太陽能電池陣陽光投影模擬裝置的製作方法

2023-12-10 08:50:07 1

專利名稱：太陽能電池陣陽光投影模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能電池陣陽光投影模擬裝置。
背景技術：
對於現有沙盤模型類裝置，均為一定光環境下的固定模型。至於活動的沙盤模型 投影僅限於軟體模擬形式，而且是為建築功能演示所設，沒有精確刻度，不能測量等。顯然， 兩者考慮的因素各不相同。相似的僅為模型，光環境不同，目的也不同。其一在於演示，另
一在於計量。

發明內容
本申請提供了一種新型的用於模擬太陽光在太陽能電池陣投影的裝置。本裝置的設計原理將地球上某點的切平面坐標定義為地理坐標平面，根據《矢量 代數》《空間解析幾何》等數學相關理論，太陽投影地理坐標平面上的變化被視為是一種結 果，條件如下1、由於太陽到地球的距離遠遠大於地球直徑和每日地球公轉移動距離，因此每日 照到地球上的陽光可近似地看作是平行光線。2、地球上測量點隨地球的運動看作是笛卡爾坐標系的轉動；3、每日照到地球上的太陽光是平行光而絕對方向不隨地球的運動(平移、轉動 等)而改變；4、以上所提及的笛卡爾坐標系的轉動可等效的平移至地心，其坐標原點與地心點重合。5、在歐幾裡德空間，兩個相互平行的平面在同軸轉動下，相對於同一平行矢量的 夾角的變化也是相等的。本裝置假定地球為球形，地球公轉軌道為圓形，太陽位於圓心；地球公轉速度為 30Km/s，光速為 300000Km/s。一種太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，包括赤道固定板，時角轉盤模型板，電池列 模型板，地理坐標平面模型板和平行光源，所述時角轉盤模型板設置在所述赤道固定板上， 可繞垂直於赤道固定板的轉軸旋轉；所述電池列模型板設置在所述地理坐標平面模型板 上、所述地理坐標平面模型板設置在時角轉盤模型板上，電池列模型板和地理坐標平面模 型板均可單獨轉動，兩者轉軸相互平行；所述地理坐標平面模型板和電池列陣模型板隨時 角轉盤模型板一起轉動；所述地理坐標平面模型板與赤道固定板之間的夾角為所模擬地點 的緯度餘角，電池列模型板與地理坐標平面模型板之間的夾角等效為模擬地點電池板與地 面之間的夾角即傾角；所述平行光源所發出的平行光與赤道固定板之間的夾角根據實驗要 求預設。進一步，所述地理坐標平面模型板和所述電池列模型板繞同一個轉軸旋轉。進一步，所述模擬裝置還包括分別驅動時角轉盤模型板，電池列模型板和地理坐標平面模型板轉動的三個步進電機，其中驅動時角轉盤模型板的步進電機設置在所述赤道 固定板的下方，所述用於驅動所述電池列陣模型板和地理坐標平面模型板的兩個步進電機 設置在時角轉盤模型板上。進一步，所述時角轉盤模型板為設置有角度刻度的圓板。進一步，所述地理坐標平面模型板上設置有長度刻度。進一步，所述赤道固定板、時角轉盤模型板、電池列模型板和地理坐標平面模型板 的材料為高精度亞克力或環氧樹脂板。進一步，所述時角轉盤模型板及其轉動軸、所述地理坐標平面模型板及其轉動軸、 所述電池列模型板及其轉動軸集成為一體。進一步，所述平行光源所發出的平行光與赤道固定板之間的夾角為23. 45°。進一步，所述動時角轉盤模型板，所述電池列模型板，和所述地理坐標平面模型板 均由人工手動驅動旋轉。本發明為首例描述太陽能電池陣列投影的裝置，直觀反映陣列與其投影之間的相 互空間關係及數值，可驗證計算結果，針對性強。具有一定精度。其結構較簡單、操作方便、 並可作為教學、參觀、演示用具。


圖1為本發明計算誤差示意圖；圖2為太陽能電池陣陽光投影模擬裝置示意圖；圖3為地球繞太陽公轉示意圖；圖4為太陽能電池陣陽光投影模擬裝置俯視圖；圖5為試驗中的太陽能電池陣陽光投影模擬裝置示意圖。
