基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统的研究

    太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外最具发展前景的新能源之一。光伏（PV）发电技术在国外已得到深入研究和推广,我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段[1]。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下[2]。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。根据据实验，在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35 %左右[3]。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。

　　本文研究的是一种新型的可编程逻辑控制器PLC的太阳光自动跟踪系统，不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板的朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值和市场应用前景。

1 自动跟踪系统的组成及工作原理

　　太阳能电池板自动跟踪控制系统由PLC主控单元、传感器和信号处理单元、光伏模块、电磁机械运动控制模块和电源模块组成。系统的组成框图如图1所示。

　　太阳能光伏发电设备自动跟踪系统的光敏探测头（传感器）是用来检测太阳光强的。当有偏差发生时，偏差信号经过跟踪PLC主控单元（控制器）,采用模拟差压比较原理进行运算、比较和发出指令，使电动执行器动作，驱动机械部分转动推动整个装置旋转，调整偏差，保证太阳能电池方阵正对太阳光，达到自动跟踪太阳的目的。太阳能电池方阵在阳光的照射下光伏发电，通过控制器向蓄电池充电。系统配有自动保护线路，当风力达到8级时自动启动，切断跟踪太阳系统，使电池方阵快速收平，在风力降下来时延时10 min，解除防风系统，恢复跟踪过程。固定光强、跟踪光强、电瓶温度和自然风速等由微机进行数据采集，并对蓄电池充电和放电进行分级控制。

　　系统有自动和手动2种控制方式，SB1和SB2为控制按钮，用于手动操作，PLC输出的Q0或Q1分别连接到2个继电器线圈，以控制太阳板的正反2个运动方向。在自动运行模式下， PLC首先比较来自信号处理单元的2个模拟输入的值，然后决定输出Q0或者Q1。

1.1  可编程逻辑控制器PLC单元

　　跟踪控制器采用可编程逻辑控制器PLC，它是太阳能电池板跟踪系统的控制核心，是系统研究工作的重点。系统采用欧姆龙（OMRON）公司近年推出的α系列PLC，该机型为介于大型机与小型机之间的中小型机，最大控制I/O点数为1184点。在应用中，中央处理器单元（CPU）采用C200HX-CPU43-E，它自带1个编程口和1个RS232C口。该CPU具有丰富的指令功能，编程十分方便；开关量输入输出模块分别选用C200H-ID212和C200H-OC225；通过在CPU中插入通讯板C200HW-COM06-E(该板具有1个RS232C和1个RS-422/485）实现与上位机远程通讯。由于采用了RS-422接口，采取平衡式发送，因此数据传输率高，而且串扰小，传输距离可达500 m。特别对串并联的并网光伏太阳能电池阵列的跟踪系统控制，能发挥PLC现场总线控制的优势，进行集中控制。经过研究和优化设计，应用集成标准线路，采用模拟差压比较原理，控制器具有跟踪精度高、范围宽、自动返回功能。限位装置具有东、西、上、下4个方位的极限限位功能。采用双重限位控制结构，即控制信号限位和驱动电机限位，保证了设备可靠地工作。图2所示为PLC输入/输出硬件配置图。

1.2 传感器检测和信号处理单元

　　太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同，因此，欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。检测太阳光光强的方法有定时法、坐标法、太阳能电池板光强比较法和光敏电阻光强比较法[4]。对这4种控制方法进行了对比后认为：定时法电路虽然简单，但由于季节的影响，系统的控制精度较差；坐标法控制精度较高，但控制电路复杂；光强比较法使系统的太阳能利用率不能达到最佳；光敏电阻比较法电路实现最简单，对太阳能的利用率最大。基于此，选择控制精度高和电路易于实现的光敏电阻光强比较法作为本研究系统的检测方案。光敏探测头（传感器）是太阳能电池板跟踪系统的光信号接收器，它是利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将2个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方（光与电池板垂直时，一半可接收光，一半在下边）。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，2个光敏电阻接收到的光照强度相同，它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至2个光敏电阻上的光照强度相同。控制灵敏度的高低直接影响跟踪精度。光敏电阻光强比较法的优点在于控制精确，电路设计比较容易实现。经过实验研究，选用质量轻、美观、耐腐蚀的铝合金材料，光电接收管经过严格的计算、定位，以保证其检测灵敏度。

　　图3所示是太阳光电定位装置中光电检测电路的俯视图，共由9个光电三极管组成。正中央1个，旁边8个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径略大于检测板的外圆。圆柱体的上方中央开1个与检测用的光电二极管直径相同的洞，以便光线通过。将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上，光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方（确保会受到光线的照射）也安装1个光电二极管，其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同，用于检测环境亮度，并与圆柱体内的每个光电二级管及运放(可用LM324集成电路中的1个)构成一个比较电路。这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时，运放将输出低电平，此电平可接到输入端进行检测。圆柱体内的每个光电二级管各用1个PLC的输入端，共9个。这样就可以检测太阳光线的朝向，决定哪个电机转动，向哪个方向转动。另外，为了增大光电二极管的检测范围，视实际情况需要，也可再增加1圈紧密排列的光电二极管，外圈的光电二极管与内圈的相应位置的光电二极管并联。

