基于PLC的碟式太陽能跟蹤控制系統(tǒng)設計

劉賢群，蔣逢靈

（湖南科技大學 機電工程學院，湖南 湘潭 411201）

如何提高太陽能的利用率一直是國內(nèi)外學者的研究熱點[1-5]。太陽能跟蹤系統(tǒng)使集熱器裝置始終保持與太陽光垂直，就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能，精確地跟蹤太陽，可以大大提高集熱器的接收率，進而提高太陽能的利用率。

目前，太陽能跟蹤方法有光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤兩大類[6-8]。參考文獻[9]提出了基于PLC的單軸跟蹤系統(tǒng)，采用光敏電阻光強比較法，利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理來控制電機的轉(zhuǎn)動，從而帶動集熱器跟蹤太陽，但該跟蹤方法受天氣影響大，無法在陰雨天氣正常工作，而且該跟蹤系統(tǒng)采用單軸跟蹤，只能在一個方位上對太陽進行跟蹤。參考文獻[10]介紹了基于二維太陽跟蹤裝置的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用視日運動軌跡跟蹤方法計算出太陽高度角和方位角，進而通過PC機控制步進電機，從而帶動集熱器實現(xiàn)對太陽的跟蹤。該方法成本低，但是采用視日運動軌跡跟蹤存在累計誤差，而且自身不能消除。

此外，以上光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤中沒有設計時間顯示調(diào)整模塊，無法顯示實時時間和對時間進行調(diào)整。

鑒于此，本文提出了一種基于PLC的碟式太陽能熱發(fā)電的跟蹤控制系統(tǒng)的設計方案——混合跟蹤方法，當太陽輻射光線達到一定閾值時，首先通過視日運動軌跡跟蹤，然后采用光電傳感器跟蹤校正，同時本系統(tǒng)中還設計了時間顯示調(diào)整模塊，能夠顯示實時時間，同時也可以對時間進行實時調(diào)整，并設計了伺服驅(qū)動器及電機與PLC的連接電路。

1 跟蹤系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

跟蹤控制系統(tǒng)由傳感器、可編程控制器（PLC）、數(shù)碼管顯示器、雙軸跟蹤裝置組成。

其中雙軸跟蹤裝置包括方位角調(diào)節(jié)機構(gòu)和高度角調(diào)節(jié)機構(gòu)。方位角調(diào)節(jié)機構(gòu)主要由電機、行星減速器、一級蝸輪蝸桿、回轉(zhuǎn)軸承組成；高度角調(diào)節(jié)機構(gòu)主要由電機、行星減速器、螺旋升降機組成。當系統(tǒng)啟動后，由控制器控制電機轉(zhuǎn)動，通過減速裝置從而驅(qū)動集熱器跟蹤太陽，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角兩方位的跟蹤。跟蹤系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 跟蹤系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1.2 視日運動控制模塊

視日運動控制模塊是根據(jù)太陽運行的軌跡計算某一時刻的太陽高度角和方位角，編寫相關的計算程序，實現(xiàn)對日的初步跟蹤。太陽的運行軌跡其實就是計算在地球某一點上觀看空中的太陽相對地球的位置，此時，太陽相對地球的位置是相對于地面而言的，用高度角和方位角兩個坐標表示。

1.2.1 太陽的赤緯角

太陽光線與地球赤道面的交角就是太陽的赤緯角，以δ表示。在一年當中，太陽赤緯角每天都在變化，但不超過±23°27′的范圍。 夏天最大變化到夏至日的+23°27′；冬天最小變化到冬至日的-23°27′。太陽赤緯隨季節(jié)變化，按照庫伯方程，由式（1）計算：

式中，n為一年中的天數(shù)。

1.2.2 太陽高度角

太陽高度角是指從太陽中心直射到當?shù)氐墓饩€與當?shù)厮矫娴膴A角，以h表示，其值在 0°～90°之間變化，日出日落為 0°，太陽在正天頂時為90°。計算太陽高度角的表達式為：

式中，φ為地理緯度；δ為太陽的赤緯角；ω為太陽時角：以當?shù)卣嫣枙r正午為 0°，每隔一小時變化 15°，上午為正，下午為負。

1.2.3 太陽方位角

太陽方位角是指太陽光線在地平面上的投影與正南方的夾角，以 γ表示。方位角以正南方向為 0°，由南向東為負，由南向西為正。太陽方位角按下式計算：

1.3 光電傳感器跟蹤模塊

本系統(tǒng)采用4個光敏電阻作為傳感器來檢測天空光線的變化，跟蹤太陽的位置，進行誤差校正。4個完全相同的光敏電阻置于一個高壁圓筒內(nèi)，均勻分布在東南西北4個方位處，接收來自不同角度的入射光。當東西方位或南北方位的兩個光敏電阻感受到的光強差值小于某個限定值時，PLC不發(fā)出讓電機動作的信號；當光強差值超過一定范圍時，PLC發(fā)出信號控制電機轉(zhuǎn)動。如圖2所示。其中CDS1和CDS2兩個光敏電阻用于檢測東西方向光線變化，調(diào)整太陽能集熱器東西方向角，即方位角；CDS3和CDS4兩個光敏電阻則用于調(diào)整太陽能集熱器南北方向角，即高度角。采樣不同位置光敏電阻上的模擬信號，經(jīng)過運放及相應保護電路，然后通過A／D轉(zhuǎn)換之后將信號輸送到PLC進行數(shù)據(jù)比較程序，最終從PLC發(fā)出相應信號驅(qū)動電機動作。PLC采樣輸入端口選擇 X4、X5、X6、X7端口。 圖 3 為采樣光敏電阻CDS1電壓、進入PLC端口X4的采樣電路，其他三路原理相同。

