基于PLC控制的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

　　1 引言

　　據(jù)測(cè)試，在太陽(yáng)能電池板陣列中，相同條件下采用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%左右。

　　所謂太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)是能讓太陽(yáng)能電池板隨時(shí)正對(duì)太陽(yáng)，讓太陽(yáng)光的光線隨時(shí)垂直照射太陽(yáng)能電池板的動(dòng)力裝置，能顯著提高太陽(yáng)能光伏組件的發(fā)電效率。目前市場(chǎng)上所使用的跟蹤系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)裝置分為單軸太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和雙軸太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。

　　從制手段上系統(tǒng)可分為傳感器跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤(程序跟蹤)。傳感器跟蹤是利用光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)光線是否偏離電池板法線，當(dāng)太陽(yáng)光線偏離電池板法線時(shí)，傳感器發(fā)出偏差信號(hào)，經(jīng)放大運(yùn)算后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使跟蹤裝置從新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。這種跟蹤裝置，靈敏度高，但是遇到長(zhǎng)時(shí)間烏云遮日則會(huì)影響運(yùn)行。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，是根據(jù)太陽(yáng)的實(shí)際運(yùn)行軌跡，按照預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤裝置。這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，其精度不是很高，但是符合運(yùn)行情況，應(yīng)用較廣泛。

　　從主控單元類型上可以分為PLC控制和單片機(jī)控制。單片機(jī)控制程序在出廠時(shí)由專業(yè)人員編寫開(kāi)發(fā)，一般設(shè)備廠家不易再次進(jìn)行開(kāi)發(fā)和參數(shù)設(shè)定。而學(xué)習(xí)使用PLC比較容易，通過(guò)PLC廠家技術(shù)人員的培訓(xùn)，設(shè)備使用廠家的技術(shù)人員可以很方便的學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單的調(diào)試和編寫，并且PLC能夠提供多種通訊接口，通訊組網(wǎng)也比較方便簡(jiǎn)單。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)是以PLC主控單元的視日運(yùn)動(dòng)軌跡控制(程序控制)雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤就是利用PLC控制單元相應(yīng)的公式和算法，計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置：太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角，然后發(fā)出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能跟蹤裝，以達(dá)到對(duì)太陽(yáng)實(shí)時(shí)跟蹤的目的。

　　太陽(yáng)在天空中的位置可以由太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角來(lái)確定。太陽(yáng)高度角又稱太陽(yáng)高度、太陽(yáng)俯仰角，是指太陽(yáng)光線與地表水平面得之間的夾角。太陽(yáng)方位角即太陽(yáng)所在的方位，是指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可以近似看作是樹(shù)立在地面上的直線在陽(yáng)光下的陰影與正南方向的夾角。太陽(yáng)方位角和高度角的實(shí)時(shí)數(shù)值可以通過(guò)地理經(jīng)緯度、時(shí)區(qū)參數(shù)利用公式計(jì)算出來(lái)。

　　主控單元是太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)選用結(jié)構(gòu)緊湊。配置靈活、指令豐富的和利時(shí)LM PLC。選用的配置包括LM 3108CPU模塊和LM 3310擴(kuò)展模塊。LM3108集成為數(shù)字量24DI和16DO，能滿足要求，通訊集成有RS232和RS485兩個(gè)通訊接口，RS232用于與上位文本顯示器通訊，RS485可用于組網(wǎng)使用。LM 3310為四通AI模塊，可用于采集風(fēng)速等保護(hù)數(shù)據(jù)。配合和利時(shí)HD2400L文本顯示器使用，能夠監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)、改變參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到控制目的。

　　本文所設(shè)計(jì)跟蹤調(diào)整裝置其結(jié)構(gòu)如下圖所示：它主要由底座、立軸、橫軸、兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪等組成。其中旋轉(zhuǎn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)橫軸，支撐太陽(yáng)能電池板繞橫軸運(yùn)動(dòng)，跟蹤高度角運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)水平軸，以跟蹤方位角變化。

　　在一天的整個(gè)過(guò)程中，跟蹤器能夠獲得最優(yōu)的高度角和方位角，電池板能夠接收到最大太陽(yáng)日輻射量。系統(tǒng)用一套公式由PLC計(jì)算出實(shí)際時(shí)刻太陽(yáng)所在的高度角和方位角，根據(jù)實(shí)時(shí)太陽(yáng)高度角和方位角與跟蹤裝置實(shí)際的高度角和方位角的差值，以及驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的跟蹤運(yùn)行時(shí)間。最后通過(guò)程序執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)高度角和方位角的跟蹤。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　跟蹤模式的判斷過(guò)程完全由軟件實(shí)現(xiàn)，靈活度高，可以針對(duì)不同地區(qū)和不同的氣候進(jìn)行調(diào)整，從而提高光伏電站的發(fā)電效率。還可以根據(jù)需要增加光強(qiáng)傳感器、風(fēng)力傳感器等多傳感裝置，提高安全性和更高的控制要。

　　通過(guò)程序控制，可以自動(dòng)判斷是否滿足運(yùn)行條件從而達(dá)到自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行裝置、自動(dòng)停止、返回初始狀態(tài)等控制。增加風(fēng)力傳感器用于對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)作用，當(dāng)風(fēng)力大于一定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)停止工作，復(fù)位到原點(diǎn)，風(fēng)速滿足工作條件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始工作。太陽(yáng)能電池板有兩個(gè)自由度，控制機(jī)構(gòu)對(duì)高度角和方位角兩個(gè)方向進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)電池板轉(zhuǎn)到盡頭時(shí)，由于跟蹤裝置裝了限位傳感器，到限位觸點(diǎn)時(shí)自動(dòng)切斷輸出，電機(jī)停止工作。

　　4 結(jié)論

　　該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性高、可靠性強(qiáng)，即使在天氣變化比較復(fù)雜的情況下系統(tǒng)也能正常工作，提高太陽(yáng)能的利用效率。因?yàn)镻LC具有很強(qiáng)的可編程性，客戶可以根據(jù)自己的要求來(lái)修改編寫控制程序，達(dá)到最佳的控制效果。對(duì)于串、并聯(lián)的大型光伏太陽(yáng)能陣列系統(tǒng)的控制，可以通過(guò)LM PLC的通訊，組成通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制。