基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架反阴影系统

1.本发明属于太阳跟踪装置技术领域，涉及一种基于双电池板差分检测的 单轴光伏跟踪支架反阴影系统。


背景技术：

2.跟踪式光伏支架是承载光伏电池板，跟踪太阳运动提升光伏电池板发电 量的专用设备。拥有一个旋转轴，只在一个方向上跟踪太阳运动的跟踪式光 伏支架被称为单轴光伏跟踪支架。阵列式密集安装的单轴光伏跟踪支架，在 早晚太阳高度角比较低的时段，迎向太阳的前排跟踪支架上部会对后排跟踪 支架下部造成遮挡。被遮挡的光伏跟踪支架下部电池板表面由于没有太阳直 射光线，会出现因遮挡而形成的阴影区域。
3.光伏电池板组件之间，以及光伏电池板组件内部各个光伏电池片之间， 均采用串联结构，通过串联形成高压直流电源。高压光伏组件串中，被遮挡 的电池片不但不能发电，还会成为其它电池片的耗能负载，严重影响光伏组 件串的整体发电量输出。因此在单轴光伏跟踪支架的跟踪角度控制过程中， 要求跟踪控制器在可能发生阴影遮挡的工作时段，切换到减小跟踪角度，避 免阴影遮挡的控制方法。这种控制方法俗称为“反阴影控制”。
4.传统的单轴光伏跟踪支架反阴影控制是一个开环的控制系统，控制器不 对跟踪支架是否发生遮挡阴影进行反馈检测，只是通过数学推导的方法计算 阴影是否生成，并根据计算结果进行反阴影控制。
5.传统的单轴光伏跟踪支架反阴影控制系统，首先需要现场调试人员依据 实际测量结果，手动设定跟踪支架旋转轴之间的间距d和高度差h参数。 然后在反阴影时间段，由跟踪控制器根据太阳光线入射高度角、跟踪支架宽 度l，开环计算出不产生阴影的跟踪支架旋转轴目标角度，然后将旋转轴控 制到该目标角度，实现反阴影控制。
6.传统反阴影控制系统的问题是，现场安装、设定跟踪支架旋转轴间距d 和高度差h参数的工作量大，增加了设备安装调试的复杂度。同时大规模的 人工测量很容易出现错误，尤其是在坡地和丘陵地带，人工测量旋转轴间距 d和高度差h的准确度难以保证。由于没有闭环检测的手段，传统的开环反 阴影控制系统一旦控制参数设置不准确，就会直接影响反阴影的效果，要么 形成阴影显著影响发电量，要么浪费土地资源，不能充分接收太阳辐射能量。
7.光伏跟踪支架的控制器需要外部工作电源，其工作电源有多种来源可供 选择，包括外部电网电源集中供电、高压组串供电和独立电池板自供电等多 种选择。所谓独立电池板自供电是指在光伏跟踪控制器附近，安装与电网脱 离的小型的专用光伏电池板为光伏跟踪控制器提供电源。由于不依赖电网供 电，这种供电方式称为独立光伏电池板自供电。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架 反阴影系统，同时解决光伏跟踪支架的供电问题和遮挡阴影的闭环检测问题， 达到简化单轴光伏跟
踪支架的施工调试，并提高反阴影控制系统准确性和可 靠性的目的。
9.本发明所采用的技术方案是，基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支 架反阴影系统，包括光伏跟踪控制器以及与光伏跟踪控制器电连接的电动驱 动器，电动驱动器安装在单轴光伏跟踪支架的旋转轴上且驱动旋转轴旋转， 旋转轴上阵列式的安装有多个主发电光伏电池板，任意相邻的两个主发电光 伏电池板之间安装间隙的左侧和右侧分别安装有左侧自供电光伏电池板和 右侧自供电光伏电池板，左侧自供电光伏电池板和右侧自供电光伏电池板的 电气参数相同，左侧自供电光伏电池板的左边缘与主发电光伏电池板阵列的 左边沿对齐，右侧自供电光伏电池板的右边缘与主发电光伏电池板阵列的右 边沿对齐，左侧自供电光伏电池板和右侧自供电光伏电池板均通过电连接光 伏跟踪控制器；
10.光伏跟踪控制器包括mcu处理器以及和mcu处理器电连接的左侧输入 电能检测装置和右侧输入电能检测装置，左侧输入电能检测装置和右侧输入 电能检测装置分别电连接左侧自供电光伏电池板和右侧自供电光伏电池板， mcu处理器电连接电动驱动器。
11.本发明的特征还在于，
12.设定检测阈值，在无遮挡情况下，理论上左侧自供电光伏电池板和右侧 自供电光伏电池板的发电量相同，当左侧自供电光伏电池板或者右侧自供电 光伏电池板其中一个受到遮挡后，左侧自供电光伏电池板和右侧自供电光伏 电池板所接收的能量出现差异，当差值达到设定检测阈值后，光伏跟踪控制 器内部的mcu处理器即可判定输出能量较小的左侧自供电光伏电池板或者 右侧自供电光伏电池板受到了遮挡，光伏跟踪控制器输出电信号控制电动驱 动器，通过电动驱动器驱动旋转轴带动其上承载的主发电光伏电池板和左侧 自供电光伏电池板和右侧自供电光伏电池板跟踪太阳运动，直到差值小于设 定的检测阈值。
