包括设定周期内的平均温度和平均湿度等影响光伏板转换效率的参数。光伏板接收到的太阳能并不能完全转换为电能，这个转换效果除了受到设备本身的影响之外，还会受到环境的影响，因此根据子区域对应的环境参数来模拟光伏板的转换效率，即为效率转换系数。

本发明的环境参数主要是指平均温度和平均湿度，也就是将设定周期内光伏板安装区域的温度和湿度进行平均；在另外一些优选的方案中，还可以将环境参数中的平均温度和平均湿度替换成温度范围和湿度范围，可以统计光伏板安装区域内温度和湿度的主要变化范围，将温度范围和湿度范围内得到的转换效率求均值，作为效率转换系数。

优选的，所述根据目标天气数据计算各方位组合对应的设备稳定系数，包括：从目标天气数据中提取风力参数，综合风力强度和风力方向从风力参数中提取目标参数；模拟在目标参数的影响下光伏板在各方位组合的稳定性，对稳定性模拟结果进行赋值，获取各方位组合的设备稳定系数。

本发明中的目标参数对应的风力强度和风力方向对光伏板稳定性影响最大。从目标天气数据中获取光伏板安装区域的风力参数，可对风力参数进行统计，即该区域内风力的主要方向和强度，得到目标参数。模拟目标参数对各方位组合下光伏板稳定性的影响，也可以理解为在目标参数下各方位组合下光伏板的使用寿命。

本发明的第二方面提供了一种光伏板角度测量方法，包括：提取历史天气数据，根据设定周期从历史天气数据中提取目标天气数据；以光伏板设置区域的视角模拟太阳运行的二维轨迹图，根据目标天气数据模拟二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数；基于二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数计算光伏板在各子区域下的有效输出功率；根据目标天气数据计算各方位组合对应的设备稳定系数，与有效输出功率结合考虑从子区域中筛选出目标组合，基于目标组合对光伏板的角度进行调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数计算光伏板在各子区域下的有效输出功率；根据目标天气数据计算各方位组合对应的设备稳定系数，与有效输出功率结合考虑从子区域中筛选出目标组合；本发明通过模拟获取各子区域对应的参数，综合选择最优的作为目标组合，能够最大程度兼顾发电效率和使用寿命。

2.本发明根据设定周期从历史天气数据中提取目标天气数据；以光伏板设置区域的视角模拟太阳运行的二维轨迹图，根据目标天气数据模拟二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数；本发明对参考视点的历史天气数据进行提取，模拟获取各子区域的主要影响参数，有助于提高目标组合的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明的方法步骤示意图；

图3为本发明的二维轨迹示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图2，本发明第一方面实施例提供了一种光伏板角度测量系统，包括中枢控制模块，以及与之相连接的数据交互模块；数据交互模块分别与数据库和智能终端相连接，智能终端包括智能手机或者电脑；中枢控制模块从数据库中提取历史天气数据，根据设定周期从历史天气数据中提取目标天气数据；以光伏板设置区域的视角模拟太阳运行的二维轨迹图，根据目标天气数据模拟二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数；以及基于二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数计算光伏板在各子区域下的有效输出功率；根据目标天气数据计算各方位组合对应的设备稳定系数，与有效输出功率结合考虑从子区域中筛选出目标组合，基于目标组合对光伏板的角度进行调节。

本实施例的第一步是中枢控制模块从数据库中提取历史天气数据，根据设定周期从历史天气数据中提取目标天气数据；以光伏板设置区域的视角模拟太阳运行的二维轨迹图，根据目标天气数据模拟二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数。

从数据库中提取光伏板安装区域(或者预安装区域)的历史天气数据，主要包括每天日出到日落的云雾变化数据、温湿度变化数据以及风力变化数据。假设光伏板的出厂设定使用寿命为三年，则根据这个从历史天气数据中提取近三年的天气数据，标记为目标天气数据。

请参阅图3，以光伏板设置区域作为参考视点，以方位角范围为[0°，180°]和俯仰角范围为[0°，90°]确定原始区域，也就是区域A。之后，验证区域A中太阳在云雾遮挡的情况下能够带动光伏板工作，将能够带动光伏板工作的区域标记为区域B，区域B的边框即为有效边框，区域B可以理解为二维轨迹图。

