太陽能電池板跟蹤控制系統改進研究

羅 清

(武漢外語外事職業學院， 湖北 武漢 430083)

聚光太陽能電池板是一種新型電池板，它比普通電池板效率高，能夠將太陽能聚焦1 400倍于太陽能電池上[1]，單位面積上獲得的太陽能更多，從而很大程度上節約了單晶硅電池的使用量．在4倍光強下，電池的輸出量是平均電池輸出量的3.3倍左右．如果能夠保持電池板與太陽光線始終垂直，還能夠在原有的基礎上提高35%左右．因此，如果能設計出這樣一個跟蹤系統，保持電池板與太陽光線垂直，則可以極大提高電池板的發電效率．

現有的太陽能電池板跟蹤控制方法有勻速定時控制法、光強比較法、光敏電阻光強比較法．勻速定時控制法實現比較簡單，其原理主要是基于太陽一天的運動軌跡，因為不同季節的日出日落時間不同，系統的精度不能保證，累積誤差很大．光強比較法是通過兩塊成V字形的光電池板來比較光強確定是否垂直，其優點是調節較為精確，電路也比較簡單，但兩個電池板之間的夾角始終存在，永遠無法達到真正意義上的垂直．光敏電阻光強比較法雖然可以避開前兩種控制方法的缺點，但是系統對于電阻的靈敏度要求很高，特別是在光照特別強或弱的條件下，一般的光敏電阻無法準確獲得相應的跟蹤信號．另外，電阻的靈敏度越高，成本越高，后期信號處理越復雜，跟蹤系統的實時性越差．

本文針對勻速定時控制法中存在的一些問題，提出一種改進的跟蹤控制方法，在保證準確度的前提下實現了定時啟動、掉電記憶儲存、手動與自動切換等特定功能．在此基礎上，選擇歐姆龍PLC為控制器，完成了整個跟蹤控制系統設計．

1 跟蹤原理

即使對于固定的地點，太陽光線在一年四季不同時間內的入射角也是不同的，通過查詢太陽能電站安裝地區的經緯度可以得到太陽一年中不同時段日照中天的時間，從而計算出太陽直射太陽能電池板起始、終點位置的時間．太陽能電池板跟蹤系統采用雙軸跟蹤，分別對高度角和方位角進行跟蹤．由于太陽和地球的周期運動，根據某地點的正午最大高度角和太陽移動的速度可推算出每天跟蹤系統的啟動時間．

太陽的東升西落是地球自轉與公轉共同作用的結果．利用天體運動學原理，計算出太陽的理論位置[2]：

高度角α：太陽光線與地平面的夾角．

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω.

(1)

方位角γ：太陽光線在地平面的投影與南北方向線之間的夾角．

sinγ=cosδsinω/cosα.

(2)

式(1)、(2)中：φ為當地緯度角；δ為赤緯角；ω為時角．

緯度角φ：緯度是指某點與地球球心的連線和地球赤道面所成的線面角，由地理位置唯一確定．

赤緯角δ：太陽光線與地球赤道面的夾角，僅與日期有關，第n天的赤緯可表示為[2]：

(3)

時角ω：可近似通過時間來獲得，其誤差可忽略．

ω=15(12-t).

(4)

由式(1)、(2)可知太陽高度角α及方位角γ可由當地緯度角φ、赤緯角δ、時角ω唯一確定，在緯度一定的情況下可以通過時角與方位角確定高度角與方位角．

如圖1所示，將太陽能板的旋轉軸(極軸)調整至與地軸平行，其安裝角即為當地緯度角φ，此時可以通過極軸旋轉抵消地球的自轉．同時為保證太陽能電池板能與太陽光垂直，使電池板與極軸夾角為太陽赤緯角δ．通過計算可以證明，極軸式跟蹤一天太陽能板的俯仰角變化不大于0.4°，如果半個月調節一次，光強減弱程度不足0.5%，故俯仰角可以周期性機械調節，將二維運動轉化為一維，減少一臺電機，簡化了系統的機械結構，降低了系統的制作與運行成本．

圖 1 極軸式跟蹤示意圖

2 系統設計

2.1 設計要求

1)跟蹤速度：5°/20min；返回速度：10°/20min．

2)該系統具備手動與自動調節切換功能，可以讓太陽能電池板在手動或者自動狀態下向左右旋轉．

3)起點、終點位置安裝有限位行程開關，用來保護太陽能電池板旋轉不超過機架限位位置．

4)PLC控制系統具有掉電記憶儲存功能，實時記錄旋轉跟蹤位置；在一天內掉電而恢復來電時，根據掉電時的跟蹤位置記錄，自動跟蹤到實際位置．

5)控制系統要求具有電源指示燈、旋轉方向指示燈、故障急停按鈕．

6)太陽能電池板晚上12∶00時自動返回至起始位置．

2.2 硬件設計

跟蹤系統由控制器(歐姆龍CP1L)、驅動器、步進電機、跟蹤機構、太陽能電池板組成．通過PLC控制步進電機驅動器來驅動步進電機的旋轉，實現對太陽軌跡的跟蹤，最大限度地利用太陽能(圖2)．

圖 2 跟蹤系統硬件組成結構圖

2.2.1控制器采用歐姆龍CP1L—M60DR—A型號的控制器，由于太陽能跟蹤系統屬于小型控制系統，而CP1L系列就是針對小規模控制系統優化的PLC，從硬件上大大降低了控制系統的成本．

