基于PLC的混合光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳世寶，楊淑連，李田澤，趙云鳳，秦長(zhǎng)葳，謝 滿

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255091）

在實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量要在固定式基礎(chǔ)上提高35%以上［1］.由于太陽光線的發(fā)散性，為了充分利用太陽能，跟蹤技術(shù)正變得越來越重要.

由于分類方法的不同，光伏跟蹤方式可分為傳感器跟蹤和程序跟蹤（視日運(yùn)動(dòng)軌跡），單軸跟蹤和雙軸跟蹤等幾種不同的跟蹤方式.

傳感器跟蹤是通過光電傳感器檢測(cè)太陽的位置進(jìn)行跟蹤，信號(hào)由傳感器，放大器，數(shù)據(jù)處理和控制機(jī)制處理后控制光伏電池板，使其正對(duì)太陽光線.傳感器跟蹤方法具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但是在沒有陽光的陰雨天，就無法進(jìn)行跟蹤定位.程序跟蹤（太陽軌跡跟蹤），首先進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)整太陽能電池板跟蹤太陽的實(shí)際運(yùn)行軌跡.有無光線都可跟蹤，24小時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤，但其準(zhǔn)確性較低.

單軸跟蹤是通過方位角來確定太陽位置的.利用高度角和方位角來跟蹤太陽的技術(shù)稱為雙軸跟蹤.當(dāng)前，廣泛使用的是雙軸傳感器跟蹤和雙軸程控跟蹤.

考慮到兩種跟蹤方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合成本和測(cè)量精度，提出采用圓弧形傳感器跟蹤與程控校正跟蹤兩級(jí)互補(bǔ)的跟蹤方法.在硬件成本不變的情況下，提高了跟蹤準(zhǔn)確度.

1 跟蹤原理

本系統(tǒng)采用:程序跟蹤（視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤）和傳感器跟蹤（光照比較法）兩級(jí)互補(bǔ)跟蹤方式.提高了跟蹤精確度.

1.1 程序跟蹤控制原理

程序跟蹤就是通過計(jì)算每天每時(shí)太陽的位置參數(shù)，依據(jù)位置參數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)跟蹤.太陽高度角和太陽方位角的位置參數(shù)是通過天文計(jì)算確定的，計(jì)算過程中要考慮到經(jīng)度、緯度值，因?yàn)樵诓煌牡乩砦恢?，太陽的位置參?shù)、時(shí)間是不一樣的，因此主動(dòng)跟蹤的準(zhǔn)備工作是比較復(fù)雜的.

選取地平坐標(biāo)系，則太陽高度角的計(jì)算公式為

太陽方位角的計(jì)算公式為

在地平坐標(biāo)系中只要明確當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?、時(shí)間以及日期，就可以精確的求出當(dāng)?shù)貢r(shí)間所對(duì)應(yīng)的太陽高度角和方位角［2］.

1.2 傳感器跟蹤（光照比較法）原理

所謂的太陽位置是有觀測(cè)者測(cè)量得到的，由于觀測(cè)時(shí)間和位置不同，所得到的結(jié)果就不同.因此，要想對(duì)太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)，必須有一套系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法.比較常用的方法有坐標(biāo)定位法、光照強(qiáng)度比較法、系統(tǒng)定時(shí)法和光敏電阻電流比較法.通過實(shí)驗(yàn)對(duì)這4種跟蹤方法進(jìn)行了測(cè)試比較:坐標(biāo)定位法有較高的檢測(cè)精度，但成本較高，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜；光照強(qiáng)度比較法使光能的利用率無法達(dá)到最好；系統(tǒng)定時(shí)法電路簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)跟蹤精度較差，易受外界環(huán)境的影響；光敏電阻電流比較法能有效的利用光能，同時(shí)由于電路簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用.光伏檢測(cè)模塊是由光電檢測(cè)電路和偏差信息處理輸出電路組成.傳感器控制系統(tǒng)由檢測(cè)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊和光電二極管組成.圖1所示的圓弧形裝置中的A和B光電二極管是用來檢測(cè)太陽高度的，而檢測(cè)太陽方位是通過C和D光電二極管實(shí)現(xiàn)的.太陽光線照到圓弧形傳感器表面，對(duì)稱的兩個(gè)光敏電阻接收的光照強(qiáng)度不同，輸出不同的電流信號(hào)（即偏差信號(hào)），此信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)的大小和正負(fù)方向來控制電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)向.直到太陽光線垂直照射時(shí)，對(duì)稱兩光敏電阻阻值相同，電池板停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電池板指示位置就是太陽位置［3］.

圖1 傳感器俯視圖

2 光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)由光伏模塊、光電檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊、PLC控制系統(tǒng)、電源模塊和驅(qū)動(dòng)電路等組成.自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示.

圖2 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制框圖

2.1 光伏模塊

太陽能電池板選用中國(guó)光伏集團(tuán)東營(yíng)光伏太陽能有限公司生產(chǎn)的CNPV－180M型號(hào)的光伏組件，有72塊單晶硅太陽能電池片組成，其技術(shù)參數(shù)主要峰值功率Pm:180W，最佳工作電壓33V.這些參數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件下測(cè)試的（太陽光強(qiáng)度1000W／m2，太陽板溫度25℃，空氣質(zhì)量1.5）.

