基于PLC的太陽能光伏聚光發(fā)電隨動系統(tǒng)的研究

鄭曉斌， 沈培輝

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機械工程系，福建 福州 350007)

0 引言

隨著世界能源消耗的不斷增加，天然氣、石油、煤等傳統(tǒng)不可再生能源日益枯竭，開發(fā)新能源是全世界正共同面臨的課題.太陽能光伏聚光發(fā)電具有資源豐富、無污染等獨特的優(yōu)勢，是可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源技術(shù)之一，得到了廣泛的應(yīng)用[1].因此，如何實現(xiàn)對太陽的精確定位與追蹤，最大限度地提升發(fā)電效率，成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點[2].

1 自動追蹤策略

太陽光自動追蹤系統(tǒng)通?？煞譃閭鞲衅骺刂坪统绦蚩刂苾煞N.傳感器追蹤為被動追蹤，是利用光電傳感器檢測太陽光是否偏離電池板法線，當(dāng)太陽光偏離電池板法線時，傳感器發(fā)出偏差信號，經(jīng)放大、運算后控制執(zhí)行機構(gòu)，使追蹤裝置重新對準太陽光.這種追蹤方式的優(yōu)點是靈敏度高；缺點是受天氣影響大.尤其在多云或陰天時無法對準太陽，以及樓宇窗戶的反光干擾而引起執(zhí)行機構(gòu)的誤動作，同時也經(jīng)常會在穩(wěn)定點附近來回振蕩運行，造成不必要的能量耗損.程序控制方法是根據(jù)太陽的實際運行軌跡，計算出太陽在一天中的位置，并通過電機驅(qū)動裝置運動到目標(biāo)位置.該方法可克服傳感器控制的缺點，但精度不高自身存在累積誤差[3].

由于太陽光線的入射角是隨著季節(jié)和日照時間的不同而時刻變化的，因此本系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)采用二維極軸追蹤，實現(xiàn)高度角-方位角的全程式追蹤；自動追蹤策略采用的是程序與傳感器混合控制的方法.首先進行粗追蹤，通過計算太陽的位置，分別驅(qū)動高度角軸電機與方位角軸電機運動.在整個粗追蹤過程中傳感器不斷檢測光線強度是否達到傳感器追蹤閾值；若滿足則追蹤裝置進入傳感器精確追蹤；否則仍處于粗追蹤狀態(tài).

若晴天出現(xiàn)短時間云遮，追蹤裝置根據(jù)粗追蹤程序計算結(jié)果運行，云過后且檢測光線強度達到閾值后，再利用傳感器精確追蹤.在陰雨或者大風(fēng)天氣，可直接發(fā)出停止追蹤命令，太陽能電池板自動運行到復(fù)位狀態(tài).這種控制方法結(jié)合了程序控制與傳感器控制的優(yōu)點：粗定位由程序控制，不存在追蹤死區(qū)，追蹤范圍廣；精確追蹤采用傳感器檢測，無累積誤差，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地對光線進行精確追蹤，從而提高了太陽能裝置的效率[4].

2 太陽光自動追蹤系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

太陽光自動追蹤系統(tǒng)控制系統(tǒng)由三菱FX2N-24MT系列PLC主機模塊、FX2N-4AD模塊、光強智能傳感器模塊、風(fēng)力檢測傳感器模塊、觸摸屏人機界面顯示模塊以及電機拖動模塊等組成.本文只對其中的自動追蹤模式進行了重點研究，其整體控制系統(tǒng)框圖如圖1所示.

2.2 光強智能傳感器硬件設(shè)計

本追蹤系統(tǒng)由粗追蹤和精確追蹤兩種模式構(gòu)成.在正常工作情況下時(晴天、無雨、風(fēng)速小于13 m/s2)，先進行粗追蹤階段，其依據(jù)程序控制算法方法進行調(diào)節(jié).只有先完成粗追蹤階段后，系統(tǒng)才會自動進入精確追蹤階段.

