减少光伏发电厂中的遮挡的方法

摘要

一种用于减少光伏发电厂中的遮挡的方法，所述光伏发电厂包括：多个太阳跟踪器，由以给定的预定距离布置成毗邻的平行行的一个或多个光伏面板组成；由跟踪器控制器控制的致动器，其使得每个太阳跟踪器能够绕所述南‑北轴独立于该行的其他太阳跟踪器来旋转；以及包括通信网络的控制系统，该通信网络使得能够在每个跟踪器控制器和控制光伏发电厂的中央控制单元之间进行双向通信。该方法使用由中央控制单元的处理器执行的算法，该算法使用每个太阳跟踪器的常量和变量数据，并通过选择第一(“早晨”)或第二配置(“下午”)来确定算法中输入的每行中的每个太阳跟踪器的倾斜角(β)。

说明书

技术领域

本发明公开了一种实现算法的方法，该算法用于消除或显著减少太阳能光伏(PV)发电厂的两个或更多个太阳跟踪器(通常在某个区域内接近)之间的遮挡，以使每个独立的太阳跟踪器和/或太阳能光伏发电厂的电输出(能效)最大化，通过在日出和日落(sunset)(也称为日下(sundown))之间的任何时刻确定每个太阳跟踪器的最佳倾斜角，避免或最小化与太阳跟踪器相关联的面板之间的阴影，来维持所述效率水平高于预定阈值。

术语“太阳能光伏发电厂”在本文中应被理解为光伏电站、太阳能公园、太阳能农场、光伏设施或光伏系统的替代品，所有这些都是本特定领域的已知使用术语。

术语“阴影(shadow)”和“遮光(shade)”或“影子(shadowing)”和“遮挡(shading)”的使用应理解为具有同等含义，并可贯穿本文使用。

此外，贯穿本文可能使用缩写/首字母缩略词“PV”，而不是术语“光伏”。

背景技术

在过去几十年中，可再生、可持续和绿色能源的使用大幅度增加，导致了中大型太阳能光伏(PV)发电厂的发展，这些PV发电厂已成为除了通常的主要能源(包括核能或使用化石燃料和衍生物)以外的发电的替代能源。

这些发电厂通常具有多个太阳跟踪器，它们以给定预定距离布置成毗邻的平行行，其中每行包括绕南-北轴的预定数量的共同对齐(coaligned)太阳跟踪器。

有关PV发电厂的设计和安装的主要考虑之一是遮挡对诸个体太阳跟踪器和PV发电厂本身的部分或总效率两者可具有的影响。遮挡通常是由于主要毗邻的太阳跟踪器之间的邻近度(为了使可用地形的使用最大化)以及每个太阳跟踪器的特定倾斜角(在跟踪太阳的特定时间段内，面板可能在周围毗邻太阳跟踪器的某些部分上投射阴影)而发生。

因此，为了重新定位多个太阳跟踪器以避免PV发电厂中的遮挡，已经开发了若干不同的方法和系统，例如，使用控制器来控制太阳能设备(即太阳跟踪器)的驱动装置(电机)以保持所述太阳能设备朝向太阳是根据US 4215410A已知的，其中该控制器包括中央处理器装置和存储器以及用于提供诸如以下附加数据的装置：一年中的哪天、时间和设备所定位的纬度和经度，存储器用于存储用于控制所述处理器装置的功能的程序以及包括第一位置数据的数据。根据所述附加数据，存储在存储器中的程序确定用于太阳跟踪器的新的第二位置数据以及将所述太阳跟踪器移动到新位置所需的移动量。

但是，存储的程序没有考虑设备间的遮挡因素。

另一方面，US 8076625 B2公开了一种控制器系统和方法，其中与布置在太阳能农场中的太阳跟踪器通信的场级跟踪器控制器接收与诸太阳跟踪器的位置和物理尺寸及其电子布置有关的数据并控制它们的位置。跟踪器控制器具有存储在存储设备中的算法，该算法允许控制器计算和确定允许改进的太阳跟踪器的潜在功率输出总和的配置，还考虑到可能由包括毗邻太阳跟踪器的附近结构引起的遮挡图案。