具體實施例方式誤差分析如圖1所示，由於公轉引起的位移遠大於地球半徑，所以研究誤差時只考慮公轉 的平動V = 30KM/S，不考慮自轉轉動。而地球公轉引起的誤差傳遞到角度上後，就變成一個 誤差夾角Z AB，也就是說光線並不是嚴格平行的，設白天發電五小時，期間地球公轉移動的 距離30X3600X5KM,圖中太陽11距離地球12的距離取8. 5 X60X 300000KM，移動前後兩 點之間弧線對太陽的夾角為Z AB ；ZAB是時角轉動前後的平行陽光偏轉誤差，具體條件如 圖注示，經計算有Z AB = 0. 00353弧度，約為0. 2度。以上的角度誤差，經投影后傳遞成了投影誤差即在投影方向引起的誤差不大於SINx I，由於 0 < χ << 1，因此有| SINx ^ x|。所以估計投影誤差最大約為0. 35%。如圖2所示，太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，包括赤道固定板1，時角轉盤模型 板2，電池列模型板3和地理坐標平面模型板4，平行光源5，驅動所述時角轉盤模型板的步 進電機6和分別驅動地理坐標平面模型板和電池列模型板的兩個步進電機7，時角轉盤模 型板2為設置在赤道固定板1上的帶有角度刻度的圓盤，可在設置於赤道固定板1下方的 步進電機6的驅動下繞其轉動軸旋轉，也可由人工手動驅動其旋轉；時角轉盤模型板2的轉軸垂直於赤道固定板1所在的平面。所述時角轉盤模型板2，電池列模型板3和地理坐標平 面模型板4均具有計量轉角，校零和固定的功能。本實施例中時角轉盤模型板2上刻度單 位為15°，代表實驗中每小時時角轉盤模型板所轉過的角度，刻度單位也可根據實驗的具 體要求設置。地理坐標平面模型板4為其上設置有長度刻度的平板，地理坐標平面模型板4及 其轉軸設置在時角轉盤模型板2上，地理坐標平面模型板4隨時角轉盤模型板一起繞其轉 軸旋轉；電池列模型板3及其轉軸設置在地理坐標平面模型板4上，電池列模型板3與地理 坐標平面模型板4的交線為地理坐標平面模型板4上長度刻度的零處。地理坐標平面模型 板4和電池列模型板3可相對獨立轉動，兩者轉軸相互平行或優選的集成為同一轉軸9。測 量時，可將地理坐標平面模型板4繞其轉軸旋轉至與時角轉盤模型板2之間夾角呈α的位 置，該角度為所模擬的地點的緯度餘角，將電池列模型板3繞其轉軸旋轉至與地理坐標平 面模型板4之間夾角β的位置，該角為所模擬的地點的電池板與地面之間的夾角；地理坐 標平面模型板4和電池列模型板3的轉動位置可由兩個分別設置在時角轉盤模型板2上或 其他位置的步進電機7驅動，也可通過人工手動設置。赤道固定板1、時角轉盤模型板2、電池列模型板3和地理坐標平面模型板4的材 料為輕質、平滑、便於鑽、切、磨、銑、車、衝機加並且具有一定硬度的金屬或非金屬材料，例 如高精度亞克力或環氧樹脂板。如圖3所示眾所周知，因為太陽能電站建站中電池板相互之間、與其它物體之間 經常發生陽光遮擋，對北半球來說圖中C位置為冬至地球軌跡點。在這一天太陽在天中位 置平均最低，太陽能電池板相互遮擋最大，所以，如圖2所示，本發明中模擬裝置中的平行 光源5模擬冬至當天的太陽光(赤黃夾角23. 45° )。平行光源5設置在電池列模型板一 側，並與其相距一定距離，由平行光源5所發出的平行光與赤道固定板1之間的夾角為根據 實驗要求預設的角度，在本實施例中為赤黃夾角23.45°。如圖4、5所示，本發明考慮冬至正午前後3小時時段狀況，舉例則設為2. 5小時。 折合方位角為-37. 5°到+37. 5°範圍。所以，在模擬過程中，時角轉盤模型板將轉過75°。1、將該模擬裝置設置為初始狀態將系統設置在正午時分狀態所對應的時角轉盤模型板2上的角度為0°，屆時通 過電腦控制步進電機或手動將模型架盤的▲標與時角模型轉盤的▲標對齊；將平行光源角 度通過光角儀或量角器(圖中未顯示)調整固定，使光線與赤道面固定板面夾角為赤黃夾 角或曰赤緯角23. 45°。2、模擬地的緯度角及電池板傾角狀態設置通過電腦控制地理坐標平面模型板步進電機或手動測量設定緯度餘角(緯度餘 角=90° _緯度角)，(模擬地點的緯度角依據資料可查詢)。電池板傾角可根據相關計算 得出，通過電池列模型板步進電機或手動測量設定實現。3、時角狀態設置根據要求將光照工作時間間隔轉化為時角Ψ，根據計算結果並通過時角(方位 角)轉動步進電機或手動測量設定時角。而後打開平行光源。4、獲得結果的驗證按圖4所示，觀察讀取電池列模型板在地理坐標平面模型板投影8坐標(按照預先的印製刻度)，及時記錄。並根據公式 其中D—太陽能電池方陣單排之間的距離H-—太陽能電池方陣高度δ —太陽赤緯角常數23. 45°Φ-太陽能電池安裝地的緯度Ψ-地球旋轉角，即時角。正午前後時間角度對比前後1小時為30°、前後2小 時為60° .......計算得出在該地設置太陽能電池方陣的投影長。通過上述步驟，經過比較，即可得出模擬地點在白天任一發電時間點，電池板遮擋 物高度與投影的關係，可以實際與理論計算結果比較。
