一种用于碟式太阳能发电系统的追日控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能发电领域，具体涉及一种用于碟式太阳能发电系统的追日控制 方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济社会的发展，人类对能源提出越来越高的要求。当前我们的能源主要依 赖煤炭，石油，天然气等化石燃料，一方面其储量有限，据估算，当前世界的石油储量仅够继 续开采30年；另一方面化石燃料的燃烧将排出二氧化碳，硫的氧化物等有害气体，对环境 造成污染。特别是近几年影响我国大部分地区的雾霾，主要就是由化石燃料的燃烧造成的。
[0003] 基于目前全球能源紧缺的大背景，太阳能作为一种清洁能源，具有储量无限，无污 染的优点，受到社会各国的广泛关注。通过理论分析，太阳能跟踪装置与太阳能非跟踪装置 相比，前者的能量接收率比后者高出30%以上，因此精确的跟踪太阳方位很大程度上可以 提高太阳能发电装置的发电效率。
[0004] 目前，对碟式太阳能发电系统进行的追日控制方法大都受大气折射，时间累积误 差，机械误差等原因而不能准确对碟架进行定位，从而在能量接收率上效果始终差强人意。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于碟式太阳能 发电系统的追日控制方法，计算精度高，能在短时间内迅速使机械装置转动到指定方位点， 提升太阳能的接收率。
[0006] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种用于碟式太阳能发电系统的追日 控制方法，包括以下步骤：
[0007] S1，在所述太阳能发电系统的发电机气筒壁上等分地排列热电偶传感器，形成热 电偶传感器阵列；
[0008] S2,判断该太阳能发电系统所处的当前时间为夜晚还是白天；如为夜晚，该碟式太 阳能发电系统直接进入风暴生存模式，停止对太阳的追踪；如为白天，则进行步骤S3 ;
[0009] S3,对该太阳能发电系统进行开环跟踪控制，通过天文算法计算当前时刻的太阳 水平方位角ΘΜ以及太阳俯仰角Θ ya，检测当前该太阳能发电系统的电机方位角θχ。以及 电机俯仰角9y。，采用PI算法控制碟架运转到目标位置，使得该碟式太阳能发电系统的聚 光斑落入热电偶传感器阵列内；
[0010] S4,对该太阳能发电系统进行闭环跟踪控制，检测碟架的X轴的热电偶传感器输 出电压Vxl、vx,和y轴的热电偶传感器输出电压V yl，Vy,;通过PI算法控制碟架转动，使太阳 光垂直射入碟片，使得聚光斑落在热电偶传感器阵列中心位置；
[0011] S5,当系统运行在步骤S4时，系统实时监测聚光斑是否落在热电偶传感器阵列内 和日射强度是否低于闭环跟踪门限值，当检测到聚光斑落在热电偶传感器阵列外或日射强 度低于闭环跟踪门限值时，系统转入步骤S3开环算法进行控制，直到聚光斑落到热电偶传 感器阵列内且日射强度值大于闭环跟踪门限值时，再切换到步骤S4。
[0012] PI算法采用非线性控制算法，能在短时间内指定电机迅速、稳定地、准确的转动到 指定方位，通过对开环跟踪控制和闭环跟踪控制的相互切换，使得该碟式太阳能发电系统 始终处于对太阳能的最佳接收方位，提高了太阳能的接收率。
[0013] 进一步的，步骤S3包括以下步骤：
[0014] S3-1，从实时时钟模块配合GPS校正模块得到当前时间，根据当地经度，炜度，时 区，海拔，坡度，旋转坡度，大气压，温度，大气层折射率，采用天文算法得到当前时间的太阳 方位角Θ xa以及太阳俯仰角Θ ya;
[0015] S3-2,检测当前碟式太阳能发电系统的电机方位角θχ。以及电机俯仰角Θ y。；
[0016] S3-3,计算水平方向的角度偏差θχ= Θ xa-0xc (1)，
[0017] 计算垂直方向的角度偏差9y= Θ ya-0yc (2)；
[0018] S3-4,将公式（1)、（2)进行非线性变换，变成对数域
[0019] Ig θ x= Ig Θ xa-lg Θ xc ⑶，
[0020] Ig Θ y= Ig Θ ya-lg Θ yc (4)；
[0021] S3-5,对公式（3)、（4)进行滤波及限位，设计开环控制系统的传递函数为：
^、其中0 i (t)指 由传感器测得的当前角度，Stl(t)指天文算法算出来的角度，S是拉氏变换代表式，K1、K2 和Κ3为调试因子，且均为1到100之间的自然数；
[0022] S3-6,利用公式（5)控制电机，从而控制碟架运转到目标位置，使得该碟式太阳能 发电系统的聚光斑落入热电偶传感器阵列内。
[0023] 该方法中对数域非线性表达让算法对微小的误差也能迅速做出反应，并对较 大误差进行大阶梯控制，极大地缩短了控制算法收敛时间，
是前置滤波器，
?是PI控制算法，两者结合起到消除阶跃的效果，对电机起到保护作用。
[0024] 该开环控制法跟踪精度高，并且可以自定义输入经度，炜度，时区，海拔，坡度，旋 转坡度，大气压，温度，大气层折射率等参数，可以很好地适应外部环境变化，鲁棒性强，跟 踪精度高。而且还可以算出当天的日出、日落时间，并根据此结果启动碟架跟踪或停止跟 踪，节省了额外日射强度传感器判断步骤，可靠性高。
[0025] 进一步的，步骤S4包括以下步骤：
[0026] S4-1，检测碟架的X轴的热电偶传感器输出电压Vxl、V"和y轴的热电偶传感器输 出电压Vyl，VK;
[0027] S4-2, X 轴方向偏差为 ex= V xl_Vxr (6)，
[0028] y 轴方向偏差为 ey= V yl-Vyr (7)；
[0029] S4-3,把两个偏差进行非线性变换，变成对数域Igex= IgV xl-lgV" (8)，
[0030] Igey= IgVyl-IgVyr (9)；
[0031] S4-4,然后再根据PI算法，设计闭环控制系统的传递函数为：
[0032]
(10)，
[0033] 其中V (t)指水平方向或垂直方向的电压差，&和K2为调试因子，且均为1到100 之间的自然数；
[0034] S4-5,利用公式（10)控制电机转动，直至太阳光垂直入射碟片，使得该碟式太阳 能发电系统的聚光斑落入热电偶传感器阵列中心位置。
[0035] 运用此方法缩短了控制算法收敛时间，能快速计算出碟架的X轴和y轴需调整的 角度，从而达到让太阳光垂直入射碟片的目的。
[0036] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0037] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中：
[0038] 图1是本发明的流程示意图；
[0039] 图2是热电偶传感器阵列图；
[0040] 图3是太阳光线垂直入射碟片示意图；
[0041] 图4是太阳光线以Θ角偏离入射碟片示意图；
[0042] 图5是正确跟踪太阳时聚光班位置示意图；
[0043] 图6是偏离跟踪太阳时的聚光斑位置示意图；
[0044] 图7是开环跟踪控制PI算法系统框图；
[0045] 图8是开环跟踪拉普拉斯变换传递函数图；
[0046] 图9是闭环跟踪控制PI算法系统框图；
[0047] 图10是闭环跟踪拉普拉斯变换传递函数图。
【具体实施方式】
[0048] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0049] 在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语"安装"、"相连"、 "连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据 具体情况理解上述术语的具体含义。
[0050] 本发明所需的计算数据来源于太阳跟踪控制系统所采集的数据，这里简单介绍一 种用于碟式太阳能