光伏充電樁自動跟蹤系統

陳超超++朱珠

文章編號：2095-6835（2017）10-0036-03

摘 要：隨著化石能源的不斷開采，減少和取代不可再生能源的使用，大力推廣太陽能符合當今節能環保的大環境。在太陽能充電樁的應用基礎上，設計了一款基于工業計算的雙軸太陽能跟蹤系統，從而提高光伏充電樁中的太陽能利用率。通過光伏充電樁上的太陽能電池板對太陽的同步追蹤，研究確定太陽運行軌跡跟蹤方式與光電跟蹤方式的混合跟蹤方案，最大限度地提高了太陽能利用率，并實現了對太陽陰晴狀況的判斷及太陽方位精確追蹤。系統主要包括太陽能跟蹤控制系統傳感器、跟蹤系統結構、確定太陽位置的算法、PLC可編程控制器軟硬件功能實現等。

關鍵詞：光伏充電樁；PLC；光電追蹤；太陽能利用率

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.041

1 太陽能跟蹤系統的結構及方案設計

1.1 雙軸跟蹤結構

所謂“雙軸跟蹤機構”，就是能夠在東西南北4個方向同時跟蹤太陽能，使太陽能電池板能夠實時與太陽保持垂直關系，以期獲得最大太陽能轉化效率。本文主要采用高度角與方位角式雙軸跟蹤方法。

高度角與方位角跟蹤方法是在天球坐標系下建立的，跟蹤機構有1個方位軸、1個高度軸。太陽能電池板繞方位軸跟蹤太陽方位角的變化，繞高度軸跟蹤太陽高度角的變化，在太陽輻射強烈的地區可以提高30%的發電效率。這種跟蹤裝置的機械結構設計相對簡單，而且跟蹤精度相對較高。執行機構的下部的電機為方位角電機，控制方位角上的角度跟蹤，上部電機為高度角電機，控制高度角上的角度變化。

1.2 光電追蹤設計

光電追蹤主要采用光電傳感器或探測器等確定太陽位置，將得到數據返回到控制系統中，經過數據處理后進而控制太陽能電池板的朝向，主要使用角度傳感器等器件，屬于閉環控制系統。這種閉環系統結構簡單，具有高精度、高靈敏度等優點，易受天氣影響。如果遇到陰雨天氣或霧天，則光電傳感器失靈，整個追蹤系統就無法正常工作。

1.3 視日運動軌跡追蹤

太陽運動軌跡追蹤主要是根據天文和地理學等對天體運動進行研究，使用控制裝置處理器，實時計算出當前時間和地區的太陽位置，進而調整太陽能電池板的朝向，使其與太陽垂直。從自動控制原理的角度看，其屬于開環控制系統。本方法稱為視日運動軌跡追蹤方法，不受天氣影響，可以全天實時追蹤，穩定性和連續性均有保證。但本方案為開環控制，易造成誤差積累。

1.4 混合控制方案

針對開環控制和閉環控制的優缺點，綜合兩種方案，本文提出了混合控制方案，即采用光電傳感器追蹤和視日運動軌跡追蹤方案混合控制。該系統先根據太陽運動算法（SPA）對太陽位置進行精確計算，得到實時太陽所處的高度角和方位角，通過處理器進行處理，進而控制太陽能電池板運動，盡可能使太陽能電池板與太陽垂直，這個過程稱為粗調；利用光電傳感器確定太陽與太陽能電池板的相對位置，根據反饋得出運動軌跡追蹤誤差，并進行相應調整，這個過程稱為微調，基本可以保證太陽能電池板與太陽垂直，獲得最大轉化效率；設置定時器裝置，每分鐘執行一次上述方案，1 min即為追蹤周期。

2 硬件系統總體結構

太陽跟蹤系統主要包含3個模塊，分別為跟蹤控制模塊、步進電機模塊、傳感器檢測模塊。傳感器檢測模塊主要用于自動跟蹤系統的信息采集，它由信號處理電路和傳感器組成。跟蹤控制模塊包括工業計算機、電源模塊、串口模塊、A/D轉換電路，步進電機模塊由步進電機及其驅動模塊PLC組成。

3 太陽跟蹤控制器的設計

3.1 可編程邏輯控制器（PLC）

PLC向步進電機發出控制指令，使其可以控制太陽能電池板轉向正對太陽的角度。計算機僅具備追蹤程序，不具備直接向步進電機發送模擬信號的接口，因此，選用可編程邏輯控制器作為中間接口設備。

