欧姆龙工业自动化 (中国) 有限公司

   

    舒志兵 （1965-）

    男，南京工业大学自动化学院运动控制研究所所长，现任中国人工智能学会智能检测与运动控制专业委员会秘书长。长期从事测控技术、运动控制、传感器技术、电力电子技术及电气控制系统研究，主要研究方向为机器人、非线性多变量控制、变频调速、交直流传动、伺服运动控制、DSP技术、现场总线、数控系统及其机电一体化系统等。

    摘  要：太阳能是一种具有开发潜能的能源，但目前太阳能的利用率不高，理论分析证明，采用跟踪技术可以提高37.7%的能量接收率。本文提出了基于可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)的太阳能跟踪系统，使光伏模块能实时跟踪太阳光照，从而获得最大的太阳能。太阳能跟踪系统构建了由光敏元件检测和比较, 方位角和高度角双轴机械跟踪定位系统组成的自动控制装置。

    关键词：太阳能；跟踪系统；PLC

    Abstract: Solar energy is a king of energy with great development potential, but current solar utilization is not efficient. Proved by theory analysis, that adopting the solar tracking technology can increase 37.7% by the rate of the energy receiving. The sun—tracking system based on PLC was studied. The photo—voltaic module in the system can track the sun simultaneously, then the maximum sun energy can be obtained .The sun tracking system structures it by photodiode measuring and comparative law , azimuth and vertical corner double axle machinery follow the automatic control device.

    Key words: Solar energy; tracking system; PLC

    1 引言

    随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清洁能源，无疑受到各国的普遍重视。如何提高太阳能的利用效率成为研究热点，太阳跟踪是提高利用率的一种途径。

    太阳能聚光伺服跟踪光伏发电，其单机发电能力为0.3~1.5kW，将单机组成阵列可构成大功率的发电系统。采用聚光太阳电池的好处是光电转换效率高，并且价格低（聚光太阳电池转换效率为18%～30%，比普通太阳电池高的多，1cm2 的聚光电池在标准光强下聚光度为400～600倍聚光后，输出功率达6~10W 以上，而同等面积的平板式太阳电池输出功率仅12~14MW）。

    普通平板式太阳电池的造价为45~65元/W，而聚光太阳电池的造价要低得多，并且同功率的精确跟踪光伏发电系统比固定的光伏发电系统每天多发电50%。由于聚光电池的受光面只有同功率的普通光电池的几百分之一，因此可以大大节约单晶硅的用量，即同面积的单晶硅片若制成聚光电池，发电量将提高数百倍。

    香港大学建筑系的KPcheung和scMHui教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，相关理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的热接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。

    本文提出一种新型的基于PLC的太阳光自动跟踪系统设计方案，该双轴系统在自东向西追踪太阳的同时，使太阳能板倾斜从而跟踪太阳的高度变化。它不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向，结构简单、成本低，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。

    2 太阳能聚光伺服跟踪系统设计

    2.1 自动跟踪装置总体结构

    太阳能聚光发电伺服跟踪系统采用两轴联动编程控制实现，上位机采用PC或者PLC控制运动控制器从而控制两个变速电机和相应的执行机构，这些执行机构使得系统能够跟踪太阳的轨迹。从而使系统能够在一天中，始终以最佳的倾角和方向对准太阳，进而最大限度地利用太阳能。

    实现X-Y二维聚光发电伺服跟踪系统控制硬件结构基本配置如下：上位机采用PC或者PLC、运动控制器、PMSM及其驱动器。
PC机或PLC与运动控制器之间的通讯由运动控制器内部做PID等相应的信号处理和运算后，给伺服驱动器发出一定频率的脉冲和方向指令，伺服驱动器输出三相交变的交流电流，产生马达力矩使马达运转。位置伺服控制的硬件组成结构图如图1所示。

                          

                       图1   位置伺服控制硬件结构图

    2.2 控制系统核心部件PLC

     可编程逻辑控制器PLC是太阳能跟踪系统的核心部件，系统采用结构紧凑、配置灵活和指令集强大的欧姆龙公司可编程PLC；用户程序包括位逻辑计数器、定时器等复杂的数学运算以及与其他智能模块进行通讯等指令内容，从而使能够监视输入状态，改变输出状态，以达到控制的目的。另外，选用CJ2不仅能用于独立的太阳能设备跟踪系统控制，特别是对于串、并联的大型光伏太阳能阵列的跟踪系统控制，能发挥PLC现场总线的控制优势进行集中控制。图2所示为PLC输入/输出硬件配置。