CN 103149947 B公开了一种包括多个步骤的抗遮挡太阳跟踪方法，其中这些步骤之一在算法中输入毗邻行之间的遮挡量，以确定太阳跟踪器的最佳倾斜角。

Volodymir Koziy在“

KR1017461175公开了一种包括卫星信息接收器的太阳能模块的回溯方法，并且更具体地涉及一种用于太阳能模块的回溯方法，该方法能够通过计算太阳能面板的旋转角度来降低发电效率，并且其中每个太阳能面板组正向和反向旋转。该系统允许对倾斜进行非最佳跟踪，以有利于避免模块的遮挡。

CN203465601U涉及一种太阳跟踪器和一种新型的平面单轴太阳跟踪系统。

该系统包括三个或更多个太阳跟踪器，每个太阳跟踪器包括两个柱、四个传感器组件和太阳能电池板设施。该文献公开了一种基于两种状态的反跟踪方法，在第一种状态中，响应于最东端太阳跟踪器东侧的一个传感器被照亮而旋转所有太阳跟踪器，并且随后当东侧的其他太阳跟踪器的上部传感器被照亮时在该其它太阳跟踪器中引入校正，并且以类似但相反的方式在日落前将所有的太阳跟踪器向西旋转。

根据可用的现有技术，当太阳能发电厂被部署在不平坦的地形上时，有关减少或消除太阳能发电厂中的遮挡的问题仍未解决。

本发明公开了一种通过确定每个太阳跟踪器的最佳倾斜角同时维持电能输出或效率高于预定阈值来消除或显著减少太阳能光伏(PV)发电厂的近旁太阳跟踪器之间的遮挡的方法。

本文所公开的方法旨在通过使用在太阳跟踪器跟踪太阳的同时减少或消除它们之间的遮挡的算法来个体地控制和确定PV发电厂中包括的每个太阳跟踪器的最佳倾斜角，并在考虑到影响太阳跟踪器的行和列的地形的不规则性，并且特别是考虑坡度的情况下，维持诸个体太阳跟踪器和/或PV发电厂的整体效率(电力输出)高于预定阈值，以改进现有技术中当前已知的实践。

在最常见的布置之一中，该PV发电厂包括布置成南-北(南-北)方向上的毗邻平行行的多个太阳跟踪器(通常尺寸很大，例如45米长×4米宽，由两个或更多个垂直支架支撑)，其中每个太阳跟踪器由以串联、并联或两者结合的方式进行电连接的一个或多个PV面板组成。PV发电厂的毗邻平行行以给定的预定规则距离来定位，其中预定的规则距离可以贯穿整个PV发电厂的广度恒定或者诸行之间的距离可以变化。每行包括一组或预定数量的共同对齐太阳跟踪器，它们沿行在每一者之间有非常近的距离，例如40厘米。PV发电厂的太阳跟踪器是单轴跟踪器，优选地是水平单轴跟踪器(HSAT)，但也可以使用其他类型的单轴或双轴跟踪器。

除了由一个或多个PV面板组成外，每行的每个太阳跟踪器包括致动器或其他等效装置或机构，以及与每个太阳跟踪器相关联的跟踪器控制器，该控制器使得它能够独立于同一行的其他太阳跟踪器绕南-北轴旋转，同时跟踪太阳在日出和日落之间的任何时刻的位置。太阳跟踪器的这一特征使得每个太阳跟踪器在某一时刻采取特定角度成为可能，该角度可以与行或列中毗邻的太阳跟踪器的角度不同。除此之外，每个太阳跟踪器包括相关的控制器。