13.光伏发电阵列中安装有前排单轴光伏跟踪支架和后排单轴光伏跟踪支架， 且前排单轴光伏跟踪支架和后排单轴光伏跟踪支架的旋转轴相互平行，且两 个旋转轴之间的水平间距为h，在太阳高度角较低的跟踪时段，前排单轴光 伏跟踪支架上的主发电光伏电池板阵列上沿，会遮挡投射到后排单轴光伏跟 踪支架的太阳入射光线，在后排单轴光伏跟踪支架的主发电光伏电池板阵列 下部形成遮挡区域，当遮挡发生后，后排单轴光伏跟踪支架下部的左侧自供 电光伏电池板被部分遮挡，其输出能量降低，后排单轴光伏跟踪支架的跟踪 控制器中两路能量检测装置的电能差值加大，差值达到设定检测阈值后，后 排单轴光伏跟踪支架的光伏跟踪控制器即可检测到其左侧自供电光伏电池 板受到了遮挡，进而后排单轴光伏跟踪支架的光伏跟踪控制器控制电动驱动 器驱动旋转轴旋转，直到后排单轴光伏跟踪支架的主发电光伏电池板阵列不 受遮挡，即就是后排单轴光伏跟踪支架对应的左侧自供电光伏电池板和右侧 自供电光伏电池板输出能量差值小于设定的检测阈值。
14.当太阳入射光线角度为θ1，前后排单轴光伏跟踪支架和后排单轴光伏跟 踪支架的旋转角度分别为α1和α2时，后排单轴光伏跟踪支架的下部形成遮挡 区域，其左侧自供电光伏电池板被部分遮挡，输出能量降低，后排单轴光伏 跟踪支架的光伏跟踪控制器检测到遮挡后，通过电动驱动器驱动旋转轴向水 平方向运动的方法，抬高跟踪器左边沿和左侧自供电光伏电池板位置，规避 阴影的遮挡，当后排单轴光伏跟踪支架的角度由α2运行至β2后，其左侧自供 电光伏电池板脱离阴影遮挡，其输出能量与右侧自供电光伏电池板输出能量 的差值恢复到许可阈值之内，光伏跟踪控制器即可判断跟踪支架脱离阴影遮 挡，系统完成
反阴影控制。
15.光伏跟踪控制器还包括设置有控制器通信接口，控制器通信接口电连接 mcu处理器，多个单轴光伏跟踪支架的控制器通信接口通过通讯接口连接， 每个光伏跟踪控制器通过控制器通信接口获取相邻单轴光伏跟踪支架的工 作角度。
16.光伏跟踪控制器的mcu处理器通过主发电光伏电池板的宽度l、太阳 光线入射角度θ、前排单轴光伏跟踪支架的跟踪角度α和后排单轴光伏跟踪支 架脱离阴影遮挡的工作角度β，实现解算前后排单轴光伏跟踪支架之间的安 装间距h和高度差d，物理量之间的转换计算公式如下：
[0017][0018]
分为以下三种情况：
[0019]
情况一：平地安装h未知
[0020]
前排单轴光伏跟踪支架和后排单轴光伏跟踪支架的旋转轴高度相同，即 就是高度差d＝0，主发电光伏电池板的宽度为已知的长度l，则根据太阳光 线入射角度θ、前排单轴光伏跟踪支架的跟踪角度α和后排单轴光伏跟踪支架 脱离阴影遮挡的工作角度β计算前排单轴光伏跟踪支架和后排单轴光伏跟踪 支架的旋转轴的间距h，公式如下：
[0021][0022]
情况二：坡地安装h已知
[0023]
前排单轴光伏跟踪支架和后排单轴光伏跟踪支架的旋转轴的间距h已 知，则根据太阳光线入射角度θ、前排单轴光伏跟踪支架的跟踪角度α和后排 单轴光伏跟踪支架脱离阴影遮挡的工作角度β计算前排单轴光伏跟踪支架和 后排单轴光伏跟踪支架的旋转轴的高度差d，具体为：
[0024][0025]
若d为正值，则后排单轴光伏跟踪支架的位置低，若d为负值，则后排 单轴光伏跟踪支架的位置高；
[0026]
情况三：坡地安装h与d未知
[0027]
前排单轴光伏跟踪支架和后排单轴光伏跟踪支架的旋转轴的间距h和高 度差d均未知时，则根据太阳光线入射角度θ、前排单轴光伏跟踪支架的跟 踪角度α和后排单轴光伏跟踪支架脱离阴影遮挡的工作角度β计算前排单轴 光伏跟踪支架和后排单轴光伏跟踪支架的旋转轴的高度差d和间距h：在两 个工作角度下建立方程联立求解。
[0028]
情况三或者在不同的太阳入射角度θ下，增加反阴影联立方程的个数， 通过最小二乘方法求解前排单轴光伏跟踪支架和后排单轴光伏跟踪支架的 旋转轴的高度差d和间距h的数值。
[0029]
左侧自供电光伏电池板和右侧自供电光伏电池板的边框宽度小于主发 电光伏电池板的边框宽度，在发生遮挡时首先遮挡自供电光伏电池板。
[0030]
任意相邻的两个主发电光伏电池板之间设置有与旋转轴垂直的电池板 滑道，两
个自供电光伏电池板的两侧分别滑动安装在电池板滑道的左右两侧 内，电池板滑道设置有挡位部件，用于限制自供电光伏电池板的滑动范围， 在挡位部件的限制下，左侧自供电光伏电池板和右侧自供电光伏电池板可以 向主发电光伏电池板的外侧滑出一段设定的距离，当向内滑入时，自供电光 伏电池板的外沿与主发电光伏电池板的外沿对齐，或者滑入主发电光伏电池 板的外沿之内。
[0031]
左侧自供电光伏电池板和右侧自供电光伏电池板安装在任意相邻的两 个主发电光伏电池板之间或者安装在主发电光伏电池板阵列的最末端。
