太阳能的跟踪与检测∗

2019-03-26时继潮温承鹏吴阳明

计算机与数字工程 2019年3期

关键词：闭环控制方位光照

时继潮温承鹏曹睿吴阳明

（大连交通大学电气信息学院大连 116028）

1 引言

随着社会的不断发展，不可再生能源在地球上的储量越来越少，因此，像太阳能这样的可再生清洁能源越来越受到人们的重视。随着人们对太阳能这一清洁能源使用量的增加，如何在同等投入下获取更多的太阳能成为当下研究的重点［1］。

本设计正是针对现有太阳能发电设备自身存在的种种不足，加入反馈调节、对比较正等相关算法，使设备对太阳进行实时追踪，最大程度地保证对太阳能的采集与利用［2］。

2 光伏发电系统的整体结构与工作原理

此光伏发电系统主要由主控制器、光照传感器、位置传感器、步进电机、太阳能接收板组成。

步进电机一共有两个，一个横向放置，一个竖直放置，两者间通过支架连接，起支撑和旋转作用，太阳能接收板固定在与步进电机相连的支架上，光照传感器固定在太阳能接收板边上，与太阳能接收板垂直［3］。

主控制器主要由ARM芯片组成，光照传感器通过对东、西、南、北四个方位的光照强度进行采集，将采集到的光照这一模拟量发送给主控制器，主控制器将这四路模拟量通过A/D转换，将光照这一模拟量转化为数字量，通过加入比较优化算法将采集量进行对比分析，将最终结果反馈给步进电机，从而实现相应操作，加上方位传感器对方位角的实时比对，使太阳能电池板实时正向太阳［4］。

系统的整体结构图如图1所示。

图1 检测系统设备整体结构

由图1可知，竖直放置的步进电机主要控制左右方位，水平放置的步进电机主要控制上下方位，最终加上方位传感器的微调，使太阳能接收板实时正对太阳，从而获取最大的太阳能转换率［5］。

3 系统的控制策略分析

自动控制系统能够对被控对象的工作状态进行实时控制。其由许多不同的功能部分组成。在本系统中，主要应用闭环控制方式对整个系统进行控制，以达到最佳接收效果［6］。

3.1 闭环控制系统原理

闭环控制与常见的开环控制不同之处在于闭环控制中装置与被控对象之间不仅有正向作用，还有反向的自动反馈作用，其能将被控系统的状态进行实时反馈比对，因此闭环控制又称为反馈控制［7］。闭环控制更多的是反映自然界中客观事物控制自身运动的基本规律，其往往能实现相对复杂且精度要求较高的控制，对降低控制误差有着显著的作用［8］。

闭环控制示意图如图2所示。

由图2可以看出，闭环控制系统的输出量不断地被反馈到输入端，与输入量进行比对，将对比结果传递给控制器，从而对被控对象执行相应操作，使输出效果达到最优［9］。

3.2 改进控制系统原理

由于考虑到系统对太阳能的采集精度要求较高，因此在现有基础上对控制方法进行了改进，增加了校正环节，这就使得系统整体性能更加稳定［10］。通过Matlab对相关控制算法中的闭环处理过程进行仿真，其仿真结果如图3所示。

图3 改进系统的控制仿真图

由图3中所标出的关键点可以看出，改进后的控制系统在相位裕度和幅值裕度均好于传统的控制系统，尤其增益裕度的改变，这就使得控制系统具有更高的稳定性，更小的超调和误差，满足系统对光照采集高精度的要求［11］。

4 光伏发电系统硬件设计

系统的硬件部分主要包括电源模块、控制器模块、电机驱动模块、光照传感器模块及方位传感器模块5部分［12］。

由于系统的低功耗与自身可发电的特点，电源模块采用可充电蓄电池作为系统总供电源进行供电，经电路中多重滤波整合后，其为整个系统提供了持续稳定的电源输出；控制器模块以ST公司的STM32F103芯片为核心，其具有低功耗、高性能、易开发等优势；电机驱动模块模块主要由主控芯片STM32F103控制，是调解整个系统方位的重要方式；光照传感器模块及方位传感器模块也是由主控芯片进行控制，主要讲采集到的信息和反馈信息发送给主控制器，主控制器对所接收到的这一信息进行处理后控制步进电机做出相应方位调整，使太阳能的利用效率达到最佳［13］。

光伏发电系统的整体硬件电路图如图4所示。