                     
                       图2   PLC输入/输出硬件配置

    2.3 光电检测模块

    光电检测模块主要由一个四象限光敏二极管探测器组成。四象限光敏二极管CU301是在同一芯片上制成4个二极管单片(它们之间有十字沟槽间隔)。单元的性能参数基本相同，一致性较好。4个二极管单元相当于直角坐标系中的4个象限，每个象限的二极管有自己的输出。当照射在4个象限光敏二极管上的光斑图像位于十字形划线的中心时，代表4个象限的光敏二极管各自的输出相等，经过运算放大器对信号处理后，输出为零。当光斑产生相对于十字形划线的任何位移时，都会使4个象限光敏二极管的输出随之变化，运算放大器的输出也随之产生相对位移方向上的正负变化，从而可以确定物体在二维方向上的位移。

    为减小环境光的干扰和提高检测单元的敏感度，4象限光敏二极管探测器可以放置在一个长方形桶状内，采用透光性比较好的材料给长方形的桶做一个盖子，以防止由于遮光或覆盖灰尘而发出错误信号。其中VD1、VD2正极分别接在CU301的“2”、“3”端，VD3、VD4正极分别接在CU301的“1”、“4”端。这样X轴、Y轴的输出信号即可显示出光斑是否在中心位置，当控制器检测到光斑在中心位置上时即发出中断信号。

    2.4 控制系统硬件电路的设计

     根据传感器工作原理分析，控制系统需要实现一下几个功能：

    （1）电机控制：M1电动机的控制（方位角方向的控制），M2电动机的控制（高度角方向的控制）。

    （2）开关输入量：手动开关输入量，接近开关输入量。

    （3）指示灯控制：为了方便观察实验过程，需配置一些调试指示灯。

    PLC嵌入在系统控制两电机的执行机构和相应的驱动器，相反地驱动器也引导跟踪器追随着太阳的轨迹从升起至落下。在一天的整个过程中，跟踪器获得最优的倾斜角和方位角，电池板接收到最大太阳日辐射量。

    利用逆变器能够将光伏电池产生的直流电转变为交流电，进而直接输送到电网上。在白天有日照的情况下，光伏电池会将大部分的能量输送到电网上，而到了晚上光伏电池装置会自动与电网断开。

    控制系统的实现取决于两方面：（1）电气控制部分和驱动部分。（2）传感器和检错系统。对于电气控制部分和驱动部分，我们选择相对领域有优势厂商的部件，尤其考虑到运行温度范围和环境。运行温度范围是-25度~55度。

    对于检错系统，传感器被用于检测方位角，系统包含控制程序的检错方法，比如检测风速。作为一个选择，我们建立了传感器系统直接实时监测跟踪器的运行状态，包括获得方位角和垂直角。反馈到驱动部分，闭环就形成了。它不同于其它跟踪器。跟踪器的运行状态可传送给监测台。不仅监测还可远程控制达到稳定。

    在系统的扩展和配置设计中，应遵循以下原则：

    （1）尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下基础。

    （2）系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

    （3）硬件结构应结合应用软件方案一起考虑。

    （4）系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。

    3 系统软件设计

    跟踪模式的判断过程完全由软件实现，灵活度很高，可以针对不同的地区和不同的气候进行调整，尽量提高光伏电站的发电效率。电池参数由电压传感器采集。还可以根据需要，增加温度传感器、光强传感器、风力传感器等多种传感装置。图3为主程序框图。

                       
 
                                图3   主程序框图

                     

                                  图4   子程序框图

    监控PLC输入与输出子程序是将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监控程序能直接从内存区域随时读取输入和输出状态。图4为子程序框图。

    太阳能电池板有两个自由度，控制机构将分别对X、Y 两方向进行调整。当电池板转到尽头时，采样电压不再变化，据此，程序将自动反转电池板，以保护电机不受损害。

     采样数据存储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，每隔1h读取1次光敏电阻的值。

    数据采集在白天进行。晚上停止。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。

    4 结论

    本文介绍了太阳自动跟踪系统能自动检测昼夜，并应用了太阳辐射与环境亮度的比较，使得该自动跟踪系统的准确性高、可靠性强。即使是在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常工作，提高太阳能的利用效率。如果应用于太阳能电池板，则可从电池板直接获取电能，而无需另外输入能量。

    参考文献：

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                                                              ——转自《自动化博览》