權利要求
一種太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，包括赤道固定板，時角轉盤模型板，電池列模型板，地理坐標平面模型板和平行光源，所述時角轉盤模型板設置在所述赤道固定板上，可繞垂直於赤道固定板的轉軸旋轉；所述電池列模型板設置在所述地理坐標平面模型板上、所述地理坐標平面模型板設置在時角轉盤模型板上，電池列模型板和地理坐標平面模型板均可單獨轉動，兩者轉軸相互平行；所述地理坐標平面模型板和電池列陣模型板隨時角轉盤模型板一起轉動；所述地理坐標平面模型板與赤道固定板之間的夾角為所模擬地點的緯度餘角，電池列模型板與地理坐標平面模型板之間的夾角等效為模擬地點電池板與地面之間的夾角即傾角；所述平行光源所發出的平行光與赤道固定板之間的夾角根據實驗要求預設。
2.根據權利要求1中所述太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，其特徵為所述地理坐標 平面模型板和所述電池列模型板繞同一個轉軸旋轉。
3.根據權利要求1中所述太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，其特徵為所述模擬裝置 還包括分別驅動時角轉盤模型板，電池列模型板和地理坐標平面模型板轉動的三個步進電 機，其中驅動時角轉盤模型板的步進電機設置在所述赤道固定板的下方，所述用於驅動所 述電池列陣模型板和地理坐標平面模型板的兩個步進電機設置在時角轉盤模型板上。
4.根據權利要求1中所述太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，其特徵為所述時角轉盤 模型板為設置有角度刻度的圓板。
5.根據權利要求1中所述太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，其特徵為所述地理坐標 平面模型板上設置有長度刻度。
6.根據權利要求1中所述太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，其特徵為所述赤道固定 板、時角轉盤模型板、電池列模型板和地理坐標平面模型板的材料為高精度亞克力或環氧 樹脂板。
7.根據權利要求1中所述太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，其特徵為所述時角轉盤 模型板及其轉動軸、所述地理坐標平面模型板及其轉動軸、所述電池列模型板及其轉動軸 集成為一體。
8.根據權利要求1中所述太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，其特徵為所述平行光源 所發出的平行光與赤道固定板之間的夾角23. 45°。
9.根據權利要求1所述太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，其特徵為所述動時角轉盤 模型板，所述電池列模型板，和所述地理坐標平面模型板均可由人工手動驅動旋轉。
全文摘要
一種太陽能電池陣陽光投影模擬裝置，包括赤道固定板，時角轉盤模型板，電池列模型板，地理坐標平面模型板和平行光源，時角轉盤模型板設置在所述赤道固定板上，繞垂直於赤道固定板的轉軸旋轉；電池列模型板設置在所述地理坐標平面模型板上、地理坐標平面模型板設置在時角轉盤模型板上，電池列模型板和地理坐標平面模型板均可單獨轉動，兩者轉軸相互平行；地理坐標平面模型板和電池列陣模型板隨時角轉盤模型板一起轉動；地理坐標平面模型板與赤道固定板之間的夾角為模擬地點的緯度餘角，電池列模型板與地理坐標平面模型板之間的夾角等效為模擬地點電池板與地面之間的夾角；平行光源所發出的平行光與赤道固定板之間的夾角根據實驗要求預設。
文檔編號H02N6/00GK101908567SQ201010205888
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月12日 優先權日2010年6月12日
發明者劉伯昂, 李現輝, 薛黎明 申請人:中海陽(北京)新能源電力股份有限公司