在确定二维轨迹图之后，对参考视点在若干方位组合下的投影进行分析，当参考视点在某方位组合下的投影与二维轨迹图存在交集时，则将投影区域作为一个子区域，这样可以将二维轨迹图划分为多个子区域。值得注意的是，二维轨迹图中的子区域并不要求一样大。

本实施例的方位组合可参考如下步骤生成：确定设定步长为1°，将方位角范围划分为{[0°，1°]，[1°，2°]，…，[179°，180°]}，俯仰角范围划分为{[0°，1°]，[1°，2°]，…，[89°，90°]}。任意提取一个方位范围[X°，(X+1)°]，一个俯仰范围[Y°，(Y+1)°]，即可组成一个方位组合{[X°，(X+1)°]，[Y°，(Y+1)°]}；X∈[0°，179°]，Y∈[0°，89°]。

基于目标天气数据统计获取二维轨迹图中各子区域对应的云雾参数，即根据目标天气数据统计该子区域在设定周期内存在多长时间的云雾(也包括雾霾等影响太阳投射的情况)，以及每次云雾的浓度，这样可以得到各子区域对应的云雾参数。模拟该云雾参数对太阳能投射的影响，经过云雾的阻挡之后还有多少太阳能能够到达光伏板。

基于目标天气数据统计获取二维轨迹图中各子区域(实际是各方位角)对应的环境参数。方位角决定的是光伏板的左右朝向，同一区域早上、中午、傍晚对应的环境参数均不相同，因此统计各方位组合在设定周期内对应的环境参数，并与对应子区域进行关联。模拟环境参数对光伏板的广电转换效率的影响，得到效率转换系数。

本实施例的第二步是基于二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数计算光伏板在各子区域下的有效输出功率；根据目标天气数据计算各方位组合对应的设备稳定系数，与有效输出功率结合考虑从子区域中筛选出目标组合，基于目标组合对光伏板的角度进行调节。

将某子区域对应的云雾影响系数标记为YYX，将效率转换系数标记为XZX，将入射至地球的太阳能量标记为RTN，则通过公式YSG＝α×RTN×YYX×XZX计算获取光伏板在该子区域的有效输出功率YSG，与对应子区域关联。

之后根据目标天气数据提取光伏板安装区域的风力参数，风力参数包括风力方向和风力强度，这里面可以按照参考视点的四个范围来确定，即确定方位一、方位二、方位三、方位四对应的风力平均强度和风力持续时长，根据四方位对应的风力参数模拟光伏板的稳定性，稳定性主要针对光伏板受到的风力冲击，与方位组合有关，也可以理解为各子区域均对应一个设备稳定系数。

二位轨迹图中的子区域均对应一个有效输出功率和一个设备稳定系数，根据有效输出功率和设备稳定系数来综合筛选子区域，将筛选出的子区域对应的方位组合作为目标组合，根据该目标组合中的方位角和俯仰角来调节光伏板的角度。

根据有效输出功率和设备稳定系数来综合筛选子区域可参考如下方案：将子区域标记为i，对应的有效输出功率和设备稳定系数标记为YSGi和SWXi；根据公式ZPFi＝β1×YSGi+β2×SWXi计算综合评分ZPFi，选择综合评分最好的子区域，将该子区域对应的方位组合作为目标组合。

上述公式中的部分数据是去除量纲取其数值计算，公式是由采集的大量数据经过软件模拟得到最接近真实情况的一个公式；公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：提取历史天气数据，根据设定周期从历史天气数据中提取目标天气数据；以光伏板设置区域的视角模拟太阳运行的二维轨迹图，根据目标天气数据模拟二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数。基于二维轨迹图中各子区域对应的云雾影响系数和效率转换系数计算光伏板在各子区域下的有效输出功率；根据目标天气数据计算各方位组合对应的设备稳定系数，与有效输出功率结合考虑从子区域中筛选出目标组合，基于目标组合对光伏板的角度进行调节。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。