基于太陽能追蹤的移動(dòng)式冰柜

王雪嬌 王從竹 胡書涵

摘? 要：太陽能光伏發(fā)電是發(fā)展最快、最具發(fā)展前景的可再生能源產(chǎn)業(yè)之一，但由于光伏板安裝角度固定，導(dǎo)致太陽能的利用并不充分。文章設(shè)計(jì)了一個(gè)可以根據(jù)光照情況隨時(shí)變換角度的移動(dòng)光伏板系統(tǒng)，以小型車載冰箱供電為例，探討了方案和結(jié)構(gòu)的可行性。該設(shè)備以PLC作為控制器，配合機(jī)械結(jié)構(gòu)，依據(jù)前期設(shè)計(jì)制作了原型并進(jìn)行測試，試驗(yàn)證明，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電效率最大化。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電;PLC;追蹤系統(tǒng)

中圖分類號：TM615? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）22-0044-04

Abstract： Solar photovoltaic power generation is one of the fastest growing and most promising renewable energy industries. However， due to the fixed installation angle of photovoltaic panels， the utilization of solar energy is not sufficient. In this paper， we design a mobile photovoltaic panel system which can change the angle at any time according to the lighting situation. Taking the power supply of small vehicle refrigerator as an example， the feasibility of the scheme and structure is discussed. The equipment takes PLC as the controller and combined with the mechanical structure， the prototype is made and tested according to the preliminary design. The test results show that the equipment can maximize the efficiency of solar power generation.

Keywords： solar power generation; PLC; tracking system

0? 引? 言

目前太陽能光伏發(fā)電是發(fā)展最為迅速，并且是可再生能源產(chǎn)業(yè)最為看好前景之一[1]。在地球上，太陽光照的角度時(shí)刻都在變化而傳統(tǒng)的太陽能光伏板由于角度過于固定從而使得不能保證太陽能利用效率的最大化。為了將太陽能發(fā)電效率達(dá)到最高，需要讓光伏板時(shí)刻與太陽光線保持垂直[2]。為了使太陽能電池板始終保持與太陽光垂直，本文設(shè)計(jì)一系統(tǒng)采用向日葵的仿生原理對太陽光線進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，從而使得光伏板時(shí)刻向著太陽的方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電效率最大化的目的[3]。

1? 方案設(shè)計(jì)

本文以小型車載冰箱作為研究對象，采用PLC及舵機(jī)對太陽能板進(jìn)行控制[4]。在自動(dòng)追蹤太陽能系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤太陽能系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)邏輯控制，20 KG扭力的舵機(jī)通過光敏傳感器反饋的信號來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)角度和定位的作用[5]。由太陽能板發(fā)出的電能通過智能控制器將所得到的直流電源直接供給直流小型耗能元器件使用或給12V100AH的蓄電池充電存儲。蓄電池中存儲的電能再由正弦波逆變器進(jìn)行智能逆變輸出家用負(fù)載所需要的220 V的交流電。

在控制部分光敏電阻反饋信號給PLC控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽能光伏板自動(dòng)跟蹤太陽能[6]。原理是利用光照時(shí)光敏電阻值變化的原理，將光敏電阻放置在電池板的左右兩側(cè)的中間位置。如果太陽光垂直照射到太陽能電池板上，光敏電阻接收到的光強(qiáng)度是相同的，因此它們的電阻值是完全相等的，此時(shí)舵機(jī)不會轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)陽光方向與面板垂直方向成一定角度時(shí)，光敏電阻接收更多光強(qiáng)度的電阻值減小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到兩個(gè)光敏電阻上的光強(qiáng)度相同。根據(jù)光敏電阻傳感器檢測到的光信號強(qiáng)度，控制系統(tǒng)將其傳輸給PLC控制器。經(jīng)過一定的處理后，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池板隨太陽的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，達(dá)到跟蹤的目的?？刂凭雀?，電路易于實(shí)現(xiàn)是該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

2? 軟硬件設(shè)計(jì)

在自動(dòng)追蹤太陽能統(tǒng)控制系統(tǒng)中，需要所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠自動(dòng)的根據(jù)控制器輸入信號去對應(yīng)執(zhí)行各個(gè)相應(yīng)的功能，要想使各個(gè)模塊按照要求去執(zhí)行命令，就需要程序配合好各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且盡可能的使系統(tǒng)的精度、可靠度、穩(wěn)定性、容錯(cuò)率等達(dá)到最理想狀態(tài)。