[0032]
本发明的有益效果是：
[0033]
本发明将光伏跟踪支架控制器的供电问题和遮挡阴影检测问题合并处 理，简化系统结构，通过遮挡阴影的实时检测，防止因工作参数设置不准确 引起的反阴影控制失效，提高系统反阴影控制的可靠性。
[0034]
本发明通过跟踪器的通信接口，相邻跟踪器可以交换工作角度信息，进 而通过太阳入射角度和脱离阴影时的跟踪器角度，解算出跟踪器间距和高度 差参数，基于这些实际测量的安装参数，跟踪器还可实现准确的主动反阴影 控制。
附图说明
[0035]
图1是本发明基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架反阴影系统的 结构示意图；
[0036]
图2是本发明基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架反阴影系统的 安装示意图；
[0037]
图3本发明基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架反阴影系统前后 排跟踪支架遮阴影形成原理及阴影检测示意图；
[0038]
图4是本发明基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架反阴影系统在 水平地面等高安装光伏跟踪支架反阴影控制示意图；
[0039]
图5是本发明基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架反阴影系统在 不等高坡地后排光伏跟踪支架反阴影控制示意图；
[0040]
图6是本发明基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架反阴影系统在 不等高坡地前后排光伏跟踪支架共同反阴影控制示意图；
[0041]
图7是本发明基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架反阴影系统中 自供电光伏电池板滑动安装示意图。
[0042]
图中，1.光伏跟踪控制器，2.电动驱动器，3.左侧自供电光伏电池板，4. 右侧自供电光伏电池板，5.单轴光伏跟踪支架，6.太阳入射光线，7.遮挡区域，8.挡位部件；
[0043]
101.左侧输入电能检测装置，102.右侧输入电能检测装置，103.控制器通 信接口；
[0044]
510.旋转轴，520.主发电光伏电池板，521.左边沿，522.右边沿，530.电 池板滑道；
[0045]5‑
1.前排单轴光伏跟踪支架，5
‑
2.后排单轴光伏跟踪支架。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0047]
本发明基于双电池板差分检测的单轴光伏跟踪支架反阴影系统，其结构 如图1所示，包括光伏跟踪控制器1以及与光伏跟踪控制器1电连接的电动 驱动器2，电动驱动器2安装单轴光伏跟踪支架5的旋转轴510上且驱动旋 转轴510旋转，如图2所示，旋转轴510上阵列式的安装有多个主发电光伏 电池板520，主发电光伏电池板520的输出相互连接在一起，其输出电能经 逆变器变换后输送至电网，任意相邻的两个主发电光伏电池板520之间的左 侧和右侧分别安装有左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4， 左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4的电气参数相同，左侧 自供电光伏电池板3的左边缘与主发电光伏电池板520阵列的左边沿521对 齐，右侧自供电光伏电池板4的右边缘与主发电光伏电池板520阵列的右边 沿522对齐，左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4均通过电 连接光伏跟踪控制器1，两个自供电光伏电池板收集太阳辐照能量转换输出 的电能，通过电缆输送至光伏跟踪控制器1作为其自身的工作电源；
[0048]
光伏跟踪控制器1包括mcu处理器以及和mcu处理器电连接的左侧输 入电能检测装置101和右侧输入电能检测装置102，左侧输入电能检测装置101和右侧输入电能检测装置102分别电连接左侧自供电光伏电池板3和右 侧自供电光伏电池板4，mcu处理器电连接电动驱动器2。
[0049]
