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   作者簡(jiǎn)介 范戰(zhàn)松(北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司市場(chǎng)拓展部技術(shù)支持組，技術(shù)支持工程師)

    摘 要 為了更好的利用太陽能，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用于太陽能行業(yè)中。基于可編程邏輯控制器（PLC）的太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，包括硬件和軟件兩部分，其中硬件包括PLC輸入輸出端口、信號(hào)處理單元、驅(qū)動(dòng)部分；軟件包括PLC的控制和監(jiān)控程序兩部分。太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)使光伏電池板能實(shí)時(shí)跟蹤太陽關(guān)照，從而最大限度的獲得太陽能，有效地提高太陽能的利用率和光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，降低了光伏并網(wǎng)發(fā)電成本，具有理論研究意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。

    關(guān)鍵詞 LM PLC 太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

    Abstract In order to make better use of solar energy, more and more automatic tracking system are used in the solar industry. The solar panels tracking system based on programmable logic controllers including hardware and software parts. The hardware input and output ports of hardware, signal processing unit, driving part; software include two parts which PLC control and monitoring program. The photovoltaic module in the system can track the sun simultaneously, then the maximum sun energy will be obtained, which has effectively improved the utilization ratio of solar energy and efficiency of photovoltaic power generation system and has reduced the cost of grid-connected PV power generation with significances of theories research and application values of applications promotion.

    Key Words LM PLC Solar Automatic Tracking system

    1 引言

    開發(fā)新能源和可再生資源是全世界面臨的共同課題，在新能源中，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展最快的技術(shù)。太陽能作為一種清潔無污染的能源，開發(fā)前景十分廣闊。然而由于太陽存在著間隙性，光照強(qiáng)度隨著時(shí)間不斷變化等問題，這對(duì)太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。據(jù)測(cè)試，在太陽能電池板陣列中，相同條件下采用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%左右。
          
                 

    所謂太陽能跟蹤系統(tǒng)是能讓太陽能電池板隨時(shí)正對(duì)太陽，讓太陽光的光線隨時(shí)垂直照射太陽能電池板的動(dòng)力裝置，能顯著提高太陽能光伏組件的發(fā)電效率。目前市場(chǎng)上所使用的跟蹤系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)裝置分為單軸太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和雙軸太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。所謂單軸是指僅可以水平方向跟蹤太陽，在高度上根據(jù)地理和季節(jié)的變化人為的進(jìn)行調(diào)節(jié)固定，這樣不僅增加了工作量，而且跟蹤精度也不夠高。雙軸跟蹤可以在水平方位和高度兩個(gè)方向跟蹤太陽軌跡，顯然雙軸跟蹤優(yōu)于單軸跟蹤。

    從控制手段上系統(tǒng)可分為傳感器跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤（程序跟蹤）。傳感器跟蹤是利用光電傳感器檢測(cè)太陽光線是否偏離電池板法線，當(dāng)太陽光線偏離電池板法線時(shí)，傳感器發(fā)出偏差信號(hào)，經(jīng)放大運(yùn)算后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使跟蹤裝置從新對(duì)準(zhǔn)太陽。這種跟蹤裝置，靈敏度高，但是遇到長(zhǎng)時(shí)間烏云遮日則會(huì)影響運(yùn)行。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，是根據(jù)太陽的實(shí)際運(yùn)行軌跡，按照預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤裝置。這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，其精度不是很高，但是符合運(yùn)行情況，應(yīng)用較廣泛。

    從主控單元類型上可以分為PLC控制和單片機(jī)控制。單片機(jī)控制程序在出廠時(shí)由專業(yè)人員編寫開發(fā)，一般設(shè)備廠家不易再次進(jìn)行開發(fā)和參數(shù)設(shè)定。而學(xué)習(xí)使用PLC比較容易，通過PLC廠家技術(shù)人員的培訓(xùn)，設(shè)備使用廠家的技術(shù)人員可以很方便的學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單的調(diào)試和編寫，并且PLC能夠提供多種通訊接口，通訊組網(wǎng)也比較方便簡(jiǎn)單。

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)是以PLC主控單元的視日運(yùn)動(dòng)軌跡控制（程序控制）雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤就是利用PLC控制單元相應(yīng)的公式和算法，計(jì)算出太陽的實(shí)時(shí)位置：太陽方位角和太陽高度角，然后發(fā)出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而驅(qū)動(dòng)太陽能跟蹤裝，以達(dá)到對(duì)太陽實(shí)時(shí)跟蹤的目的。
       