根據(jù)設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)，輸入、輸出功能及負(fù)載能力等原則。此次設(shè)計(jì)選擇isPLC的PLC作為主控制器。isPLC是包含軟件、韌體和硬件的迷你型PLC的完全解，isPLC源自是一種 integrated & small的PLC概念，將 PLC常用的功能，包括DI/DO、AI、PWM等，整合在一臺小型的PLC內(nèi)。isPLC與市場眾多PLC相比較具有一下優(yōu)點(diǎn)：（1）價(jià)格便宜，迷你型的 PLC。（2）擁有很多擴(kuò)充模塊（與Arduino UNO相容）支援的PLC。（3）適合順序動(dòng)作邏輯、快速實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式設(shè)計(jì)的控制器。（4）外在具有Arduino UNO開放式硬體，但內(nèi)部藏著PLC順序控制靈魂的控制器。

光電傳感器件種類繁多，結(jié)合本文設(shè)計(jì)的要求，選擇光敏電阻來作為傳感器件，該傳感器的工作原理是利用光敏電阻的阻值隨著太陽光的光照強(qiáng)度的不同而發(fā)生變化，其規(guī)律是光照越強(qiáng)阻值越小，其中的亮電阻的阻值最低可到達(dá)一千歐左右;而它內(nèi)部的暗電阻的阻值一般可以達(dá)到一點(diǎn)五千歐左右，并且它們對光非常敏感，無光時(shí)為高阻狀態(tài)。傳感器由半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)構(gòu)成并且半導(dǎo)體這個(gè)電阻的電阻值隨入射光的強(qiáng)度而變化。它的工作特點(diǎn)是對紅光和紅外輻射的響應(yīng)較高，而且它的偏置電壓比較低，工作電流相對來說比較大，而且它動(dòng)態(tài)范圍寬的特點(diǎn)使得該模塊具有可以測量強(qiáng)光和弱光的能力。

舵機(jī)的選用方面，主要選用的是如圖所示的20 kg扭力的舵機(jī)。選用該舵機(jī)的原因是，相對于電機(jī)來說，具有靈敏度高、參數(shù)好調(diào)等特點(diǎn)，而且整個(gè)機(jī)械裝置的重量大約在5 kg左右，20 kg扭力的舵機(jī)完全可以帶動(dòng)該系統(tǒng)，不會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)等情況。該舵機(jī)的主要組成部分是伺服電機(jī)控制電路和減速齒輪組。在那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)場合特別適合。表1的控制關(guān)系是以108度的角度舵機(jī)為例。

此次設(shè)計(jì)選用了正弦波的逆變器。該模塊是以PWM集成控制器為核心的內(nèi)部含有誤差放大器、穩(wěn)壓器、振蕩主要的作用是利用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)對從蓄電池中出來的12 V的直流電進(jìn)行智能逆變輸出220 V交流電，從而使其供各種家用電器使用。該逆變器主要有以下優(yōu)勢：（1）不僅含有過流過載保護(hù)、高低壓保護(hù)以及高溫保護(hù)等特點(diǎn)，而且使用起來既方便又安全且不會對其他的線路電器等設(shè)備帶來特別大的危害。（2）該逆變器內(nèi)部采用的是微電腦芯片對其加以控制，這就使得該款逆變器的轉(zhuǎn)換功率始終保持在百分之九十以上，所以從一定程度上也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化。（3）該逆變器的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性也比較穩(wěn)定而且其中的負(fù)載適應(yīng)性也特別強(qiáng)，這就使得該逆變器對于蓄電池來說具有一定的保護(hù)作用。（4）該逆變器比較迷你，不僅體型特別小而且還有一個(gè)特別漂亮的外觀。