圖2 光敏電阻傳感器

1.4 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼顯示調(diào)整模塊主要用于顯示PLC采集到的時間，以方便對時間進行調(diào)整。由于PLC的I/O口有限，采用直接驅(qū)動方式占用大量I/O口，因此本文采用CD4543BCD鎖存/七段譯碼/驅(qū)動器。通過譯碼來驅(qū)動4位數(shù)碼管的顯示，PLC通過 Y10～Y3輸出 BCD碼，將BCD碼送到七段譯碼鎖存器（CD4543）進行譯碼后再送到數(shù)碼管上顯示。而4位數(shù)碼管的接通分別由Y14～Y17來控制。由于計算程序所需采集的時間有年、月、日、時、分、秒，若一次全部顯示則需要12位LED數(shù)碼管，超出CD4543驅(qū)動能力，因此，本文的設計中只顯示時和分。圖4是數(shù)碼管顯示電路與PLC外部接線圖。

由于本系統(tǒng)中需要對時間進行調(diào)整，設計了按鍵電路，設置了 2個按鍵 S1、S2。S1用來調(diào)整時，調(diào)整范圍是0～23，每按一次鍵時加 1，可以在 0～23之間循環(huán)調(diào)整。S2用來調(diào)整分，調(diào)整范圍是 0～59，每按一次鍵時加 1，可以在0～59之間循環(huán)調(diào)整。

1.5 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)主要包括伺服驅(qū)動器、伺服電機和雙軸跟蹤裝置，其中雙軸跟蹤裝置有高度角運動裝置和方位角運動裝置。伺服驅(qū)動器接收控制器的輸出脈沖，根據(jù)輸出脈沖的個數(shù)和脈沖頻率來決定伺服電機應轉(zhuǎn)動的角度以及伺服電機的轉(zhuǎn)速，從而通過電機來驅(qū)動雙軸跟蹤裝置調(diào)節(jié)太陽能聚光器在方位角方向的偏差和高度角方向的偏差，使太陽能聚光器始終與太陽光線垂直。圖5為伺服驅(qū)動器及電機與PLC的連接電路示意圖。

圖5 伺服驅(qū)動器及電機與PLC的連接示意圖

2 跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的控制作用主要由控制器PLC來完成，主要完成兩個任務：（1）計算太陽的運行軌跡，求出太陽的角度差，發(fā)出初步調(diào)整信號；（2）處理傳感器偏差信號，發(fā)出誤差校正信號。其主程序流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)在剛啟動時，跟蹤裝置處于跟蹤的起始位置，當系統(tǒng)開機啟動、程序初始化設備和相關參數(shù)后，首先是讀取時間，如果在日出前或日落后，則系統(tǒng)等一段時間后再讀取時間，當讀取的時間在日出和日落之間，系統(tǒng)通過輻射表采集輻射強度，以判斷是否陰天、有云或其他遮蓋，如果采集到的輻射小于系統(tǒng)設定的閾值，則系統(tǒng)等待一定時間后再繼續(xù)采集；當采集到的輻射大于系統(tǒng)的設定閾值，則系統(tǒng)通過讀取的時間和當?shù)氐牡乩韰?shù)計算太陽的高度角和方位角，并將計算的結(jié)果與前一次的計算結(jié)果相減，得到角度差，然后根據(jù)角度差計算出PLC需要發(fā)出的脈沖數(shù)，再送給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而帶動執(zhí)行機構(gòu)動作，完成初步跟蹤。

圖6 主程序流程圖

在本系統(tǒng)中，設定PLC每發(fā)出1個脈沖伺服電機轉(zhuǎn)0.9°，在方位角方向上的減速箱的傳動比為 1：93 600，高度角方向上的減速箱傳動比為1：512。則當太陽方位角和高度角變化0.9°時，PLC向兩臺伺服電機發(fā)出的脈沖數(shù)分別為93 600個和512個。角度差的正負決定電機正反轉(zhuǎn)。當系統(tǒng)完成初步跟蹤后，自動進入傳感器跟蹤校正誤差，如果有偏差信號輸出，計算出相應伺服電機所需轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)，然后分別送給兩臺伺服電機，進行進一步跟蹤，校正誤差?？紤]到角度變化的精度影響和電機反應速度，延遲5 min后再讀取時間，進行下一個周期的跟蹤。

本文基于PLC控制理論，提出了一種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的混合跟蹤方法，結(jié)合了光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤的優(yōu)點，對太陽能跟蹤系統(tǒng)的軟硬件進行了設計，可以實現(xiàn)太陽能跟蹤裝置的全天候?qū)θ崭?，在硬件系統(tǒng)的設計中增加了時間顯示調(diào)整模塊，能對時間進行實時顯示和調(diào)整。

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