设定检测阈值，在无遮挡情况下，理论上左侧自供电光伏电池板3和右 侧自供电光伏电池板4的发电量相同，左侧输入电能检测装置101和右侧输 入电能检测装置102输出至mcu处理器的能量信号差值近似为零，当左侧 自供电光伏电池板3或者右侧自供电光伏电池板4其中一个受到遮挡后，左 侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4所接收的能量出现差异， 当差值达到设定检测阈值后，光伏跟踪控制器1内部的mcu处理器即可判 定输出能量较小的左侧自供电光伏电池板3或者右侧自供电光伏电池板4受 到了遮挡，光伏跟踪控制器1输出电信号控制电动驱动器2，通过电动驱动 器2驱动旋转轴510带动其上承载的主发电光伏电池板520和左侧自供电光 伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4跟踪太阳运动，直到差值小于设定的 检测阈值。
[0050]
如图3所示，光伏发电阵列中安装有前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1和后排 单轴光伏跟踪支架5
‑
2，且前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1和后排单轴光伏跟踪 支架5
‑
2的旋转轴510相互平行，且两个旋转轴510之间的间距为h，在太 阳高度角较低的跟踪时段，前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1上的主发电光伏电池 板520阵列上沿，会遮挡投射到后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2上的太阳入射光 线6，在后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的主发电光伏电池板520阵列下部形成 遮挡区域7，当遮挡发生后，后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2下部的左侧自供电 光伏电池板3被部分遮挡，其输出能量降低，后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的 跟踪控制器1中两路能量检测装置的电能差值加大，差值达到设定检测阈值 后，后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的光伏跟踪控制器1即可检测到其左侧自供 电光伏电池板3受到了遮挡，进而后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的光伏跟踪控 制器1控制电动驱动器2驱动旋转轴510旋转，直到后排单轴光伏跟踪支架 5
‑
2的主发电光伏电池板520阵列不受遮挡，即就是后排单轴光伏跟踪支架 5
‑
2对应的左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4输出能量差 值小于设定的检测阈值；如图3所示，左侧光伏电池板旋转至较低的位置， 对于旋转轴510南北方向布置的平单
轴，跟踪器姿态随着太阳位置变化，也 会出现左侧电池板旋转至高位，而右侧光伏电池板旋转至低位的状态，此时 发生遮挡的就是右侧自供电光伏电池板4。
[0051]
如图4所示，当太阳入射光线6角度为θ1，前后排单轴光伏跟踪支架5
‑
1 和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的旋转角度分别为α1和α2时，后排单轴光伏跟 踪支架5
‑
2的下部形成遮挡区域7，其左侧自供电光伏电池板3被部分遮挡， 输出能量降低，后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的光伏跟踪控制器1检测到遮挡 后，通过电动驱动器2驱动旋转轴510向水平方向运动的方法，抬高跟踪器 左边沿521和左侧自供电光伏电池板3位置，规避阴影的遮挡，如图4所示， 当后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的角度由α2运行至β2后，其左侧自供电光伏电 池板3脱离阴影遮挡，其输出能量与右侧自供电光伏电池板4输出能量的差 值恢复到许可阈值之内，光伏跟踪控制器1即可判断跟踪支架脱离阴影遮挡， 系统完成反阴影控制。
[0052]
如图1所示，光伏跟踪控制器1还包括设置有控制器通信接口103，控制 器通信接口103电连接mcu处理器，相邻两个单轴光伏跟踪支架5的控制 器通信接口103通过通讯接口连接，每个光伏跟踪控制器1通过控制器通信 接口103获取相邻单轴光伏跟踪支架5的工作角度。
[0053]
