PLC在光伏發電追光系統中的應用

珠海市第一中等職業學校 陳潔娜

中國移動通信集團廣東有限公司珠海分公司 吳賢哲

太陽能光伏發電電池陣列的發電量與光線入射角角度有關，光線與光伏陣列平面垂直時，發電量最大。提出基于PLC的光伏電池板自動追光系統，使光伏電池板能實時跟蹤太陽光照，從而提高光伏陣列的發電量，提高太陽能的利用率。系統采用雙軸跟蹤，包括硬件部分和軟件部分，硬件部分有光線檢測電路、PLC控制電路及雙軸跟蹤電路；軟件部分有PLC的控制程序。

1 方案提出

太陽能具有取之不盡、用之不竭、綠色環保和分布廣泛等優點，是新能源的重要組成部分，越來越受到人們的關注和青睞。太陽能光伏發電系統的應用越來越普遍，光伏發電系統的發電量自然也成為行業內關注的焦點。

太陽能光伏發電系統通常分為固定式和跟蹤式兩種。由于太陽具有間歇性及強度和方向時變等特性，光線與光伏陣列平面垂直時，發電量最大，采用固定式光伏發電系統無法達到對太陽能的利用最大化，因此自動檢測太陽光線，并控制光伏發電板自動跟蹤太陽方向，使光伏電池板始終保持與太陽光垂直，可以大大提高太陽能利用率。

本文所設計的光伏發電系統是基于PLC控制的光伏發電雙軸自動跟蹤系統，能達到提高光伏發電電池陣列的發電量，有效提高太陽能利用率的目的。

2 方案設計

光伏發電雙軸跟蹤系統包括硬件部分和軟件部分，硬件部分有光線檢測電路、PLC控制電路及雙軸跟蹤電路；軟件部分有PLC的控制程序。

系統工作原理：四個光敏傳感器和信號比較電路檢測太陽光線的方位，并送入PLC，PLC按照事先下載好的程序進行邏輯判斷、計時和計數等運算，輸出控制信號到繼電器，控制兩個直流電機正反轉，從而控制光伏電池板東西南北的運動，達到光伏電池板實時跟蹤太陽光線的效果。（系統整體結構框圖如圖1所示）

圖1 系統整體結構框圖

2.1 光線檢測設計

光線檢測部分包括光敏傳感器模塊和比較電路兩部分組成。設計采用的是光敏電阻光強比較法，利用光敏電阻在光照時阻值發生變化的原理，將兩對光敏傳感器分別放置在東-西、南-北四個方位，并且兩兩之間用檔光板隔開（傳感器模塊如圖2所示），將該傳感器模塊安裝在四塊光伏電池板正中間位置。（傳感器安裝位置如圖3、圖4所示）

圖2 傳感器模塊

圖3 傳感器安裝位置

圖4 傳感器安裝位置

如果太陽光垂直照射光伏電池板，東RG1-西RG2兩個傳感器都沒被檔光板遮擋到，并且都垂直接收到強度相同的光照度，所以它們的阻值完全相等，此時比較電路信號1、信號2兩端都輸出0（比較電路如圖5所示），表示太陽光線此時垂直于光伏電池板；南-北兩個傳感器也同理。

如果太陽光沒有垂直照射光伏電池板，那東RG1-西RG2兩個傳感器中在太陽所在方位的那個傳感器接收到的光照度更強，電阻阻值變小的更多；而相對應的那個傳感器會被中間的檔光板遮擋了全部或部分光線，而接收到的光線更弱，電阻阻值變小的少；如當太陽光照射在東RG1光敏電阻傳感器一側，東RG1光敏電阻傳感器受光照射，其阻值變小；西RG2光敏電阻傳感器沒有受到光的照射，其阻值不變。RG1、RP1和R1組成的分壓電路提供給IC1a電壓比較器同相端的電平高于IC1a電壓比較器反相端的固定電平，IC1a電壓比較器輸出高電平，三極管VT1導通，繼電器KA1線圈得電導通，常開觸點KA1-1閉合、常閉觸點KA1-2斷開，信號1端輸出高電平。PLC接收該高電平后，控制水平方向運動機構向東運動，使光伏電池板向光敏電阻RG1一側偏轉。同樣的道理，當太陽照射在光敏電阻RG2一側，信號2端輸出高電平。南-北兩個傳感器也同理。