CP1L系統PLC具有以下特點：

1)最大160點I/O擴展能力；

2)最大程序容量10 K步，最大數據容量32 K字；

3)高速計數相位差方式50 kHz×2軸；單相100 kHz×4軸；

4)最大2個串行通訊接口(RS232/RS485任選)．

2.2.2步進電機驅動器采用混合式步進電機驅動器，該類驅動器采用PWM方式驅動，具有工作電壓范圍寬、效率高，相電流、細分數可調，自動半流的特點，相電流設定從0.5～2 A，細分數設定有2、4、8、16、32、64共六檔，可滿足微步距驅動的要求．

2.2.3步進電機

步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構，每接收一個脈沖電機就轉過一定角度[3]．根據它的結構一般可分為三種：永磁式(PM)、反應式(VR)和混合式(HB)．混合式步進電機融合了永磁式和反應式的優點，目前在市場上使用最為廣泛．步進電機沒有角累計誤差，故作為執行機構可保證較高的精度，可以采用開環控制．

通過選擇二相混合式步進電機，采用1/64的細分，改善了步進電機工作的旋轉位移分辨率，減少振動，降低工作噪音．由于跟蹤器要求有較高的保持轉矩，對電機轉速要求又不高，故在步進電機前增加減速器，增加電機保持轉矩，提高了系統的平穩性．

2.3 軟件設計

軟件是系統的中樞，軟件質量的優劣決定了系統整體應用的好壞．CX-Programmer 是OMRON公司新的編程軟件，可以實現梯形圖或語句表的編程、編譯檢查程序、程序和數據的上載及下載、設置PLC的設定區、對PLC的運行狀態或內存數據進行監控和測試、打印程序清單、文檔管理等功能．

程序中主要實現的功能：定時啟動、定時復位、掉電記憶儲存、手動與自動調節切換、急停．

定時啟動、定時復位：采用歐姆龍編程中的時刻比較模塊(DT)，將每天要啟動的時刻(包含年、月、日、時、分、秒)保存在內存中，與PLC內部的時鐘進行比較，到達相應的時間即啟動跟蹤程序．

定時啟動與定時復位采用的是查表法，根據氣象臺的數據得知一年中每天太陽處在最大高度角的時間，然后推出相應的日出、日落時間．將這些數據編寫為十六進制，保存到PLC內存中，便于控制每天電機啟動和復位的時間．如表1為部分日期的啟動時間及編碼設置．

表1 查表法內存設置

采用查表法，可以按照每天要求的時間定時啟動和復位，避免了以往定時勻速控制法中的累積誤差，實現原理簡單，控制方便．

掉電記憶存儲：通過公式(5)，算出要求正常跟蹤下PLC發送的脈沖頻率．

ω=iθ/(N細分f).

(5)

式中：ω為電機轉速(°/s)；i為步進電機與電池板之間傳動比；θ為步進電機步距角(°)；N細分為步進電機驅動器細分數；f為正常跟蹤下PLC發送脈沖頻率．

然后，將f代入公式(6)，獲得跟蹤到實際位置要求的脈沖數．

f(△T+N/f')=N.

(6)

式中：△T為掉電與來電的時間差(這里只對時、分、秒求差)；N為跟蹤到實際位置要求的脈沖數；f'為快速跟蹤時PLC發送的脈沖數．

手動與自動切換：通過分別記錄手動和自動調節發送的脈沖數來實現．

N=N手動+N自動.

(7)

式中：N手動是手動調節下PLC發送的脈沖數；N自動是自動調節下PLC發送的脈沖數．

為了滿足設計的要求，控制系統中設計了6個輸入信號：啟動、停止、來電復位、自動追趕、手動調節、急停．

圖 3 系統控制流程圖

如圖3所示為整個系統的控制流程圖．當某天啟動開關，等待核對時間，如1月1日7點56分啟動，啟動后如果突然斷電，過3個小時來電，在計算要求發送脈沖的個數的同時，太陽能電池板進行復位．然后根據操作人員的要求選擇自動檔或手動檔進行快速跟蹤，也可以在兩種檔位之間進行切換，最終跟蹤到實際位置，保持正常狀態下的跟蹤直至極限位置．晚上8點再次啟動電機，讓電池板復位到達初始位置．

3 結束語

本文主要針對太陽能電池板跟蹤系統在一維上的調節，但是由于二維調節的類似性，該系統能夠很好的擴展到二維的跟蹤．與其他幾種跟蹤方式相比，該系統避免定時勻速調節的累積誤差，光強、光敏比較法外圍電路的復雜，更容易實現和維護，保證跟蹤精度的同時，也提高了經濟效益．

[參考文獻]

[1] 趙李霞，舒志兵．基于松下PLC的太陽能跟蹤系統設計[J]．南京：機床與液壓，2010，38(14)：100-102．

[2] 饒 鵬，孫勝利，葉虎勇．兩維程控太陽跟蹤器控制系統的研制[J] ．控制工程，2004，11(06)：542-545．

[3] 許守平，李 斌，馬勝紅．槽式太陽能熱發電跟蹤控制系統的研究[J]．計算機測量與控制，2008(11)：1 635-1 637．