基于追光电池板角度补偿控制器的研究

周欣鑫 杨志成 闫贵琴

基于追光电池板角度补偿控制器的研究

北京联合大学  周欣鑫  杨志成  闫贵琴

【摘要】分析了太阳能光伏电池板的应用情况，根据太阳不同纬度照射角度的不同，建立了太阳照射地面角的度数学模型。根据数学模型，太阳与地球照射角度不是线形变化的，设计了具有角度补偿功能的控制器。

【关键词】光伏电池板;数学模型;角度补偿;控制器

引言

太阳能电源在高海拔家庭、交通领域、通信、石油、海洋、气象等领域得到广泛应用，光伏电池是接受太阳照射把光能转化成电能的装置，光伏电池工作效率与本身的材质有关，也和它太阳之间的照射角度、时间有关。项目设计了双轴太阳能追光电池板，对控制器进行优化，使其能适合高纬度、四季变化明显地区补偿控制器。

1.追光的光伏电池板机械结构

本项目讨论的自动追光太阳能板由光伏电池版、双轴复合运动机构、控制系统组成。双轴复合运动机构是两组旋转运动结构，双轴复合运动机构是太阳能光伏板的工作部分，也是核心部位，关系到太阳的照射角度和电能转换量。追光的光伏电池板机械结构如图1所示。它的机械机构包括底座、方向电机、支杆、角度电机连接件、限位件、光伏电池板、联轴器、丝杠、万向连接器、防雨水外壳等。方向电机作为电池板调整向阳方向的动力设备。角度电机作为电池板调整向阳角度的动力设备。

图1 追光的光伏电池板机械结构图

图2 太阳照射方向角度图

2.追光的光伏电池板控制器

研究一种具有适合高纬度地区的双轴驱动的太阳能光伏电池板的控制器，具有现实意义。控制器应具有角度补偿功能，才能更好的使电池板具有追光功能，最大限度的消除太阳黄度变化带来的影响。通过对太阳高度角、方位角分析，建立的黄度坐标系。

2.1光伏电池板追光路径的数学模型

太阳视位置计算方法可以根据太阳的运动规律计算出太阳的视运动轨迹，黄道坐标系中太阳的高度角与方位角如图2所示， 坐标系中C点表示地心P为极轴M为子午，轴子午面与赤道平面的交线S为太阳所在方向。图2中δ为太阳高度角，ω为太阳方向角，其中太阳高度角是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。

通过实地测量我国北方日照对电池板平均有效时间为10小时，ω为太阳方向角变化大约180度。δ为太阳高度角变化90度。可以简单推算为的数学模型，，代表权重。其中：

2.2 运动控制器中的参数模糊自整定PID关节位置控制算法

自动追光太阳能板的空间运动实时轨迹规划与太阳照射角度存在关联。执行机构借助各种传感器实现光能转换电能的作业任务。方案的优化设计主要包括两部分。具体步骤如下：

（1）双轴复合运动机构的功能优化设计：双轴复合运动机构功能主要有转动功能、传动功能和通信功能。转动功能是光伏板必具的功能，考虑到系统的平衡稳定性，系统机构采用支撑轮式，便于太阳最佳角度照射光伏板。角度控制功能是体现控制器连续作业提高工作效率的工作机构，控制器设计采用光照计信号采集，经过分析处理，然后采用PWM输出，便于对机构的精确控制。

（2）太阳能光伏板的结构优化设计：它的结构包括：控制部分和机械部分。控制部分包括各种传感器、控制器、驱动电路、电源调理电路和执行电机。机械部分包括旋转机构和工作机构。工作机构是重点：它包括角度控制和方位控制。

1）电机的旋转速度和角度的确定。依据是建立的黄度坐标系，电机的输出方向和转速要达到相当高的速度，速度以太阳的照射角度确定，方向依据24小时周期变化，当电机旋转到晚上某个时点自动复位。

2）补偿控制器的研究。运动控制器中的参数模糊自整定PID关节位置控制算法，是在常规PID的基础上加上参数模糊自整定控制器构成的，可根据系统的偏差的大小、方向、以及变化趋势等特征，通过补偿控制器做出相应决策，自动在线调整PID的三个参数Kp、Ki、Kd的大小，以降低追光关节位置跟踪误差。其控制系统的结构如图3所示。

图3 补偿控制器原理图

实现方法：控制器采用MSP430单片机，它有丰富的片内资源，可使外围扩展器件少，体积小，降低了成本和故障率。将的数学模型进行编程，作为PID控制器设定值，用来跟踪太阳的位置，另一路信号由电池板上的光电传感器测量，测量值分别提供PID控制器和补偿控制。补偿控制器的三个参数Kp、Ki、Kd大小根据光电传感器测量值设定为10个分量，以满足不同季节的变化。冬季5个分量，春秋8个分量，夏季10个分量。这样可以设定简单，防止电机频繁启动浪费电源。

3.结束语

本文介绍了追光光伏电池板自动追光控制器的设计方法。设备总体结构安全可靠，控制器原理简单，它采用高性能单片机，利用丰富的片内资源，可降低了成本和故障率，减少了设备维护量。通过实验，该控制器性能稳定、控制可靠、价格低廉，为光伏电池板采用自动追光方式发电提供了借鉴。

参考文献

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

[2]冯林.基于模糊自适应PID的波浪补偿控制器研究[J]传播工程，2012，2.

[3]陈茂勇.基于MSP430系列单片机的智能无功补偿控制器[J]电力建设，2005，6.

基金项目：北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目经费资助（项目编号：201411417SJ067）。

作者简介：周欣鑫，女，大学本科，北京联合大学“启明星”项目负责人。

通信作者：杨志成，项目指导教师，长期从事智能仪表、计算机控制等教学科研工作。