圖5 比較電路圖

2.2 PLC控制系統硬件設計

可編程序邏輯控制器PLC是光伏發電雙軸跟蹤系統的核心部件，系統采用西門子公司的S7-300系列PLC，它具有緊湊的結構、靈活的配置和強大的指令集。

輸入/輸出設備或信號有啟動按鈕及指示燈、停止按鈕及指示燈、光伏電池板東西運動限位接近開關、光伏電池板東西運動中間接近開關、光伏電池板南運動微動限位開關、光伏電池板北運動微動限位開關、光伏電池板南北運動中間接近開關、東邊光線信號、西邊光線信號、南邊光線信號、北邊光線信號、光伏發電板東運動繼電器及指示燈、光伏發電板西運動繼電器及指示燈、光伏發電板南運動繼電器及指示燈、光伏發電板北運動繼電器及指示燈。

圖6 PLC外圍接線圖

系統的PLC I/O分配表如表1所示，PLC外圍接線圖如圖6所示。

2.3 跟蹤執行機構設計

跟蹤執行機構由兩個直流電動機及減速箱組成，安裝在四塊光伏電池板正中間的下方。光伏電池板的東西（水平）和南北（俯仰）運動由東西運動減速箱、南北運動減速箱、東西運動和南北運動直流電動機、光伏電池板東西運動限位接近開關、光伏電池板東西運動中間接近開關、光伏電池板南運動微動限位開關、光伏電池板北運動微動限位開關、光伏電池板南北運動中間接近開關組成。

為了完成精確追蹤，必須使用兩個電機分別在東西水平方向和太陽高度俯仰角兩個不同方向上同時動作，即雙軸追蹤方式。本系統采用雙軸追蹤方式追蹤太陽，分為東西水平方向和南北俯仰角控制，水平方向最大限位角度為180°，俯仰角度最大90°，在一天當中，機械系統要隨時跟著太陽轉動，這就要求系統的速度要慢。水平方向上如果采用1:1的齒輪傳動，那么電機只能轉半圈，裝置就轉180°，這樣相對難控制且精度不高。本系統電機和機械裝置之間的配合采用減速箱減速，傳動比80:1，這樣電機轉80圈，裝置才轉1圈，這樣保證了整個系統的精度。俯仰角度的控制是齒輪傳動來調整，同樣要求低速，采用同樣的方法，用渦輪蝸桿減速器，減速比80:1。在傳動機構上采用同步帶輪，使用同步帶輪可以減少在傳動過程中的誤差。

表1 系統的PLC I/O分配表

圖7 兩個直流電動機主電路圖

圖8 機械結構及各限位安裝位置圖

圖9 機械結構及各限位安裝位置圖

圖10 機械結構及各限位安裝位置圖

東西運動和南北運動直流電動機旋轉時，東西運動減速箱驅動光伏電池板作向東方向或向西方向的水平移動、南北運動減速箱驅動光伏電池板作向北方向或向南方向的俯仰移動（兩個直流電動機主電路如圖7所示，機械結構及各限位安裝位置如圖8、圖9、圖10所示）。

光伏電池板東西運動限位接近開關用于光伏電池板位置的限位和保護，運動范圍最大能達到180°，防止光敏傳感器受太陽光線外其它光源的影響而使光伏電池板往一個方向水平打轉，從而導致線路拉斷或其它損壞；光伏電池板南運動微動限位開關、光伏電池板北運動微動限位開關也是用于光伏電池板位置的限位和保護，防止光伏電池板俯或仰方向運動角度過度出現機械碰撞而損壞或光伏電池板持續得到運動信號，但運動角度已受下方機械控制盒的限制，而導致電動機或運動機械部件損壞；光伏電池板東西運動中間接近開關、光伏電池板南北運動中間接近開關用于作為光伏電池板的初始位置，處于此位置時，光伏電池板正好處于中間水平平衡位置，此位置能使傳感器最快、最準地接收到太陽能光線的方向。用于光伏電池板長時間沒有得到動作信號后，重新有光線時，其角度不能讓傳感器接收到光線入射信號，而導致無法重新跟蹤太陽光線。因此設計光伏電池板長時間沒有得到動作信號時，控制其自動回到初始位置，等待重新得到太陽光線信號。