光伏跟踪控制器1的mcu处理器通过主发电光伏电池板520的宽度l、 太阳光线入射角度θ、前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1的跟踪角度α和后排单轴光 伏跟踪支架5
‑
2脱离阴影遮挡的工作角度β，实现解算前后排单轴光伏跟踪 支架5之间的安装间距h和高度差d，物理量之间的转换计算公式如下：
[0054][0055]
分为以下三种情况：
[0056]
情况一：平地安装
[0057]
如图4所示，前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的 旋转轴510高度相同，即就是高度差d＝0，主发电光伏电池板520的宽度为 已知的长度l，则根据太阳光线入射角度θ、前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1的 跟踪角度α和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2脱离阴影遮挡的工作角度β计算前 排单轴光伏跟踪支架5
‑
1和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的旋转轴510的间距 h，公式如下：
[0058][0059]
情况二：坡地安装
[0060]
如图5所示，前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2 的旋转轴510的间距h已知，则根据太阳光线入射角度θ、前排单轴光伏跟 踪支架5
‑
1的跟踪角度α和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2脱离阴影遮挡的工作 角度β计算前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的旋转轴 510的高度差d，具体为：
[0061][0062]
若d为正值，则后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的位置低，若d为负值，则 后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的位置高；
[0063]
情况三：坡地安装
[0064]
如图5所示，前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的 旋转轴510的间距h和高度差d均未知时，则根据太阳光线入射角度θ、前 排单轴光伏跟踪支架5
‑
1的跟踪角度α和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2脱离阴 影遮挡的工作角度β计算前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1和后排单轴光伏跟踪支 架5
‑
2的旋转轴510的高度差d和间距h：在两个工作角度下建立方程联立 求解。
[0065]
情况三或者在不同的太阳入射角度θ下，增加反阴影联立方程的个数， 通过最小二乘方法求解前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1和后排单轴光伏跟踪支架 5
‑
2的旋转轴510的高度差d和间距h的数值。
[0066]
为了提高反阴影控制系统的性能，在检测阴影遮挡过程中，尽量不影响 主发电光伏电池板520的工作，左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏 电池板4的边框宽度小于主发电光伏电池板520的边框宽度，发生阴影遮挡 时，首先遮挡供电左侧自供电光伏电池板3或右侧自供电光伏电池板4，由 于主发电光伏电池板520的边框比较宽，在主发电光伏电池板520上的阴影 遮挡边框区域，还未到达内部电池片造成影响时，光伏跟踪控制器1即可检 测出左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4之间因遮挡引起的 差异，并启动反阴影控制，防止主发电光伏电池板520的工作受阴影影响
[0067]
改善性的，当主发电光伏电池板520的边框宽度较窄或者为无边框光伏 电池板组件时，任意相邻的两个主发电光伏电池板520之间设置有与旋转轴 510垂直的电池板滑道530，左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电 池板4的两侧分别滑动安装在电池板滑道530的左右两侧内，使其可以沿与 跟踪支架旋转轴510垂直的方向滑动。滑道内设置由挡位部件用于限制自供 电电池板的滑动范围，当自供电光伏电池板处于容易被遮挡的低侧位置时， 自供电光伏电池板在重力作用下向外滑出一定的预设距离s，位置降低，这 样就可以保证左侧自供电光伏电池板3或右侧自供电光伏电池板4先于主发 电光伏电池板520被遮挡，光伏跟踪控制器1可在主发电光伏电池板520被 遮挡前，检测出左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4之间因 遮挡引起的差异，并启动反阴影控制，防止主发电光伏电池板520的工作受 阴影影响。
