一種智能可折疊太陽能光伏板系統(tǒng)

劉云龍　劉健　侯俊　陳英杰　孫凱　王圳

摘 要：本文介紹的是一能感知不利于發(fā)電或?qū)夥逵袚p害的天氣，并且實現(xiàn)太陽能光伏板在以上天氣情況下自動收縮，在適合發(fā)電的天氣情況下伸出光伏板的裝置。在處理傳感器收集到的數(shù)據(jù)時，采集大量的數(shù)據(jù)，對平均后的多組數(shù)據(jù)進行比較，選取最優(yōu)的數(shù)據(jù)。采用PID算法進行控制光伏板進出收容箱，通過把連續(xù)的數(shù)學(xué)積分離散化，計算機和傳感器就可以進行數(shù)據(jù)計算。

關(guān)鍵詞：折疊；PID算法控制；防抖動

本智能太陽能光伏板折疊系統(tǒng)不同于現(xiàn)存的太陽能發(fā)電裝置，該系統(tǒng)能抵抗外部不利自然條件，克服天氣、地形地貌的影響，減少管理人員配置，提高智能管理水平，主要分為兩大體系：太陽能光伏板折疊機械體系和太陽能光伏板折

1 雨的感知

加入雨傳感器的目的是讓光伏板在下雨的情況下收縮進收容箱。本結(jié)構(gòu)采用一種可以反饋兩種信號的雨滴傳感器，它可以向單片機傳遞模擬信號和數(shù)字信號，該傳感器引出四路接口，分別是GND，VCC，DO，AO，其中GND直接接單片機負極，VCC接5V正極。模擬信號接口返回的數(shù)據(jù)范圍是0.1023，模擬信號的數(shù)據(jù)準確和詳細，因為它的數(shù)據(jù)是連續(xù)性的，所以它能反映各種天氣，也方便數(shù)據(jù)的采集與處理，綜上所述，采用模擬信號接口。

關(guān)于雨傳感器的程序，本結(jié)構(gòu)采用防抖動的設(shè)計，即先采集一次數(shù)據(jù)，算出一個數(shù)據(jù)量，然后隔一定時間再采集一次數(shù)據(jù)，算出另一個數(shù)據(jù)量，年后數(shù)據(jù)進行比較，看二者的誤差是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)若滿足誤差則說明傳感器的信號是穩(wěn)定的，可以采用第一個數(shù)據(jù)量代表的天氣情況，否則棄置該數(shù)據(jù)再重復(fù)上述動作。這樣是為了保證在采集這兩次數(shù)據(jù)的時間內(nèi)天氣情況穩(wěn)定的，能夠排除一些意外情況導(dǎo)致的數(shù)據(jù)驟變，這樣的處理方式能增強抗外界干擾能力。

2 雪的感知

加入雪傳感器的目的是讓光伏板在下雪的情況下收縮進入收容箱。本結(jié)構(gòu)采用的雪量傳感器是雨量傳感器和發(fā)熱電阻絲共同組成的，雨量傳感器與前文的是相同的，在其的表面布設(shè)一層發(fā)熱電阻絲，在采集雪的數(shù)據(jù)的時候先讓發(fā)熱電阻絲工作一段時間，若其表面有雪，則在這一段時間內(nèi)，雪就會融化成水，雨滴傳感器就會感知水的存在，這樣就把感知雪的問題轉(zhuǎn)化成了上文感知雨的問題，這樣進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理的方式同上文雨滴傳感器。

3 光的感知

加入光強傳感器的目的是讓光伏板在晚上或光強度不適合發(fā)電的時候收縮光進收容箱。本結(jié)構(gòu)采用的也是可以返回DO和AO信號的傳感器，同雨滴傳感器，為了能夠更準確的反映光強數(shù)據(jù)，采用AO信號，為了排除有異物瞬間遮擋傳感器的可能，數(shù)據(jù)處理也采用防抖動處理，第一組數(shù)據(jù)與第二組數(shù)據(jù)相隔一定時間，再比對這兩組數(shù)據(jù)的誤差是否在允許范圍內(nèi)。

4 電機結(jié)合超聲波測距用PID算法精確控制太陽能光伏板進出收納箱

光伏板進出收容箱需要精確控制，在伸展光伏板階段，如若有部分光伏板留在收容箱內(nèi)，會導(dǎo)致整體光伏板無法完全展開，這就會使發(fā)電效率降低。在收縮光伏板階段，如若有部分光伏板遺留在收容箱外，則這部分光伏板就會在一次次收縮時都會遺留在外面，分光伏板就會有很大的損傷，因此，控制光伏板進出收容箱的算法必須要非常精確，本結(jié)構(gòu)中我們采用位置式PID控制算法[1]控制。PID 控制器是一種將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制。

由于計算機是一種采樣控制，不能進行連續(xù)控制，只能采用離散計算的方式來處理數(shù)據(jù)的，因此上述表達式的積分項和微分項不能被計算機直接使用，必須對上式進行離散化處理，首先要確定傳感器的采樣周期T，采樣序號為K，則采樣時間KT對應(yīng)著上式的連續(xù)采樣時間t，用矩形數(shù)值法近似代替積分，用一階后向差代替微分，做近似變換后得下式，即離散表達式：

本結(jié)構(gòu)中，光伏板進出收容箱是通過電機驅(qū)動的，電機的速度可以在初始運行時求出，但是電機的的速度是會發(fā)生改變的，這是由于光伏板進出收容箱時不同的時刻折疊狀態(tài)不同，光伏板與軌道之間的摩擦力也不同，故光伏板做變加速運動，由于速度的改變帶來的偏差可由上式離散化的微分來提前預(yù)測，然后矯正，這樣一來，我們就只需要確定電機運行的時間，通過上式我們的出uk，它就是電機運行的時間，通過一次次的判斷，一次次的計算，最終光伏板會準確進出收容箱。

5 結(jié)論

本文研究的系統(tǒng)能夠極大地保護太陽能板，延長其使用壽命。基于折疊并收容的設(shè)計，本系統(tǒng)的適用性更廣，對運行的地形環(huán)境要求不高，在有坡度的地形中也可以使用。另外，本系統(tǒng)使用的電源是外部電源，整個系統(tǒng)沒有接入太陽能發(fā)電板的電池，如果把本系統(tǒng)接入太陽能電池，通過程序?qū)﹄姵氐墓ぷ鳡顩r及電量進行即時監(jiān)測，更加的人性化，整個系統(tǒng)將會更加協(xié)調(diào)。

參考文獻：

[1]鮑旭紅.位置式PID控制算法在城軌ATO系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，14（03）：84.89.

[2]李梅，金力.《智能車PID算法的設(shè)計》實驗綜述[J].電腦知識與技術(shù)，2013，9（16）：3826.3829.