CN101908567B

CN101908567B - 太阳能电池阵阳光投影模拟装置

Info

Publication number: CN101908567B
Application number: CN2010102058884A
Authority: CN
Inventors: 薛黎明; 刘伯昂; 李现辉
Original assignee: Rayspower New Energy Co Ltd
Current assignee: Rayspower Energy Group Co Ltd
Priority date: 2010-06-12
Filing date: 2010-06-12
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2030-06-12
Also published as: CN101908567A

Abstract

一种太阳能电池阵阳光投影模拟装置，包括赤道固定板，时角转盘模型板，电池列模型板，地理坐标平面模型板和平行光源，时角转盘模型板设置在所述赤道固定板上，绕垂直于赤道固定板的转轴旋转；电池列模型板设置在所述地理坐标平面模型板上、地理坐标平面模型板设置在时角转盘模型板上，电池列模型板和地理坐标平面模型板均可单独转动，两者转轴相互平行；地理坐标平面模型板和电池列阵模型板随时角转盘模型板一起转动；地理坐标平面模型板与赤道固定板之间的夹角为模拟地点的纬度余角，电池列模型板与地理坐标平面模型板之间的夹角等效为模拟地点电池板与地面之间的夹角；平行光源所发出的平行光与赤道固定板之间的夹角根据实验要求预设。

Description

太阳能电池阵阳光投影模拟装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池阵阳光投影模拟装置。

背景技术

对于现有沙盘模型类装置，均为一定光环境下的固定模型。至于活动的沙盘模型投影仅限于软件模拟形式，而且是为建筑功能演示所设，没有精确刻度，不能测量等。显然，两者考虑的因素各不相同。相似的仅为模型，光环境不同，目的也不同。其一在于演示，另一在于计量。

发明内容

本申请提供了一种新型的用于模拟太阳光在太阳能电池阵投影的装置。

本装置的设计原理：将地球上某点的切平面坐标定义为地理坐标平面，根据《矢量代数》《空间解析几何》等数学相关理论，太阳投影地理坐标平面上的变化被视为是一种结果，条件如下：

1、由于太阳到地球的距离远远大于地球直径和每日地球公转移动距离，因此每日照到地球上的阳光可近似地看作是平行光线。

2、地球上测量点随地球的运动看作是笛卡尔坐标系的转动；

3、每日照到地球上的太阳光是平行光而绝对方向不随地球的运动(平移、转动等)而改变；

4、以上所提及的笛卡尔坐标系的转动可等效的平移至地心，其坐标原点与地心点重合。

5、在欧几里德空间，两个相互平行的平面在同轴转动下，相对于同一平行矢量的夹角的变化也是相等的。

本装置假定地球为球形，地球公转轨道为圆形，太阳位于圆心；地球公转速度为30Km/s，光速为300000Km/s。

一种太阳能电池阵阳光投影模拟装置，包括赤道固定板，时角转盘模型板，电池列模型板，地理坐标平面模型板和平行光源，所述时角转盘模型板设置在所述赤道固定板上，可绕垂直于赤道固定板的转轴旋转；所述电池列模型板设置在所述地理坐标平面模型板上、所述地理坐标平面模型板设置在时角转盘模型板上，电池列模型板和地理坐标平面模型板均可单独转动，两者转轴相互平行；所述地理坐标平面模型板和电池列阵模型板随时角转盘模型板一起转动；所述地理坐标平面模型板与赤道固定板之间的夹角为所模拟地点的纬度余角，电池列模型板与地理坐标平面模型板之间的夹角等效为模拟地点电池板与地面之间的夹角即倾角；所述平行光源所发出的平行光与赤道固定板之间的夹角根据实验要求预设。

进一步，所述地理坐标平面模型板和所述电池列模型板绕同一个转轴旋转。

进一步，所述模拟装置还包括分别驱动时角转盘模型板，电池列模型板和地理坐标平面模型板转动的三个步进电机，其中驱动时角转盘模型板的步进电机设置在所述赤道固定板的下方，所述用于驱动所述电池列阵模型板和地理坐标平面模型板的两个步进电机设置在时角转盘模型板上。

