基于追光電池板角度補償控制器的研究

周欣鑫 楊志成 閆貴琴

基于追光電池板角度補償控制器的研究

北京聯合大學 ?周欣鑫 ?楊志成 ?閆貴琴

【摘要】分析了太陽能光伏電池板的應用情況，根據太陽不同緯度照射角度的不同，建立了太陽照射地面角的度數學模型。根據數學模型，太陽與地球照射角度不是線形變化的，設計了具有角度補償功能的控制器。

【關鍵詞】光伏電池板;數學模型;角度補償;控制器

引言

太陽能電源在高海拔家庭、交通領域、通信、石油、海洋、氣象等領域得到廣泛應用，光伏電池是接受太陽照射把光能轉化成電能的裝置，光伏電池工作效率與本身的材質有關，也和它太陽之間的照射角度、時間有關。項目設計了雙軸太陽能追光電池板，對控制器進行優化，使其能適合高緯度、四季變化明顯地區補償控制器。

1.追光的光伏電池板機械結構

本項目討論的自動追光太陽能板由光伏電池版、雙軸復合運動機構、控制系統組成。雙軸復合運動機構是兩組旋轉運動結構，雙軸復合運動機構是太陽能光伏板的工作部分，也是核心部位，關系到太陽的照射角度和電能轉換量。追光的光伏電池板機械結構如圖1所示。它的機械機構包括底座、方向電機、支桿、角度電機連接件、限位件、光伏電池板、聯軸器、絲杠、萬向連接器、防雨水外殼等。方向電機作為電池板調整向陽方向的動力設備。角度電機作為電池板調整向陽角度的動力設備。

圖1 追光的光伏電池板機械結構圖

圖2 太陽照射方向角度圖

2.追光的光伏電池板控制器

研究一種具有適合高緯度地區的雙軸驅動的太陽能光伏電池板的控制器，具有現實意義。控制器應具有角度補償功能，才能更好的使電池板具有追光功能，最大限度的消除太陽黃度變化帶來的影響。通過對太陽高度角、方位角分析，建立的黃度坐標系。

2.1光伏電池板追光路徑的數學模型

太陽視位置計算方法可以根據太陽的運動規律計算出太陽的視運動軌跡，黃道坐標系中太陽的高度角與方位角如圖2所示， 坐標系中C點表示地心P為極軸M為子午，軸子午面與赤道平面的交線S為太陽所在方向。圖2中δ為太陽高度角，ω為太陽方向角，其中太陽高度角是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角。

通過實地測量我國北方日照對電池板平均有效時間為10小時，ω為太陽方向角變化大約180度。δ為太陽高度角變化90度。可以簡單推算為的數學模型，，代表權重。其中：

2.2 運動控制器中的參數模糊自整定PID關節位置控制算法

自動追光太陽能板的空間運動實時軌跡規劃與太陽照射角度存在關聯。執行機構借助各種傳感器實現光能轉換電能的作業任務。方案的優化設計主要包括兩部分。具體步驟如下：

（1）雙軸復合運動機構的功能優化設計：雙軸復合運動機構功能主要有轉動功能、傳動功能和通信功能。轉動功能是光伏板必具的功能，考慮到系統的平衡穩定性，系統機構采用支撐輪式，便于太陽最佳角度照射光伏板。角度控制功能是體現控制器連續作業提高工作效率的工作機構，控制器設計采用光照計信號采集，經過分析處理，然后采用PWM輸出，便于對機構的精確控制。

（2）太陽能光伏板的結構優化設計：它的結構包括：控制部分和機械部分。控制部分包括各種傳感器、控制器、驅動電路、電源調理電路和執行電機。機械部分包括旋轉機構和工作機構。工作機構是重點：它包括角度控制和方位控制。

1）電機的旋轉速度和角度的確定。依據是建立的黃度坐標系，電機的輸出方向和轉速要達到相當高的速度，速度以太陽的照射角度確定，方向依據24小時周期變化，當電機旋轉到晚上某個時點自動復位。

2）補償控制器的研究。運動控制器中的參數模糊自整定PID關節位置控制算法，是在常規PID的基礎上加上參數模糊自整定控制器構成的，可根據系統的偏差的大小、方向、以及變化趨勢等特征，通過補償控制器做出相應決策，自動在線調整PID的三個參數Kp、Ki、Kd的大小，以降低追光關節位置跟蹤誤差。其控制系統的結構如圖3所示。

圖3 補償控制器原理圖

實現方法：控制器采用MSP430單片機，它有豐富的片內資源，可使外圍擴展器件少，體積小，降低了成本和故障率。將的數學模型進行編程，作為PID控制器設定值，用來跟蹤太陽的位置，另一路信號由電池板上的光電傳感器測量，測量值分別提供PID控制器和補償控制。補償控制器的三個參數Kp、Ki、Kd大小根據光電傳感器測量值設定為10個分量，以滿足不同季節的變化。冬季5個分量，春秋8個分量，夏季10個分量。這樣可以設定簡單，防止電機頻繁啟動浪費電源。

3.結束語

本文介紹了追光光伏電池板自動追光控制器的設計方法。設備總體結構安全可靠，控制器原理簡單，它采用高性能單片機，利用豐富的片內資源，可降低了成本和故障率，減少了設備維護量。通過實驗，該控制器性能穩定、控制可靠、價格低廉，為光伏電池板采用自動追光方式發電提供了借鑒。

參考文獻

[1]http：//baike.baidu.com/view/1298.htm.

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[3]陳茂勇.基于MSP430系列單片機的智能無功補償控制器[J]電力建設，2005，6.

基金項目：北京聯合大學“啟明星”大學生科技創新項目經費資助（項目編號：201411417SJ067）。

作者簡介：周欣鑫，女，大學本科，北京聯合大學“啟明星”項目負責人。

通信作者：楊志成，項目指導教師，長期從事智能儀表、計算機控制等教學科研工作。