2.2 光電檢測(cè)和信號(hào)處理模塊

光敏電阻傳感器是光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的光信號(hào)采集裝置，它的使用原理是光照強(qiáng)度不同，光敏電阻阻值不同.太陽光線與圓弧傳感器的垂直方向有夾角時(shí)，光照多的那個(gè)光敏電阻阻值減小，從而產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)，此信號(hào)與光照輻射度有關(guān).該信號(hào)通過信號(hào)處理模塊（如圖3所示），傳感器1和傳感器2分別接入兩個(gè)PLC模擬輸入端口，通過對(duì)比計(jì)算，輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)電阻接收的太陽輻射度相同.

圖3 信號(hào)處理電路

2.3 驅(qū)動(dòng)電路模塊

步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是每接受一個(gè)脈沖，電機(jī)就會(huì)向指定的方向移動(dòng)一定的步距角度.本系統(tǒng)采用Q2HB34MA細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)86BYG250B型步進(jìn)電機(jī)，通過改變相鄰兩相電流的大小來改變合成磁場(chǎng)的夾角控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn).

2.4 控制器單元

光伏跟蹤系統(tǒng)采用PLC作為控制系統(tǒng)，它是光伏跟蹤系統(tǒng)的最主要部分.系統(tǒng)采用西門子CPU226為控制核心、以MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面.由于采用了RS－485接口，站點(diǎn)互聯(lián)時(shí)可節(jié)省信號(hào)線，便于高速、遠(yuǎn)距離傳輸（傳輸距離可達(dá)500m［4］），傳輸所受干擾小.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，PLC控制器的工作速度快，存儲(chǔ)容量大，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，具有自動(dòng)返回功能.限位器能夠限位上、下、左、右四個(gè)方向上的電機(jī)最大轉(zhuǎn)度，防止損壞儀器.采用光電信號(hào)控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制兩種控制結(jié)構(gòu)，來保證系統(tǒng)安全.PLC控制框圖如圖4所示.

3 主程序設(shè)計(jì)

PLC主程序主要完成系統(tǒng)初始化，其流程圖如圖5所示.

根據(jù)控制要求，先使PLC初始化，控制太陽能電池板回基準(zhǔn)位置，開始讀取數(shù)據(jù).PLC依據(jù)主程序運(yùn)行，依據(jù)時(shí)間設(shè)置，計(jì)算日出日落時(shí)間，確保日出后裝置運(yùn)行.調(diào)入光電檢測(cè)程序，若晴天，則進(jìn)入傳感器跟蹤模式；陰雨天進(jìn)入程序跟蹤模式.系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤狀態(tài)后，PLC通過程序檢測(cè)太陽位置，經(jīng)過計(jì)算發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖，來調(diào)節(jié)和控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)［5］使太陽光線正對(duì)電池板，其利用率達(dá)到最高.同時(shí)PLC將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中，以可視化的曲線圖表示出來.

圖4 PLC控制框圖

圖5 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同跟蹤裝置的電池板接收的輻射度做了測(cè)量、比較、分析，證明了混合跟蹤系統(tǒng)的必要性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 輻射度曲線

從圖6曲線可以看出圖6（c）中混合跟蹤系統(tǒng)直接輻射表的輻射強(qiáng)度明顯高于圖6（a）、圖（b）兩者，最大輻射強(qiáng)度與最小輻射強(qiáng)度之間的差別大約在300W／m2.說明混合跟蹤在很大程度上提高了太陽能電池板接收到的太陽輻射強(qiáng)度.

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)可以根據(jù)太陽光線的強(qiáng)弱檢測(cè)晝夜，同時(shí)根據(jù)環(huán)境變化尋找最佳輻射點(diǎn)，做到高效率，高準(zhǔn)確性.在陰雨天氣時(shí)能夠根據(jù)太陽位置跟蹤太陽，在晴天時(shí)通過光敏電阻尋找最佳輻射點(diǎn)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，具有很高的控制精度，應(yīng)用前景廣泛.電機(jī)采用電池板直接供電，減少電能的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度的追蹤太陽，高效率的提高光能利用率.使用價(jià)值非常大，未來發(fā)展前景廣闊.

［1］吳紅山.太陽能的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.科技信息（學(xué)術(shù)版），2008（7）:72－74.

［2］王炳忠，湯潔.幾種太陽位置計(jì)算方法的比較研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2001，22（4）:413－417.

［3］馮靜，張龍，劉先立.四象限太陽跟蹤傳感器的設(shè)計(jì)［J］.能源研究與利用，2010（4）:12－15.

［4］耿欣，林中達(dá).智能型太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2010（3）:30－33.

［5］Tudorache T，Kreindler L.Design of a solar tracker system for PV power plants［J］.Acta Polytechnica Hungarica，2010，7（1）:23－39.