进一步，所述时角转盘模型板为设置有角度刻度的圆板。

进一步，所述地理坐标平面模型板上设置有长度刻度。

进一步，所述赤道固定板、时角转盘模型板、电池列模型板和地理坐标平面模型板的材料为高精度亚克力或环氧树脂板。

进一步，所述时角转盘模型板及其转动轴、所述地理坐标平面模型板及其转动轴、所述电池列模型板及其转动轴集成为一体。

进一步，所述平行光源所发出的平行光与赤道固定板之间的夹角为23.45°。

进一步，所述动时角转盘模型板，所述电池列模型板，和所述地理坐标平面模型板均由人工手动驱动旋转。

本发明为首例描述太阳能电池阵列投影的装置，直观反映阵列与其投影之间的相互空间关系及数值，可验证计算结果，针对性强。具有一定精度。其结构较简单、操作方便、并可作为教学、参观、演示用具。

附图说明

图1为本发明计算误差示意图；

图2为太阳能电池阵阳光投影模拟装置示意图；

图3为地球绕太阳公转示意图；

图4为太阳能电池阵阳光投影模拟装置俯视图；

图5为试验中的太阳能电池阵阳光投影模拟装置示意图。

具体实施方式

误差分析：

如图1所示，由于公转引起的位移远大于地球半径，所以研究误差时只考虑公转的平动V＝30KM/S，不考虑自转转动。而地球公转引起的误差传递到角度上后，就变成一个误差夹角∠AB，也就是说光线并不是严格平行的，设白天发电五小时，期间地球公转移动的距离30×3600×5KM，图中太阳11距离地球12的距离取8.5×60×300000KM，移动前后两点之间弧线对太阳的夹角为∠AB；∠AB是时角转动前后的平行阳光偏转误差，具体条件如图注示，经计算有：∠AB＝0.00353弧度，约为0.2度。

以上的角度误差，经投影后传递成了投影误差即在投影方向引起的误差不大于：

|SINx|，由于0＜|x|＜＜1，因此有：|SINx|≈|x|。

所以估计投影误差最大约为：0.35％。

如图2所示，太阳能电池阵阳光投影模拟装置，包括赤道固定板1，时角转盘模型板2，电池列模型板3和地理坐标平面模型板4，平行光源5，驱动所述时角转盘模型板的步进电机6和分别驱动地理坐标平面模型板和电池列模型板的两个步进电机7，时角转盘模型板2为设置在赤道固定板1上的带有角度刻度的圆盘，可在设置于赤道固定板1下方的步进电机6的驱动下绕其转动轴旋转，也可由人工手动驱动其旋转；时角转盘模型板2的转轴垂直于赤道固定板1所在的平面。所述时角转盘模型板2，电池列模型板3和地理坐标平面模型板4均具有计量转角，校零和固定的功能。本实施例中时角转盘模型板2上刻度单位为15°，代表实验中每小时时角转盘模型板所转过的角度，刻度单位也可根据实验的具体要求设置。

地理坐标平面模型板4为其上设置有长度刻度的平板，地理坐标平面模型板4及其转轴设置在时角转盘模型板2上，地理坐标平面模型板4随时角转盘模型板一起绕其转轴旋转；电池列模型板3及其转轴设置在地理坐标平面模型板4上，电池列模型板3与地理坐标平面模型板4的交线为地理坐标平面模型板4上长度刻度的零处。地理坐标平面模型板4和电池列模型板3可相对独立转动，两者转轴相互平行或优选的集成为同一转轴9。测量时，可将地理坐标平面模型板4绕其转轴旋转至与时角转盘模型板2之间夹角呈α的位置，该角度为所模拟的地点的纬度余角，将电池列模型板3绕其转轴旋转至与地理坐标平面模型板4之间夹角β的位置，该角为所模拟的地点的电池板与地面之间的夹角；地理坐标平面模型板4和电池列模型板3的转动位置可由两个分别设置在时角转盘模型板2上或其他位置的步进电机7驱动，也可通过人工手动设置。

赤道固定板1、时角转盘模型板2、电池列模型板3和地理坐标平面模型板4的材料为轻质、平滑、便于钻、切、磨、铣、车、冲机加并且具有一定硬度的金属或非金属材料，例如：高精度亚克力或环氧树脂板。

如图3所示：众所周知，因为太阳能电站建站中电池板相互之间、与其它物体之间经常发生阳光遮挡，对北半球来说图中C位置为冬至地球轨迹点。在这一天太阳在天中位置平均最低，太阳能电池板相互遮挡最大，所以，如图2所示，本发明中模拟装置中的平行光源5模拟冬至当天的太阳光(赤黄夹角23.45°)。平行光源5设置在电池列模型板一侧，并与其相距一定距离，由平行光源5所发出的平行光与赤道固定板1之间的夹角为根据实验要求预设的角度，在本实施例中为赤黄夹角23.45°。