圖1 太陽光自動追蹤系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖

光強智能傳感器模塊主要由四塊完全相同的小尺寸單晶硅太陽能電池板與矩形柱按照一定的角度連接成“人”字型，在矩形柱的頂端安裝有光線雨量傳感器，光強智能傳感器模塊外形圖如圖2所示.該裝置主要起光敏器件的作用，判斷太陽光線追蹤傳感器模塊的法線是否正對太陽[5].太陽光垂直照射傳感器模塊時,東西兩個方向上的電池板得到的太陽光的能流密度完全相等,產(chǎn)生的光電流大小相等,此時控制它們方位角的電動機不工作.若太陽光入射角與傳感器模塊非垂直時，兩塊電池板就會產(chǎn)生光電流強度差,利用這一信號驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動,直到兩塊電池板產(chǎn)生的光電流強度差為最小允許閥值為止，此時傳感器模塊的法線指向太陽.

圖2 光強智能傳感器模塊外形圖

2.3 電機拖動模塊設(shè)計

太陽能電池板有兩個自由度，控制機構(gòu)對高度角和方位角兩個方向進行調(diào)整 當(dāng)電池板轉(zhuǎn)到盡頭時，由于跟蹤裝置裝了限位傳感器，到限位觸點時自動切斷輸出，電機停止工作.電機拖動模塊采用的是步距角為1.8度的二相/四相混合步進電機，并配置合適的蝸輪蝸桿減速機，由于蝸桿軸向力較大，機構(gòu)具有自鎖性，可實現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能由蝸輪帶動蝸桿，因此在大風(fēng)工況下時，太陽能電池板不會反向拖動步進電機.

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

自動追蹤控制器采用三菱系列的可編程邏輯控制器FX2N-24MT，其可采用梯形圖、步進指令以及應(yīng)用指令進行軟件編程設(shè)計.系統(tǒng)軟件包括有追蹤系統(tǒng)主程序、粗追蹤子程序、精確追蹤子程序等.

3.1 追蹤系統(tǒng)主程序

主程序主要功能是初始化太陽能追蹤系統(tǒng)各相關(guān)功能模塊，定時巡回檢測各個傳感器模塊信號，判斷當(dāng)前太陽能電池板的工作狀況，進而驅(qū)動步進電機拖動太陽能電池板到最佳工作位置，其主程序流程圖如圖3所示.

圖3 太陽光自動追蹤系統(tǒng)主程序流程圖

自動追蹤控制器系統(tǒng)通過PLC內(nèi)部時鐘(D8013～D8018寄存器的值)，自動判斷時間，在夜間時太陽能電池板停留在垂直位置，保證電池板上的凝結(jié)水可以流下；通過光強智能傳感器模塊頂部的光線雨量傳感器進行判斷如果是陰雨天時，電池板將固定指向正南方向仰角150度，從而減少系統(tǒng)不必要的驅(qū)動和能量損耗.

通過光線雨量傳感器、風(fēng)力傳感器等裝置對惡劣天氣進行判斷,當(dāng)遇到雨天或者風(fēng)速過大時，自動追蹤控制器系統(tǒng)將停止工作，電池板保持前一次的方位角與高度角不變.通過程序控制自動判斷系統(tǒng)是否滿足運行條件(亮度、風(fēng)力、雨量三要素)，若滿足相關(guān)要求，系統(tǒng)才會自動繼續(xù)工作.

3.2 粗追蹤功能的實現(xiàn)

粗追蹤子程序的設(shè)計要以太陽模型為依據(jù).地球繞太陽公轉(zhuǎn)的橢圓形軌道，近日點是1月3日，遠日點是7月4日.根據(jù)天體運動學(xué)，可通過以下公式計算得到太陽的理論位置.

高度角α：太陽光線與地平面的夾角

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(1)

方位角γ：太陽光線在地平面的投影與南北方向線之間的夾角

γ=cosδcosω/cosα

(2)

式(1)、(2)中：φ為當(dāng)?shù)氐木暥冉牵臑槌嗑暯?，ω為時角.

也就是說，在任意時刻太陽對于地球上的任意一點都是在水平和垂直兩個方向上運動的，其位置由當(dāng)?shù)鼐暥冉铅?、赤緯角δ以及時角ω三個參數(shù)確定.