根据本发明采用的解决方案是借助于通过使用通信网络在与每个太阳跟踪器的致动器相关联的跟踪器控制器和中央控制单元之间建立双向通信的控制系统来实现PV发电厂的回溯功能，该中央控制单元控制PV发电厂并进行集中计算。这种逻辑似乎更符合大型PV发电厂的运营策略。在优选实施例中，所使用的控制系统优选为SCADA(监视控制和数据采集)控制系统，然而，可以使用任何其他合适的控制系统，并且用于启用多个跟踪器控制器和中央控制单元之间的双向通信的通信网络是从包括以下各项的组中选择的：混合RS-485和无线电通信网络或全网状无线电通信网络。然后，SCADA每次以一种集中化的方式来估计每个跟踪器的位置，并且能够经由特定命令将特定角度分配给每个跟踪器控制器。这降低了遮挡的风险，特别是在非常不规则的地形上。

因此，根据本发明，PV发电厂的中央控制单元包括处理器，该处理器执行存储在其中的算法，该算法实现具有连续步骤的集中控制方法，其中在任何时刻为每个太阳跟踪器确定最佳倾斜角以避免遮挡。

应该考虑到每个太阳跟踪器包括若干串联连接的光伏模块。这意味着即使是非常小的延伸的阴影也会对整个系列有影响。本发明的目的是避免任何遮挡。

在开始该方法的步骤之前，需要数据(每个太阳跟踪器的常量和变量这两者)来确定每行中每个太阳跟踪器的最佳倾斜角(β)。

一旦数据已经被输入到算法中，它就可以继续确定额外的必要信息，诸如太阳仰角(μ)或太阳方位角(Az)。

输入到算法中的常量数据包括没有经受任何变化的数据，诸如，每个太阳跟踪器的尺寸(轨道宽度、轨道长度和轨道高度)，太阳跟踪器之间的距离(诸如，太阳跟踪器到毗邻平行行中的太阳跟踪器之间的距离或布置在同一行中的太阳跟踪器之间的距离)，太阳跟踪器的GPS位置、纬度、经度和海拔坐标以及相对于太阳跟踪器的所述GPS位置的时区。本发明的建议的重要方面涉及毗邻太阳跟踪器之间的地形的坡度角(α)的这些常量数据内的额外考量。该方法考虑了沿东到西或西到东的坡度角(α)以及沿北到南和南到北的坡度角。

另一方面，算法中输入的变量数据包括诸如日出与日落之间的任何时刻的太阳位置(方位角、天顶和太阳仰角)，以及太阳跟踪器在任何时刻的当前倾斜角(β)。

由于多个太阳跟踪器因为毗邻太阳跟踪器之间的地形具有坡度而处于不同的高度，该算法通常有必要使用坡度角(α)来确定安装在不规则地形上的光伏发电厂中的每个太阳跟踪器的最佳倾斜角(β)的值，并且因此为了确定倾斜角(β)的最佳值，该算法使用相对于太阳跟踪器的布局和地形特征的至少一个坡度角(α)，如图2b中所见。在PV发电厂安装在相对平坦的地形上的那些情况下，可以忽略坡度角(α)的使用，如图2a中所见。

根据算法中引入的变量数据，如果太阳仰角(μ)值为0°，则太阳跟踪器处于夜间模式，这表明目前仍然是夜间，并且太阳还没有升到地平线以上，并且因此该算法无法确定相对于太阳位置的太阳方位角(Az)，直到太阳仰角(μ)的值大于0°。

基于由该算法确定的关于太阳方位角(Az)值的结果，该算法然后继续在第一模式或第二模式中操作，基于相邻太阳跟踪器的位置(在同一行或同一列中)，并考虑到所涉及的太阳跟踪器之间的高度差，即东到西方向(图2b)和北到南方向两者的地形坡度，第一模式被定义为太阳轨道上升的日出和正午之间的“早晨”，第二模式被定义为太阳轨道下降的正午和日落之间“下午”。

当太阳方位角(Az)的值小于或等于180°时，执行本发明的方法的第一操作模式(“早晨”)，然后太阳跟踪器必须朝向东方以便面向太阳，而当太阳方位角(Az)值大于180°时，执行第二操作模式(“下午”)，则太阳跟踪器必须朝向西方以便面向太阳。