如图4、5所示，本发明考虑冬至正午前后3小时时段状况，举例则设为2.5小时。折合方位角为-37.5°到+37.5°范围。所以，在模拟过程中，时角转盘模型板将转过75°。

1、将该模拟装置设置为初始状态：

将***设置在正午时分状态所对应的时角转盘模型板2上的角度为0°，届时通过电脑控制步进电机或手动将模型架盘的▲标与时角模型转盘的▲标对齐；将平行光源角度通过光角仪或量角器(图中未显示)调整固定，使光线与赤道面固定板面夹角为赤黄夹角或曰赤纬角23.45°。

2、模拟地的纬度角及电池板倾角状态设置：

通过电脑控制地理坐标平面模型板步进电机或手动测量设定纬度余角(纬度余角＝90°-纬度角)，(模拟地点的纬度角依据资料可查询)。电池板倾角可根据相关计算得出，通过电池列模型板步进电机或手动测量设定实现。

3、时角状态设置：

根据要求将光照工作时间间隔转化为时角ψ，根据计算结果并通过时角(方位角)转动步进电机或手动测量设定时角。而后打开平行光源。

4、获得结果的验证：

按图4所示，观察读取电池列模型板在地理坐标平面模型板投影8坐标(按照预先的印制刻度)，及时记录。并根据公式

D / H = \tan φ - \frac{\sin δ}{\frac{1}{2} \sin 2 φ \cdot \sin δ + \cos 2 φ \cdot \cos δ \cdot \cos [\arccos (- \tan φ \cdot \tan δ) - ψ]}

其中：

D---太阳能电池方阵单排之间的距离

H---太阳能电池方阵高度

δ一太阳赤纬角常数23.45°

Φ-太阳能电池安装地的纬度

ψ-地球旋转角，即时角。正午前后时间角度对比：前后1小时为30°、前后2小时为60°......。

计算得出在该地设置太阳能电池方阵的投影长。

通过上述步骤，经过比较，即可得出模拟地点在白天任一发电时间点，电池板遮挡物高度与投影的关系，可以实际与理论计算结果比较。

Claims

1.一种太阳能电池阵阳光投影模拟装置，包括赤道固定板，时角转盘模型板，电池列模型板，地理坐标平面模型板和平行光源，所述时角转盘模型板为设置有角度刻度的圆板，设置在所述赤道固定板上，可绕垂直于赤道固定板的转轴旋转；所述电池列模型板设置在所述地理坐标平面模型板上、所述地理坐标平面模型板上带有长度刻度，设置在时角转盘模型板上，电池列模型板和地理坐标平面模型板均可单独转动，两者转轴相互平行；所述地理坐标平面模型板和电池列阵模型板随时角转盘模型板一起转动；所述地理坐标平面模型板与赤道固定板之间的夹角为所模拟地点的纬度余角，电池列模型板与地理坐标平面模型板之间的夹角等效为模拟地点电池板与地面之间的夹角即倾角；所述平行光源所发出的平行光与赤道固定板之间的夹角根据实验要求预设。

2.根据权利要求1中所述太阳能电池阵阳光投影模拟装置，其特征为：所述地理坐标平面模型板和所述电池列模型板绕同一个转轴旋转。

3.根据权利要求1中所述太阳能电池阵阳光投影模拟装置，其特征为：所述模拟装置还包括分别驱动时角转盘模型板，电池列模型板和地理坐标平面模型板转动的三个步进电机，其中驱动时角转盘模型板的步进电机设置在所述赤道固定板的下方，所述用于驱动所述电池列阵模型板和地理坐标平面模型板的两个步进电机设置在时角转盘模型板上。

4.根据权利要求1中所述太阳能电池阵阳光投影模拟装置，其特征为：所述赤道固定板、时角转盘模型板、电池列模型板和地理坐标平面模型板的材料为环氧树脂板。

5.根据权利要求1中所述太阳能电池阵阳光投影模拟装置，其特征为：所述时角转盘模型板及其转动轴、所述地理坐标平面模型板及其转动轴、所述电池列模型板及其转动轴集成为一体。

6.根据权利要求1中所述太阳能电池阵阳光投影模拟装置，其特征为：所述平行光源所发出的平行光与赤道固定板之间的夹角23.45°。

7.根据权利要求1所述太阳能电池阵阳光投影模拟装置，其特征为：所述时角转盘模型板，所述电池列模型板，和所述地理坐标平面模型板均由人工手动驱动旋转。