2.4 PLC控制程序設計

按下啟動按鈕時，光伏電池板進行對光跟蹤。按下停止按鈕時，光伏電池板停止對光跟蹤。

程序控制過程為傳感器檢測光線方位，當東邊有信號時，控制東西（水平）電動機（正轉），光伏電池板向東轉；當西邊有信號時，則控制東西（水平）電動機（反轉），光伏電池板向西轉；東-西運動要互鎖，當東-西都無信號時，表示東-西方向已垂直太陽光線或傳感器無檢測到光線。同時當南邊有信號時，控制南北（俯仰）電動機（正轉），光伏電池板向南轉；當北邊有信號時，控制南北（俯仰）電動機（反轉），光伏電池板向北轉；南-北運動要互鎖，當南-北都無信號時，表示南-北方向已垂直太陽光線或傳感器無檢測到光線。

當東、西、南、北方向都沒有信號時，表示光伏電池板平面此時正垂直于太陽光線，或此時傳感器沒有檢測到光線信號。當東、西、南、北方向都沒有信號達到1h，表示已經是黑夜或光線不足的日子，則控制光伏電池板自動回到光伏電池板東西運動中間接近開關、光伏電池板南北運動中間接近開關的位置（即初始位置），然后停止，等待重新得到太陽光線信號。

程序實現方法為當東、西、南、北方向都沒有信號達到1h，控制光伏電池板向東轉，當遇到光伏電池板東西運動中間接近開關時，停止向東轉；當遇到光伏電池板東西運動限位接近開關時，控制光伏電池板向西轉，直到遇到光伏電池板東西運動中間接近開關時，停止向西轉；同時控制光伏電池板向北轉，當遇到光伏電池板南北運動中間接近開關時，停止向北轉；當遇到光伏電池板北運動微動限位開關時，控制光伏電池板向南轉，直到遇到光伏電池板南北運動中間接近開關時，停止向南轉，等待重新得到太陽光線信號。由此實現光伏電池板自動對光跟蹤。

但當光伏電池板在運動過程中遇到光伏電池板東西運動限位接近開關或光伏電池板南運動微動限位開關或光伏電池板北運動微動限位開關，都立即停止該方向的運動，以起到對設備和電路的保護。

無論在任何情況下按下急停按鈕，所有運動立馬停止。

3 實施與調試

根據電路圖購買所需器件和耗材，然后將控制器件安裝在網孔架上，將太陽能板和運動執行機構安裝在支撐架上，將各限位微動開關、接近開關安裝到相應位置（如圖8至10所示）。根據直流電動機主電路圖（圖7）、PLC控制電路圖（圖8）進行線路連接，L、N、PE電源分別用1.0 mm2紅色、黑色、黃綠色線纜，+24V、0V電源分別用0.75 mm2紅色、白色線纜，控制信號線用0.5 mm2藍色線纜，線纜兩端都使用冷壓端子。

編寫PLC程序并下載后進行調試，實驗使用一個大功率燈泡作為模擬光源，點亮的燈泡從東邊沿半圓軌跡緩慢運動至西邊，后熄滅，實驗證明光線傳感器和比較電路能正確檢測光源位置并傳送給PLC，程序根據輸入信號并能正確地控制東西（水平）電動機和南北（俯仰）電動機的正反轉，從而實現太陽能板準確地追蹤光源，保持太陽能板一直垂直對光。燈泡熄滅1h后，PLC也能正確地控制東西（水平）電動機和南北（俯仰）電動機運動，使太陽能板回到東西方向在中間位置、南北方向在水平位置。再次在東邊點亮燈泡時，并從東邊沿半圓軌跡緩慢運動至西邊，后熄滅，太陽能板仍能準確追光。實驗證明本次基于PLC控制在光伏發電追光系統中的應用是成功的。

結束語：本次基于PLC的光伏電池板自動追光系統，以一種結構簡單、原理簡單、使用方便的雙軸自動追光系統使光伏電池板能實時跟蹤太陽光照，一直保持太陽能板垂直對光，從而提高光伏陣列的發電量，提高太陽能的利用率。實驗證明本次基于PLC控制在光伏發電追光系統中的應用是成功的。

但本次只是基本實現了對太陽光照射角度的雙向跟蹤，在跟蹤的精確度等方面仍舊有許多不足，比目前已有的跟蹤系統還有很大的差距，系統的各個部分還有很大的改進空間，今后若有機會再進行進一步的改進。未來繼續研究及加裝想法：（1）風力保護：臺風天氣時，根據風力在電池板上的壓力旋轉具體的角度讓電池板和風向呈平行位置。（2）雷電保護：本裝置在室外運行，必須裝有防雷電措施，應裝有避雷針。