[0068]
当自供电光伏电池板处于容易遮挡后排跟踪支架的高侧位置时，自供电 光伏电池板在重力作用下向内滑入，位置降低，其外边沿与主发电光伏电池 板520对齐，保证其不对后排光伏跟踪支架造成附加的阴影遮挡。
[0069]
自供电光伏电池板的滑动，即可在重力作用下自动完成。也可安装驱动 装置由控制器控制完成动作。
[0070]
两路能量检测装置可以是电流检测电路，也可以是电压检测电路或者其 它可以测量电能流动量值的电路。
[0071]
后排光伏跟踪控制器检测到阴影遮挡后，也可通过其内置的控制通信接 口103将遮挡信息传输至前排跟踪器的光伏跟踪控制器1使其减小跟踪角度， 降低光伏电池板上沿的高度，避免对后排光伏电池板的遮挡。
[0072]
本发明的左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4安装在任 意相邻的两个主发电光伏电池板520之间或者安装在主发电光伏电池板520 阵列的最末端，当安装在最末端时需要附件的外侧安装附件。
[0073]
实施例
[0074]
基于双光伏电池板差分检测的单轴跟踪支架反阴影控制系统，如图1所 示，反阴影控制系统包括一个光伏跟踪控制器1，一个直流24v驱动的电动 驱动器2，以及左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4，左侧 自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4的电气参数相同，两个自供 电光伏电池板输出作为光伏跟踪控制器1自身的工作电源，并用于驱动电动 驱动器2旋转。
[0075]
本实例中跟踪器采用单排竖放结构，主发电光伏电池板520尺寸为 2000mm
×
1000mm，边框宽度40mm。跟踪器翼展宽度2000mm，也就是电 池板阵列左边沿至右边沿距离2000mm。
[0076]
左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4的额定功率20w， 尺寸为340mm
×
400mm，边框宽度15mm，额定输出电压24v，额定输出电 流833ma。
[0077]
如图2所示，光伏跟踪控制器1安装在跟踪支架5上，左侧自供电光伏 电池板3和右侧自供电光伏电池板4与主发电光伏电池板520一起安装在旋 转轴510上。左侧自供电光伏电池板3的左边缘与主发电光伏电池板520阵 列的左边沿521对齐。右侧自供电光伏电池板4的右边缘与主发电光伏电池 板520阵列的右边沿522对齐。电动驱动器2连接至单轴光伏跟踪支架5的 旋转轴510。电动驱动器2驱动旋转轴510，带动其上承载的主发电光伏电 池板520和左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4跟踪太阳在 天空的运动。
[0078]
左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏电池板4内部的电池片为串 联结构，一旦边缘受到阴影遮挡，则其电流输出能力快速下降。光伏跟踪控 制器1内置有两路电流检测电路，分别连接左侧自供电光伏电池板3和右侧 自供电光伏电池板4的输出端，检测其输入光伏跟踪控制器1的电流值大小， 来自两个自供电光伏电池板的输入电流，经过电流检测传感器后，通过防反 流二极管连接在一起，接入跟踪控制器内部的储能元件。两个电流传感器的 检测结果输入跟踪控制器内部的mcu控制器，当输入电流差异大于5％
‑
10％ 即可判定输入电流较小的自供电光伏电池板发生了阴影遮挡。
[0079]
光伏跟踪器的左右遮挡关系，在早上和晚上两个时段会因太阳位置变化 发生逆转。如果早上时段左侧自供电光伏电池板3受到遮挡，则晚上右侧自 供电光伏电池板4受到遮挡。
[0080]
在如图3所示的早上时段，后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的右侧自供电光 伏电池板4位置较高，不会受到遮挡，可以其输出电流作为遮挡检测的参考 变量。未发生遮挡时，假定两块自供电光伏电池板的输出电流均为360ma。 当前排单轴光伏跟踪支架5
‑