緯度角φ：指某點與地球球心的連線和地球赤道面所成的線面角，由地理位置唯一確定.

赤緯角δ：太陽光線與地球赤道面的夾角，僅與日期有關(guān)，第n天的赤緯角可表示為：

δ=23.45sin[360×(284+n)/365]

(3)

時角ω：可近似通過時間來獲得，其誤差可忽略.

ω=15(12-t)

(4)

通過以上公式的計算分析，可以發(fā)現(xiàn)每半個月中太陽運行時間僅相差幾分種(即赤緯角δ值變化較小).因此可將近日點日期為起點，遠日點日期為終點，把全年時間分成24個段，再以每一段時間里中間那一天為標(biāo)準作為這一段時間的太陽跟蹤參數(shù)[6].例如，自動追蹤控制器系統(tǒng)白天正常工況15 h，系統(tǒng)每15 min調(diào)整一次位置，這樣就只需要PLC占用24×15×4×2=2 880個內(nèi)部寄存器，該算法需事先根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥戎?，并完成相關(guān)的數(shù)學(xué)公式的運算，將得到的數(shù)據(jù)存入內(nèi)部寄存器中，自動追蹤控制器系統(tǒng)只需根據(jù)PLC提供的內(nèi)部日期和時間，讀取寄存器中數(shù)據(jù)，從而調(diào)整太陽能電池板的角度，粗追蹤子程序?qū)崿F(xiàn)如圖4所示.

圖4 粗追蹤子程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

3.3 精確追蹤功能的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)太陽能電池板精確追蹤即輸出大功率點跟蹤的功能，本系統(tǒng)采用導(dǎo)納增量法(IncCond)進行MPPT追蹤算法[7,8].如圖5光伏電池的P-U曲線所示.

圖5 太陽能電池P-U特性曲線圖

dP/dU可表示為：

(5)

式中：I/U，ΔI/ΔU分別為電導(dǎo)和增量電導(dǎo).

通過判斷I/U+ΔI/ΔU與0的關(guān)系來確定太陽能光伏聚光系統(tǒng)運動的方向.當(dāng)I/U+ΔI/ΔU>0時，增大光伏聚光系統(tǒng)的電壓；當(dāng)I/U+ΔI/ΔU=0時，維持系統(tǒng)不變；當(dāng)I/U+ΔI/ΔU<0時，減少光伏聚光系統(tǒng)的電壓，從而實現(xiàn)MPPT.

在最大功率點處dP/dU=0,通過數(shù)學(xué)推倒可以得出在最大功率點處有下式成立：

(6)

因此只要通過式(6)，就能判斷太陽能光伏聚光系統(tǒng)是否工作在最大功率點.IncCond控制算法不受外界環(huán)境的影響，可以避免系統(tǒng)在MPPT附近振蕩造成能量的浪費，而且當(dāng)光照強度快速變化時也不會發(fā)生誤判現(xiàn)象，能始終實現(xiàn)MPPT，因此應(yīng)用相當(dāng)廣泛[9,10].采用導(dǎo)納增量法(IncCond)進行精確追蹤的流程圖，如圖6所示.

圖6 采用導(dǎo)納增量法(IncCond)進行精確追蹤的流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的太陽光自動追蹤系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用程序控制和傳感器控制相結(jié)合的方法，合理使用粗追蹤和精確追蹤兩種模式，實現(xiàn)對太陽光線的精確追蹤.因為PLC控制器具有較好的穩(wěn)定性，且運算速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)各種條件下大范圍追蹤，并具有以下特點：

(1)粗追蹤采用查表方式實現(xiàn).避免在PLC內(nèi)部進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)三角函數(shù)運算以及浮點運算等；

(2)采用導(dǎo)納增量法實現(xiàn)對光伏聚光系統(tǒng)的輸出最大功率點的精確追蹤，該方式不受外界環(huán)境的影響，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，追蹤精度誤差在1%以內(nèi)；

(3)系統(tǒng)具有良好可擴展性，可以根據(jù)用戶需求增加額功能；任何情況下可以隨時開關(guān)系統(tǒng)，不影響追蹤精確度.

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