然后，该方法继续将布置在毗邻平行行中的多个太阳跟踪器拆分或分割成多个东到西(E-W)方向的平行列或反之，使得每列包括每行的毗邻平行太阳跟踪器，并且然后以如下方式输入列的位置和数量：通过在所指示的一个或另一方向上滚动整个列来由成对的太阳跟踪器输入每列的太阳跟踪器的信息。

在优选实施例中，本发明的方法提供了在3到20秒之间的时间段中沿太阳能发电厂的所有列的行程。

一旦已经输入了关于这些新的太阳跟踪器列的信息以确定每个太阳跟踪器的倾斜角(β)的最佳值，该值被限于设置在-90°和+90°之间的最大值，公差或误差裕度为±2°。倾斜角(β)的最佳值的优选值被设置在-60°和+60°之间，但是这些值是非限制性的，并且可以变化。

如果中央控制单元的处理器在所述第一操作模式(“早晨”)下操作，则本发明的方法包括定义每列的最西端太阳跟踪器的倾斜角(β)的最佳值，并且随后确定每列的其余太阳跟踪器中每一者的倾斜角β的最佳值，以避免其太阳跟踪器之间的遮挡。

然而，如果中央控制单元的处理器在第二操作模式(“下午”)下操作，则本发明的方法包括定义每列的最东端太阳跟踪器的倾斜角(β)的最佳值，并且随后确定每列中其余每个太阳跟踪器的倾斜角β的最佳值，以避免其太阳跟踪器之间的遮挡。

应注意的是，当算法最初确定倾斜角(β)的最佳值时，对于任何时刻，替换方案是在第一操作模式中从每个最东端太阳跟踪器开始，以及在第二操作模式中从每个最西端太阳跟踪器开始。

在该方法的优选实施例中，一旦已经为每列的第一个太阳跟踪器确定了倾斜角(β)的最佳值，则由处理器随后依次计算每列的其余太阳跟踪器的最佳倾斜角确定。

在包含非常陡峭地形的那些实施例中，避免遮挡下一跟踪器所需的倾斜角(β)的极限值可导致跟踪器方向背向太阳。在这种情况下，收起位置将被指派给该跟踪器，计算同一列中其余跟踪器的位置。然后，将按相反的顺序进行计算。

如前所述，本发明的方法还考虑到同一行中毗邻跟踪器之间的坡度角(α)。此外，一旦跟踪器已经被定位在给定的列中，就可能出现遮挡，在这种情况下，可以添加虚拟跟踪器，并且从该虚拟跟踪器开始对每列中其余每个太阳跟踪器的最佳倾斜角(β)进行新的计算。除了允许给定遮挡量之外，在优选实施例中，当在“早晨”操作模式或“下午”操作模式中确定了每列中每个太阳跟踪器的各自最佳倾斜角(β)时，该方法可进一步包括通过考虑紧邻行的太阳跟踪器的阴影投影来调整或校正最佳倾斜角(β)的值，并且因此进一步调整给定列的任一太阳跟踪器的最佳倾斜角(β)。应注意，当东-西方向上的多列共同对齐或没有共同对齐时，可以应用对最佳倾斜角(β)值的这一调整或校正。

在优选的替代实施例中，本发明的方法可以包括调整或校正最佳倾斜角(β)的值，该算法并非考虑紧邻行的太阳跟踪器的阴影投影，而是通过考虑每个太阳跟踪器周围的预定区域内对应于太阳跟踪器的阴影投影来进一步调整给定列的任何太阳跟踪器的最佳倾斜角(β)，以确定每个太阳跟踪器的最佳倾斜角(β)。