1上侧右边沿522形成的遮挡区域7，侵入后排 单轴光伏跟踪支架5
‑
2左侧自供电光伏电池板3下端，并越过15mm的边框 开始覆盖电池片时，左侧自供电光伏电池板3的输出电流开始下降。阴影侵 入距离到达40mm左右(侵入电池片区域25mm左右)则左侧自供电光伏电 池板3的输入电流小于右侧自供电光伏电池板4电流值的10％，即 360
‑
36＝324ma则后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的光伏跟踪控制器1可判断其 左侧自供电光伏电池板3受到遮挡。
[0081]
如图4所示，当太阳入射光线6的输入角度为θ1，前排单轴光伏跟踪支 架5
‑
1和后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的旋转角度分别为α1和α2时形成遮挡区 域7，后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的光伏跟踪控制器1检测到遮挡后，控制 电动驱动器2，带动后排单轴光伏跟踪支架5
‑
2的旋转轴510向水平位置旋 转，抬高左侧自供电光伏电池板3的位置规避阴影的遮挡，
后排单轴光伏跟 踪支架5
‑
2的角度由α2运行至β2后，左侧自供电光伏电池板3上阴影覆盖区 域宽度减少至25mm左右(侵入电池片区域10mm左右)，左侧自供电光伏 电池板3的输入电流恢复至右侧自供电光伏电池板4电流值5％差值以内， 即360
‑
8＝342ma时，则可判断左侧自供电光伏电池板3退出阴影遮挡，系 统完成反阴影控制。此时的β2即为跟踪支架脱离阴影遮挡的角度。
[0082]
在跟踪支架检测阴影和反阴影控制的过程中，上述实例中作为参考参数 的右侧自供电光伏电池板4的输出电流360ma有可能发生变化，但是10％ 的触发阈值和5％的退出遮挡阈值保持不变。
[0083]
晚上反阴影时段，左侧自供电光伏电池板3位置较高，不会受到遮挡， 则光伏跟踪控制器1可使用左侧自供电光伏电池板3的输出电流作为参考变 量，检测右侧自供电光伏电池板4是否发生遮挡，其检测和控制过程与早上 时段类似，不再重复表述。
[0084]
上述实例中阴影侵入光伏电池板阵列40mm后，跟踪支架就开始执行反 阴影动作，由于主发电光伏电池板520的边框宽度为40mm，因此在遮挡阴 影检测和反阴影动作过程中，主发电光伏电池板520只是边框受到阴影遮挡， 其内部的光伏电池片没有受到阴影遮挡的影响，不会影响其输出发电量。
[0085]
如图1所示，光伏跟踪控制器1内置有控制器通信接口103，通过通信 接口，相邻单轴光伏跟踪支架5之间可以交换实时工作角度信息。
[0086]
根据太阳光线入射角度θ、前排跟踪器工作角度α1和后排跟踪器脱离阴 影遮挡时的工作角度的β2，光伏跟踪控制器1可以自动解算光伏跟踪支架之 间的安装间距h和高度差d等地理信息，具体情况分为以下三种。
[0087]
1、平地安装，跟踪器安装高度相同，轴间高差d＝0，安装间距h未知：
[0088]
如图4所示，假设电池板宽度2000mm，在太阳高度角θ的取值为θ1＝20 度时，前排跟踪器工作角度α1＝45度，后排跟踪器工作角度α2＝45时发生了 遮挡，在后排单轴光伏跟踪控制器1的控制下，后排跟踪器减小跟踪角度至 β2＝20度时脱离阴影遮挡。
[0089]
则根据公式(2)
[0090][0091]
h＝((707+342+0)/0.364+707+939)＝2882+707+939＝4528mm
[0092]
可求出前后单轴跟踪器的旋转轴间距h＝4528毫米。
[0093]
2、坡地安装，跟踪器安装间距h已知，高度差d未知：
[0094]
如图5所示，假设电池板宽度2000mm、跟踪器安装间距h＝4500mm。 在在太阳高度角θ的取值为θ1＝20度时，前排跟踪器工作角度α1＝45度，后排 跟踪器工作角度α2＝45时发生了遮挡，前排跟踪器不动作，保持工作角度 α1＝45度，后排跟踪器减小跟踪角度至β2＝22度时阴影消失。
[0095]
则根据公式(3)：
[0096][0097]
d＝0.364(4500
‑
707
‑
927)
‑
(707+375)d＝1043
‑
1082＝
‑
39mm
[0098]
d为正后排低，d为负后排高；高度差为
‑
39mm，后排比前排高39mm。
[0099]
如图6所示，假设跟踪器安装间距h＝4500mm。在太阳高度角20度时， 前排跟踪器工作角度α1＝45度，后排跟踪器工作角度α2＝45时发生了遮挡， 反阴影过程中，前排跟踪器和后排跟踪器共同动作，当前排跟踪器工作角度 β1和后排跟踪器角度β2均为32.0度时阴影消失。
[0100]
则根据公式(3)