    图4所示为信号处理单元电路，当太阳辐射强度增加时，光电电阻阻值减小，1 kΩ可变电阻的压降增加，从而产生与太阳光辐射强度有直接关系的电压信号。2个传感器的输出信号与PLC模拟输入端口连接，并对这2个模拟信号进行比较运算，从而输出正确的信号，以驱动太阳能电池板跟踪系统的电磁机构。

1.3 光伏模块

　　光伏模块采用三菱光伏智能功率模块PV-IPM（PM50B4LA060）,其技术参数主要有峰值功率Pmax85 W，最佳工作电压17.5 V。这些参数是在标准的试验条件下测试的(太阳光强度1 000 W/m3，太阳板温度25 ℃，空气质量1.5）。

1.4 电磁机械运动控制模块

　　抗大风自动放帆功能是为了保护跟踪发电装置，在风力达到一定强度时防风系统启动，自动调整受风面，避免设备被风吹坏。经实验研究，防风传感器采用德国进口产品，防风系统采用优先工作方式，一旦启动将切断跟踪太阳能系统，自动放帆。

　　机械传动机构是跟踪控制的执行机构，它不但在室外工作，还承受装置的重量、风力，直接影响整机的精度。经研究，水平传动采用电机、谐波减速机和两级蜗轮蜗杆减速机，仰角传动采用电机、谐波减速机和滚珠丝杠，以保证机械精度和传动效率。

1.5 系统电源模块

　　电源电路采用开关电源设计，具有高效率、低损耗的特点。采用开关控制芯片L4960，它能提供5.1 V~40 V的输出电压和2.5 A的输出电流。电源电路如图5所示，通过调整2个电阻R3和R4，以产生12 V~24 V直流电压，DC 24 V用于PLC电源，DC 44 V直接取自整流桥侧供给直流电机。如果用于光伏逆变系统的跟踪系统，~220 V可以直接取自光伏逆变电源。

2 光伏系统软件设计

　　并网光伏发电系统控制软件采用模块化设计，包括PLC控制和监控程序、PC监控和数据处理程序2个主要部分。

2.1 PLC控制和监控程序

　　PLC控制语句是整个太阳能电池板跟踪系统的重要组成部分，软件编程采用欧姆龙公司的CX-Programmer 7.1，CX-P梯形图编程支持软件为使用者提供了从操作界面到程序注释的全中文操作环境，支持Windows的拖拉及粘贴操作，以及完备的检索功能和常用标准位简易输入功能。通过计算机的RS-232C口与PLC的RS-232C口连接，对PLC进行数据实时监控、修改和在线编辑等,可方便地把程序传递到PLC中或从PLC中读出数据。PLC主要完成如下工作：

　　(1)控制跟踪系统的运动，其控制逻辑如图6所示。

　　(2)将PLC输入与输出状态复制到内存的特定位置（称为标记区域），PC监控程序能随时直接从内存区域读取输入和输出状态。

　　(3)采样数据存储。这是一个在线采集存储过程，通过RAM数据存储内部的特殊矩阵，每1小时读取光敏电阻的值。数据采集白天进行，晚上停止，直到第二天日出。采集的时间（小时和分钟）存储在不同的矩阵，然后在PC机的屏幕上显示出来。当RAM内存满时，将不再存储数据，直到复位操作将存储数据清除。这部分程序采用顺序功能图表SFC(Sequential Functioning Chart)进行编程，算法如图7所示。

2.2  PC监控和数据处理程序

　　采用面向对象的高级编程语言Visual Basic 6. 0实现以下功能：

　　(1)自动检测PC机RS232串口和PLC端口的连接状态。

　　(2)系统监控。决定光伏模块的实际位置和运动方向，显示光敏电阻的读数以及内存溢出标记。

　　(3)模块的强制性前向和反向运动。通过程序界面，发出指令控制PLC操作。如果出现系统位置异常，可强迫太阳板按照操作要求恢复初始位置。

　　(4)显示系统设置。显示存储在PLC内存中的太阳跟踪系统的设置，如前向和反向运动极限、光线暗度极限、前向和反向停止极限以及对这些参数设置可直接进行修改。

　　本研究基于欧姆龙PLC，采用光敏电阻比较法，构建了自动跟踪系统模型，使太阳能电池板自动保持与太阳光垂直。太阳能电池板自动跟踪太阳光并网发电系统的研究，有效地提高了太阳能的利用率和光伏发电系统的效率，增加了全年的发电功率输出，从整体上降低了光伏并网发电的成本，符合构建环保型和节能型社会发展的要求，具有很高的经济效益，并能产生良好的社会影响，具有理论研究意义和应用推广前景。基于PLC的太阳能电池板跟踪系统可用于独立的太阳能光伏发电，也能应用于串/并联的并网光伏发电系统的现场总线控制，具有良好的应用前景。