太陽能板控制器選型選用了PWM（脈寬調(diào)制）太陽能充電控制器。逆變器選用了正弦波的逆變器。（1）該控制器的主電路采用的是串聯(lián)式的充電電路，還接線模式可以使整個(gè)電路回路中的電壓損失與其他模式的接線線路相比要降低近百分之五十左右。（2）該控制器的充電效率比較高，相比于其他類型的控制器，該控制器的的充電效率要高百分之三到百分之六左右，這就在用點(diǎn)時(shí)間上大大領(lǐng)先了其他控制器。（3）該控制器在一定的溫度內(nèi)，具有特別高精度的溫度補(bǔ)償，這就使得該控制器對于不同溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)從而大大延長了其使用壽命。太陽能板計(jì)算與選型：

根據(jù)電流計(jì)算公式I=W/U，而對于12 V的蓄電池系統(tǒng)車載冰柜的功率為50 W，家用冰柜的功率為100 W，可以求得：I車載=50/12=4.16 A;I家用=100/12=8.3 A若冰箱累計(jì)使用時(shí)間需要為滿負(fù)載8 h，冰柜需要滿足陰雨天2天的使用需求，根據(jù)蓄電池容量需求公式 C=I×H×T×η，可以求得：

C車載=4.16×8×2×120%=79.872 Ah

C家用=8.3×8×2×120%=159.36 Ah

但結(jié)合實(shí)際考慮到損耗問題，實(shí)際的電池容量只能利用 80%左右，故實(shí)際需要電池容量為：

C家用=159.36/0.8=200 Ah

C車載=79.872/0.8=100 Ah

對于冰柜每天的工作時(shí)間為8 h，太陽能板平均接收有效光的時(shí)間為6 h，太陽能板功率的需求峰值，根據(jù)公式 Wp=I×H×η×UP/h，可以求出：

Wp車載=4.16×8×120%×12/6=79.872 W

Wp家用=8.3×8×120%×12/6=159.36 W

由于在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中還存在著各種各樣的損耗，所以以上數(shù)值只能算理論值，實(shí)際情況還要有所增加。本次設(shè)計(jì)的逆變器轉(zhuǎn)換效率在90%左右，故實(shí)際需要的的功率為：

Wp車載=80/0.9=88.9≈100 W

Wp家用=160/0.9=177.8≈200 W

綜上所述并經(jīng)查表可得：100 W功率的太陽能發(fā)電板可選用APM36M100W108×80，其面積為800 mm× 1 080 mm×40 mm;200 W功率的太陽能發(fā)電板可選用 APM54P200W 148×99，其面積為990 mm×1 480 mm×46 mm。

本設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

3? 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)圖主要是通過底座來支撐太陽能板，并將其通過軸套與主軸進(jìn)行連接固定。采用稍細(xì)的兩根鐵管通過銷軸來聯(lián)接做成調(diào)節(jié)桿，主要作用是可以控制太陽能板進(jìn)行仰俯角度的調(diào)節(jié)，較粗的鐵管則直接焊接在軸承外圈，利用其小球的滾動(dòng)使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力大大降低從而達(dá)到了提高該機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)力傳遞效率的目的。本結(jié)構(gòu)使用了兩個(gè)個(gè)滾軸承來配合工作，加大了承載面積，承擔(dān)整個(gè)太陽能板的絕大多數(shù)的重量，使得該結(jié)構(gòu)的機(jī)械的傳遞效率又得到了一定程度的提高，也使得該結(jié)構(gòu)得到了一定的保護(hù)大大防止了機(jī)械性的損傷。結(jié)構(gòu)中主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是依靠主軸與舵機(jī)連接，由舵機(jī)傳遞旋轉(zhuǎn)的方向并控制角度。

機(jī)械上主要作用是通過一個(gè)滑桿機(jī)構(gòu)來控制太陽能板進(jìn)行仰俯角度的調(diào)節(jié)，較粗的鐵管則直接焊接在軸承外圈，利用其小球的滾動(dòng)使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力大大降低從而達(dá)到了提高該機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)力傳遞效率的目的。本結(jié)構(gòu)使用了兩個(gè)個(gè)滾軸承來配合工作，加大了承載面積，承擔(dān)整個(gè)太陽能板的絕大多數(shù)的重量，使得該結(jié)構(gòu)的機(jī)械的傳遞效率又得到了一定程度的提高，也使得該結(jié)構(gòu)得到了一定的保護(hù)大大防止了機(jī)械性的損傷，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4? 控制程序