[0101][0102]
d＝0.364(4500
‑
848
‑
848)
‑
(530+530)d＝1043
‑
1082＝
‑
39mm
[0103]
d为正后排低，d为负后排高；高度差为
‑
39mm，后排比前排高39mm。
[0104]
3、坡地安装，跟踪器安装间距h和高度差d均未知：
[0105]
在跟踪器安装间距h和高度差d均未知的情况下，可以在不同太阳入 射高度角θ1和θ2时刻分别测量β2(1)和β2(2)建立联立方程组，即可求解出安 装间距h和高度差d。
[0106]
则根据公式(3)构造联立方程
[0107][0108][0109]
在太阳高度角20度时，前排跟踪器与后排跟踪器发生了遮挡，前排跟 踪器和后排跟踪器共同调整跟踪角度消除阴影，当前排跟踪器工作角度调整 至β1(2)＝30.72和后排跟踪器工作角度调整至β2(2)＝34.22时刚好消除阴影
[0110]
在太阳高度角15度时，前排跟踪器与后排跟踪器发生了遮挡，前排跟 踪器和后排跟踪器共同调整跟踪角度消除阴影，当前排跟踪器工作角度调整 至β1(2)＝20.49和后排跟踪器工作角度调整至β2(2)＝23.99时刚好消除阴影
[0111]
依据太阳高度角15度和20度两个状态下的跟踪器反阴影角度建立联 立方程组，求解间距h和高度差d。
[0112]
d＝0.364(h
‑
1000cos30.72
°‑
1000cos34.22
°
)
‑
(1000sin30.72
°
+1000sin34.22
°
)
[0113]
d＝0.268(h
‑
1000cos20.49
°‑
1000cos23.99
°
)
‑
(1000sin20.49
°
+1000sin23.99
°
)
[0114]
依据上述方程可以解出h＝4528mm，d＝
‑
39mm。
[0115]
如果单轴跟踪支架采用无边框光伏电池板，阴影一旦进入光伏电池板阵 列的边缘，即可产生遮挡效应，影响主发电光伏电池板520阵列的电能输出。
[0116]
在此情况下，如图7所示，左侧自供电光伏电池板3和右侧自供电光伏 电池板4可以安装在与旋转轴510垂直的电池板滑道530上。本实例中，自 供电光伏电池板的滑动距离限制为40mm，在如图7所示的早晨反阴影时段， 左侧自供电光伏电池板3处于低侧，在重力作用下向外侧滑出40mm，此时 左侧自供电光伏电池板3的外边沿，比主发电光伏电池板520阵列的左边沿 521突出40mm，由于阴影侵入左侧自供电光伏电池板3内部40mm后，跟 踪支架就开始执行反阴影动作，因此前排光伏电池板形成的遮挡区域7只出 现在左侧自供电光伏电池板3的外侧，在遮挡阴影检测和反阴影动作过程中， 无边框主发电光伏电池板520内部的光伏电池片没有受到阴影遮挡的影响， 不会影响其发电量。
[0117]
如图7所示，在早晨反阴影时段右侧自供电光伏电池板4处于光伏跟踪 支架的高
侧，在重力作用下，右侧自供电光伏电池板4向内滑入。其右侧边 沿与主发电光伏电池板520阵列的右边沿522齐平，不会对其后排光伏跟踪 支架产生附加阴影。
[0118]
在中午脱离反阴影的正常跟踪时段，左侧自供电光伏电池板3和右侧自 供电光伏电池板4的表面不会形成阴影，其具体位置对跟踪系统的动作也没 有影响。
[0119]
在下午的反阴影时段，左侧自供电光伏电池板3被旋转轴510的旋转， 抬升到高位，在重力作用下向内侧滑入，其左边沿与主发电光伏电池板520 阵列的左边沿521齐平，不会对其后排光伏跟踪支架产生附加阴影。此时， 右侧自供电光伏电池板4被旋转到低侧，在重力作用下向外侧滑出40mm。 此时右侧自供电光伏电池板4的外边沿，比主发电光伏电池板520阵列的右 边沿522突出40mm。当阴影侵入右侧自供电光伏电池板4内部40mm后， 跟踪支架就开始执行反阴影动作，因此前排光伏电池板形成的遮挡区域7只 出现在右侧自供电光伏电池板4的外侧，在遮挡阴影检测和反阴影动作过程 中，无边框主发电光伏电池板520内部的光伏电池片没有受到阴影遮挡的影 响，不会影响其发电量。
[0120]
本发明在完成阴影规避动作后，前后排光伏跟踪器之间通过通信网络互 换实时跟踪角度信息，即可求解前后排光伏跟踪支架之间的水平间距和高度 差。根据跟踪支架的宽度、前后排间距和高度差，光伏跟踪控制器还可以借 助mcu的计算能力主动进行阴影的投射计算和规避动作，进而完全避免阴 影的产生。
[0121]
本发明的单轴光伏跟踪器反阴影技术，与传统的通过人工设置支架间距 和高差的开环反阴影技术相比，可以简化调试过程。同时系统为闭环结构， 即使因施工误差导致跟踪支架的间距和高差参数不准确，本技术也可以通过 对遮挡的实际检测实现闭环反阴影，提高了反阴影功能的可靠性和适用性。