                      
                            2-1 方位角高度角示意圖：α-高度角 β-方位角

    太陽在天空中的位置可以由太陽高度角和太陽方位角來確定。太陽高度角又稱太陽高度、太陽俯仰角，是指太陽光線與地表水平面得之間的夾角。太陽方位角即太陽所在的方位，是指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可以近似看作是樹立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方向的夾角。太陽方位角和高度角的實(shí)時(shí)數(shù)值可以通過地理經(jīng)緯度、時(shí)區(qū)參數(shù)利用公式計(jì)算出來。

    主控單元是太陽能跟蹤系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)選用結(jié)構(gòu)緊湊。配置靈活、指令豐富的和利時(shí)LM PLC。選用的配置包括LM 3108CPU模塊和LM 3310擴(kuò)展模塊。LM3108集成為數(shù)字量24DI和16DO，能滿足要求，通訊集成有RS232和RS485兩個(gè)通訊接口，RS232用于與上位文本顯示器通訊，RS485可用于組網(wǎng)使用。LM 3310為四通AI模塊，可用于采集風(fēng)速等保護(hù)數(shù)據(jù)。配合和利時(shí)HD2400L文本顯示器使用，能夠監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)、改變參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到控制目的。
  
                  
                                 2-2 系統(tǒng)控制元件選型

                                       表2-1系統(tǒng)信號(hào)表
              

    本文所設(shè)計(jì)跟蹤調(diào)整裝置其結(jié)構(gòu)如下圖所示：它主要由底座、立軸、橫軸、兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪等組成。其中旋轉(zhuǎn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)橫軸，支撐太陽能電池板繞橫軸運(yùn)動(dòng)，跟蹤高度角運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)水平軸，以跟蹤方位角變化。
    
             
                              2-3 跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

    在一天的整個(gè)過程中，跟蹤器能夠獲得最優(yōu)的高度角和方位角，電池板能夠接收到最大太陽日輻射量。系統(tǒng)用一套公式由PLC計(jì)算出實(shí)際時(shí)刻太陽所在的高度角和方位角，根據(jù)實(shí)時(shí)太陽高度角和方位角與跟蹤裝置實(shí)際的高度角和方位角的差值，以及驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的跟蹤運(yùn)行時(shí)間。最后通過程序執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)高度角和方位角的跟蹤。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    跟蹤模式的判斷過程完全由軟件實(shí)現(xiàn)，靈活度高，可以針對(duì)不同地區(qū)和不同的氣候進(jìn)行調(diào)整，從而提高光伏電站的發(fā)電效率。還可以根據(jù)需要增加光強(qiáng)傳感器、風(fēng)力傳感器等多傳感裝置，提高安全性和更高的控制要。

    通過程序控制，可以自動(dòng)判斷是否滿足運(yùn)行條件從而達(dá)到自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行裝置、自動(dòng)停止、返回初始狀態(tài)等控制。增加風(fēng)力傳感器用于對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)作用，當(dāng)風(fēng)力大于一定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)停止工作，復(fù)位到原點(diǎn)，風(fēng)速滿足工作條件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開始工作。太陽能電池板有兩個(gè)自由度，控制機(jī)構(gòu)對(duì)高度角和方位角兩個(gè)方向進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)電池板轉(zhuǎn)到盡頭時(shí)，由于跟蹤裝置裝了限位傳感器，到限位觸點(diǎn)時(shí)自動(dòng)切斷輸出，電機(jī)停止工作。
   
                 
                                        圖3-1控制系統(tǒng)流程圖

    4 結(jié)論

    本文介紹了基于和利時(shí)LM PLC控制的雙軸太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)行條件，達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤太陽的效果。以和利時(shí)PLC作為主控單元，由PLC程序通過算法計(jì)算出太陽實(shí)時(shí)位置與系統(tǒng)位置的角度差，再由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)行速度計(jì)算出運(yùn)行時(shí)間。通過PLC程序的邏輯控制關(guān)系，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)跟蹤太陽位置的功能。因此使得該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性高、可靠性強(qiáng)，即使在天氣變化比較復(fù)雜的情況下系統(tǒng)也能正常工作，提高太陽能的利用效率。因?yàn)镻LC具有很強(qiáng)的可編程性，客戶可以根據(jù)自己的要求來修改編寫控制程序，達(dá)到最佳的控制效果。對(duì)于串、并聯(lián)的大型光伏太陽能陣列系統(tǒng)的控制，可以通過LM PLC的通訊，組成通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制。由此可見基于和利時(shí)LM PLC開發(fā)的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)具有精度高、能實(shí)時(shí)跟蹤太陽變化、通訊組網(wǎng)方便等特點(diǎn)，能夠滿足客戶的需求。

    參考文獻(xiàn)

    [ 1 ] 和利時(shí)LM PLC硬件手冊(cè)

    [2 ] 王雪文.太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)

    [ 3 ] 陳維.太陽能利用中的跟蹤控制方式研究[J].能源工程