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(lián)合大學(xué) ?周欣鑫 ?楊志成 ?閆貴琴

【摘要】分析了太陽能光伏電池板的應(yīng)用情況，根據(jù)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(shù)學(xué)模型。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，太陽與地球照射角度不是線形變化的，設(shè)計了具有角度補償功能的控制器。

【關(guān)鍵詞】光伏電池板;數(shù)學(xué)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(lǐng)域、通信、石油、海洋、氣象等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，光伏電池是接受太陽照射把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，光伏電池工作效率與本身的材質(zhì)有關(guān)，也和它太陽之間的照射角度、時間有關(guān)。項目設(shè)計了雙軸太陽能追光電池板，對控制器進行優(yōu)化，使其能適合高緯度、四季變化明顯地區(qū)補償控制器。

1.追光的光伏電池板機械結(jié)構(gòu)

本項目討論的自動追光太陽能板由光伏電池版、雙軸復(fù)合運動機構(gòu)、控制系統(tǒng)組成。雙軸復(fù)合運動機構(gòu)是兩組旋轉(zhuǎn)運動結(jié)構(gòu)，雙軸復(fù)合運動機構(gòu)是太陽能光伏板的工作部分，也是核心部位，關(guān)系到太陽的照射角度和電能轉(zhuǎn)換量。追光的光伏電池板機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的機械機構(gòu)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(lián)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(diào)整向陽方向的動力設(shè)備。角度電機作為電池板調(diào)整向陽角度的動力設(shè)備。

圖1 追光的光伏電池板機械結(jié)構(gòu)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(qū)的雙軸驅(qū)動的太陽能光伏電池板的控制器，具有現(xiàn)實意義?？刂破鲬?yīng)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(biāo)系。

2.1光伏電池板追光路徑的數(shù)學(xué)模型

太陽視位置計算方法可以根據(jù)太陽的運動規(guī)律計算出太陽的視運動軌跡，黃道坐標(biāo)系中太陽的高度角與方位角如圖2所示， 坐標(biāo)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(shù)學(xué)模型，，代表權(quán)重。其中：

2.2 運動控制器中的參數(shù)模糊自整定PID關(guān)節(jié)位置控制算法

自動追光太陽能板的空間運動實時軌跡規(guī)劃與太陽照射角度存在關(guān)聯(lián)。執(zhí)行機構(gòu)借助各種傳感器實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換電能的作業(yè)任務(wù)。方案的優(yōu)化設(shè)計主要包括兩部分。具體步驟如下：

（1）雙軸復(fù)合運動機構(gòu)的功能優(yōu)化設(shè)計：雙軸復(fù)合運動機構(gòu)功能主要有轉(zhuǎn)動功能、傳動功能和通信功能。轉(zhuǎn)動功能是光伏板必具的功能，考慮到系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定性，系統(tǒng)機構(gòu)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(xiàn)控制器連續(xù)作業(yè)提高工作效率的工作機構(gòu)，控制器設(shè)計采用光照計信號采集，經(jīng)過分析處理，然后采用PWM輸出，便于對機構(gòu)的精確控制。

（2）太陽能光伏板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：它的結(jié)構(gòu)包括：控制部分和機械部分?？刂撇糠职ǜ鞣N傳感器、控制器、驅(qū)動電路、電源調(diào)理電路和執(zhí)行電機。機械部分包括旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和工作機構(gòu)。工作機構(gòu)是重點：它包括角度控制和方位控制。

1）電機的旋轉(zhuǎn)速度和角度的確定。依據(jù)是建立的黃度坐標(biāo)系，電機的輸出方向和轉(zhuǎn)速要達到相當(dāng)高的速度，速度以太陽的照射角度確定，方向依據(jù)24小時周期變化，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)到晚上某個時點自動復(fù)位。

2）補償控制器的研究。運動控制器中的參數(shù)模糊自整定PID關(guān)節(jié)位置控制算法，是在常規(guī)PID的基礎(chǔ)上加上參數(shù)模糊自整定控制器構(gòu)成的，可根據(jù)系統(tǒng)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(yīng)決策，自動在線調(diào)整PID的三個參數(shù)Kp、Ki、Kd的大小，以降低追光關(guān)節(jié)位置跟蹤誤差。其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 補償控制器原理圖

實現(xiàn)方法：控制器采用MSP430單片機，它有豐富的片內(nèi)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(shù)學(xué)模型進行編程，作為PID控制器設(shè)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(shù)Kp、Ki、Kd大小根據(jù)光電傳感器測量值設(shè)定為10個分量，以滿足不同季節(jié)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(shè)定簡單，防止電機頻繁啟動浪費電源。

3.結(jié)束語

本文介紹了追光光伏電池板自動追光控制器的設(shè)計方法。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)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(nèi)資源，可降低了成本和故障率，減少了設(shè)備維護量。通過實驗，該控制器性能穩(wěn)定、控制可靠、價格低廉，為光伏電池板采用自動追光方式發(fā)電提供了借鑒。

參考文獻

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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(shè)，2005，6.

基金項目：北京聯(lián)合大學(xué)“啟明星”大學(xué)生科技創(chuàng)新項目經(jīng)費資助（項目編號：201411417SJ067）。

作者簡介：周欣鑫，女，大學(xué)本科，北京聯(lián)合大學(xué)“啟明星”項目負責(zé)人。

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