PLC加入編程邏輯后，可實現非常復雜和精確的控制功能，其I/O接口豐富，支持模擬和數字信號的輸入輸出，平均無故障工作時間可達數萬小時以上，可靠性強。本系統中PLC通過以太網與Tracker連接在同一網絡中，實現集中管理。Tracker通過Modbus/TCP通信協議同時控制多個PLC，而一個PLC對應控制一個太陽能電池板陣列，可以實現分散管理，依靠其脈沖輸出控制光伏陣列對應的2臺步進電機。

3.2 步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉換為線位移或角位移的開環控制原件，電機的轉速由輸入脈沖的頻率決定，位移量由輸入脈沖的數量決定，其不受負載變化的影響，步進電機每收到1個信號就會按照預設方向移動1個固定角度。在實際應用時，可以通過控制脈沖頻率控制電機的速度和加速度，同時，可以通過控制脈沖數量來控制電機的位移量。步進電機作為執行元件，廣泛用于自動控制系統。

在追蹤控制系統中，控制系統經過計算后，可確定步進電機需移動的步進值，并通過控制命令傳遞給PLC進行中間轉換，再將脈沖信號發送給步進電機，進而控制太陽能電池板旋轉，可以實現精準定位，不會產生誤差積累。

3.3 四象限光電探測器工作原理

光強檢測裝置由4路數字光強傳感器模塊組成，4路GY-30光強傳感器模塊分別位于光強檢測裝置XY水平面的象限點上。水平面分為東、南、西、北4個方向，將平面遮光擋板分別沿一三、二四象限的角平分線設置，同時，用圓形遮光擋板將4路傳感器包圍在其內部，可以減少光線對相鄰傳感器的干擾。

光強傳感器模塊將采集到的光強信息分別送入控制系統中進行處理，受到外界環境影響，入射光在探測器表面上的光斑大小和能量分布會有一定的誤差，因此，本系統選擇了經過優化的探測算法，以減少系統誤差。

4 視日運動軌跡追蹤控制子系統

對于對太陽的追蹤，該算法可以根據地理位置和時間等參數計算出任意地點和時間的太陽位置。為了更高效地利用太陽能，要求該算法有比較高的精確度，因此，需要使用可靠的坐標系統。在地球上，可以用經緯度坐標來表示任何一個位于地球表面的地點，這里引入天文學中的地平坐標系，可以使用高度角和方位角來指示天體相對于地球上某觀測點的位置。地平坐標系以地平圈為基準，用高度角α（0°<α<90°）和方位γ（-180°<γ<180°）確定太陽位置，其中，高度角α為太陽直射光線與地平面的夾角，方位角γ為太陽直射光線在地平面上的投影線與正南方向的夾角，向西（順時針方向）為正，向東（逆時針方向）為負。本系統通過控制雙軸跟蹤機構的2個旋轉軸的角度來實現對方位角γ和高度角α的跟蹤。

太陽高度角α方位角γ之間的函數關系為：

Sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω.（1）

（2）

式（1）（2）中：φ為測點緯度；δ為太陽赤緯角；ω為時角。

一年內第n天的太陽赤緯角δ為：

（3）

時角ω為：

ω=（12-Tz）×15°. （4）

式（4）中：TZ為被測地點的真太陽時。

5 四象限光電探測器定位子系統

5.1 工作原理

太陽光通過附屬光學裝置的圓孔透射到四象限探測器上，形成光斑。為了理論分析簡便，假設光斑呈正圓形且光斑的能量分布均勻，當光斑位于四象限探測器的中心時，光斑在4個象限中分布相同，即都為1/4圓，進而經過光電感應后，各個象限會輸出大小相等的感應電流。

當光斑相對中心位置產生偏移時，各個象限中光斑的大小不同，接收到的光輻射能量也不同，就會輸出不同大小的感應電流，之后通過算法對4個不同大小的電流值進行處理，可以推導出光斑相對四象限探測器中心的偏移量，從而完成光電探測與定位操作。

5.2 控制系統軟件設計

當太陽光照射到裝置上時，先由4個光電池進行太陽光的粗跟蹤，光電池4個輸入電壓的差值進入PLC，輸出信號驅動電機進行太陽高度角和方位角的調整，確定太陽的方向。太陽光將照射在四象限光電探測器上，在光電池的粗定位電路輸出在一定范圍內后，探測器輸出的4路微弱電流信號進行放大、濾波、數據采集后進行處理，由PLC帶動步進電機運轉進行裝置的精確定位。

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〔編輯：張思楠〕