當(dāng)系統(tǒng)上電開始運(yùn)行后，開始將相關(guān)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化，并且清空寄存器中的數(shù)據(jù)。初始化完成后isPLC主控模塊就開始實(shí)時(shí)自動(dòng)獲取兩個(gè)光敏傳感器回傳回來的各個(gè)路的模擬量值，控制模塊及接線圖如圖2所示。光敏傳感器使輸出信號傳給isPLC主控模塊，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。此外系統(tǒng)在正常運(yùn)行模式時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況為光敏傳感器設(shè)計(jì)了自動(dòng)休眠狀態(tài)設(shè)置，這樣不僅可以節(jié)省一部分電能，也延長了器件的使用壽命。機(jī)構(gòu)初始化完成后isPLC主控模塊就開始實(shí)時(shí)自動(dòng)獲取兩個(gè)光敏傳感器回傳回來的各個(gè)路的模擬量值，并且與程序中設(shè)定值進(jìn)行比對，如果當(dāng)前照射角方向的模擬量值數(shù)據(jù)相對于設(shè)定值出現(xiàn)偏差時(shí)，系統(tǒng)就會及時(shí)的進(jìn)行模擬運(yùn)算，使輸出信號傳給isPLC主控模塊，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，借助軸承帶動(dòng)連接太陽能板的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直到機(jī)械機(jī)構(gòu)觸碰到設(shè)置的限位時(shí)，就停止運(yùn)動(dòng)，全部向負(fù)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)固定的脈沖信號，使太陽能電池板再達(dá)到機(jī)械原點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)太陽能板向著陽光的方向進(jìn)行補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)追蹤以及自動(dòng)機(jī)械復(fù)位效果。復(fù)位程序之前的系統(tǒng)程序恢復(fù)到初始狀態(tài)，重新進(jìn)行系統(tǒng)的循環(huán)工作。

4.1? I/O端口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要先確定系統(tǒng)的I/O端口分配。根據(jù)功能要求和工藝流程，進(jìn)行I/O接點(diǎn)的分配（isPLC的引腳說明：A0～A4為類比輸入，X0～X5為數(shù)位輸入，Y0～Y5為輸出），分配表如表3所示。

4.2? 實(shí)物測試

按照上述研究過程進(jìn)行了實(shí)物測試，功能可達(dá)到預(yù)期，實(shí)物測試如圖3所示。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)的基于太陽能追蹤系統(tǒng)能夠滿足預(yù)先設(shè)計(jì)的控制要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。主要實(shí)現(xiàn)了太陽能追蹤系統(tǒng)的邏輯控制，與傳統(tǒng)的太陽能板相比較，為其設(shè)計(jì)了自動(dòng)追蹤的功能更高效的利用了太陽能。太陽能追蹤系統(tǒng)采用PLC控制，使得太陽光線能隨時(shí)保持垂直照射在光伏電池方陣上發(fā)電量最大。本文設(shè)計(jì)使用的PLC是一中小型PLC，與傳統(tǒng)使用的西門子、歐姆龍等型號的PLC相比成本低控制簡便。順應(yīng)時(shí)代潮流，可以不受地形的約束自動(dòng)追蹤太陽能。可在電能等設(shè)備尚未完善的工地等地點(diǎn)擺攤售賣冰凍冷飲類、存儲保證食材口感，相比普通冰柜，彌補(bǔ)了移動(dòng)時(shí)的能源問題。

系統(tǒng)在正常運(yùn)行模式時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況為光敏傳感器設(shè)計(jì)了自動(dòng)休眠狀態(tài)設(shè)置，可以配合系統(tǒng)更加準(zhǔn)確地控制旋轉(zhuǎn)角度。機(jī)械結(jié)構(gòu)中借助軸承套將兩個(gè)軸承配合帶動(dòng)連接太陽能板的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，加大了承載面積，承擔(dān)整個(gè)太陽能板的絕大多數(shù)的重量，使得該結(jié)構(gòu)的機(jī)械的傳遞效率又得到了一定程度的提高，也使得該結(jié)構(gòu)得到了一定的保護(hù)大大防止了機(jī)械性的損傷。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是以小型的車載冰箱為例，可以將模型和控制方案應(yīng)用在更大型的設(shè)備或者其他光伏發(fā)電情況下，實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電效率最大化。

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作者簡介：王雪嬌（1989.03—）女，回族，山東青州人，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化。