将理解，对几何位置的参照，诸如平行、垂直、相切等，允许与由该术语定义的理论位置偏差高达±5°。

本发明的其他特征从以下对实施例的详细描述中变得明显。

根据参考附图以解说性和非限制性方式对实施例的以下详细描述，将更全面地理解上述和其他优点和特征，其中：

·图1解说了太阳能PV发电厂的一般布局，如以上所见；

·图2a和图2b分别解说了相对平坦地形和不规则地形上的太阳能PV发电厂；以及

·图3a和图3b解说了从上方看的太阳能PV发电厂的一部分，其中太阳跟踪器的平行列分别被布置为共同对齐或非共同对齐配置。

根据参考附图以解说性和非限制性的方式对实施例的以下详细描述，将更全面理解上述和其他优点和特征，其中：

图1解说了从上方看的太阳能光伏发电厂1的一般布局，其包括多个太阳跟踪器2，它们被布置在毗邻的平行行4和列5中，在行4中毗邻太阳跟踪器2之间有给定预定距离(d)且在列5中毗邻太阳跟踪器2之间有预定距离(d)；其中每行4包括绕南-北轴8的预定数量的共同对齐太阳跟踪器2。每行4的每个太阳跟踪器2包括致动器，其使得太阳跟踪器2能够独立于其他太阳跟踪器2围绕所述南-北轴8旋转。每个太阳跟踪器2包括一个或多个光伏面板3。

光伏发电厂1包括控制系统，该控制系统包括通信网络7，该通信网络7使得能够在与每个太阳跟踪器2的致动器相关联的每个跟踪器控制器和控制光伏发电厂1的中央控制单元6之间进行双向通信。

中央控制单元6至少包括处理器61和存储器62，以存储与光伏发电厂1相关的可执行算法和数据。当由处理器61执行该算法时，将太阳跟踪器2的多个平行行4沿东到西(E-W)方向分成多个列5，使得每列5包括每行4的毗邻平行太阳跟踪器2。

图2a和图2b解说了在相对平坦的地形和不规则的地形两者上的太阳能光伏发电厂1，以便更好地理解要被输入到算法中的坡度角(α)的使用(附图中未示出)，诸如坡度角α在向西方向的坡度角α

图3a和图3b分别解说了从上方看的太阳能光伏发电厂1的一部分，其中对齐的太阳跟踪器2的平行行4被划分或分割成太阳跟踪器2的平行列5，使得太阳跟踪器2的这些列5根据光伏发电厂1在其被设立的地形的广度上的配置分别布置在共同对齐(图3a)或不共同对齐(图3b)配置中。

因此，图3a和图3b是有用的以便理解可被添加到本发明方法的某些修改，其中考虑紧邻行4的太阳跟踪器2的阴影投影，进一步调整给定列5的任一太阳跟踪器2的最佳倾斜角(β)。

例如，在图3a和3b两者中，如果太阳跟踪器2a当前在修改其位置以便达到其所确定的最佳倾斜角(β)的过程中，则本发明的方法还将考虑由紧邻行4a和4b的太阳跟踪器2b分别向东和西投射的阴影投影，以及位于同一行4a和4b的太阳跟踪器2b的北和南方向上的它们的紧邻太阳跟踪器2c投射的阴影投影。

如前所述，太阳跟踪器2的多个列5在东到西的方向上可以是共同对齐或非共同对齐的，如分别在图3a和图3b中所见。

在本发明的方法的优选实施例中，列5中的太阳跟踪器2之一被设置成背向太阳，该方法进一步包括向设置成背向太阳的太阳跟踪器2指派收起位置，并计算在前一步骤中指派了该收起位置的太阳跟踪器2的列5中的其余太阳跟踪器2的倾斜角(β)的最佳值。

本文所描述的实施例确实包括这样的情况，其中行4列5用定义规则矩阵的太阳跟踪器2完成，这意味着在光伏发电厂1中阐述的布置中不会发现间隙或缺少太阳跟踪器2，这呈现出毗邻太阳跟踪器2之间的至少一个距离(D，d)的非恒定值。在这种情况下，本发明的方法提供了增加集成光伏面板3的虚拟太阳跟踪器2，并从该虚拟太阳跟踪器2的倾斜角(β)的最佳值开始计算每列5中其余每个太阳跟踪器2的倾斜角(β)的最佳值。

将理解，本发明的一个实施例的各个部分可以与在其他实施例中描述的部分自由地组合，即使所述组合没有明确地描述，前提是这种组合没有危害。