太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)改進(jìn)探究

趙啟純

(深圳市富通宇(通恒)科技有限公司，廣東 深圳 518109)

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太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)改進(jìn)探究

趙啟純

(深圳市富通宇(通恒)科技有限公司，廣東 深圳 518109)

摘要:文章提出了太陽能電池板跟蹤控制的有效方法，該方法可手動和自動切換，靈活地進(jìn)行急停控制，操作簡單、制作成本低，論述了太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)原理、設(shè)計改進(jìn)要求、硬件設(shè)計及軟件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：太陽能電池板；跟蹤控制；步進(jìn)電機

1　太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)原理

在實際研究過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)在相同地點的太陽光線是變化的，即一年四季光線的入射角不一樣。因此，工作中可以對太陽能電站的安裝位置進(jìn)行查詢，了解該位置一年所吸收的熱量，以及在每個時間段內(nèi)的熱量情況。通過分析計算出太陽光照射的重點位置、時間，以及太陽電池板起始工作時間。太陽能電池跟蹤系統(tǒng)利用雙軸跟蹤法能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的跟蹤。太陽能電池板的啟動時間是根據(jù)正午太陽最大高度角和太陽移動速度算出來的，比較準(zhǔn)確。高度角指太陽光線和地平面產(chǎn)生的夾角。方位角指的是太陽光線的投影在南北向之間形成的夾角，根據(jù)公式計算這些夾角，從而準(zhǔn)確地確定其位置。在這里會涉及到緯度、赤緯角、時角等，根據(jù)公式可以確定出太陽之高度角和方位角，其受到赤緯角和時角控制，而且這個控制是唯一的。當(dāng)緯度一定時，通過確定時角和方位角從而得出高度角和方位角。根據(jù)所計算的對象，需要將太陽能板的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行調(diào)整，將其調(diào)整接至與地軸平行，這樣就可以在安裝角位置確定當(dāng)?shù)氐木暥?。?dāng)安裝角度發(fā)生改變時，可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥燃右源_定。從以上的分析可知，俯仰角能夠周期性機械調(diào)節(jié)，在實際運轉(zhuǎn)過程中能夠把原來的二維運動轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S。采用這種方式之后能有效簡化系統(tǒng)地結(jié)構(gòu)，降低整個系統(tǒng)的制作難度和運營成本。

2　太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計

2.1　設(shè)計要求

跟蹤速度保持在5°/20 min，返回的速度是10°/20 min，這是第一個設(shè)計要求。跟蹤的速度要準(zhǔn)確，才能與觀測對象運行速度一致。該系統(tǒng)具備手動、自動調(diào)節(jié)切換功能，可以使太陽能電池板自動旋轉(zhuǎn)和手動旋轉(zhuǎn)。起點和終點的位置安裝同限位形成緊密聯(lián)系，在實際工作過程中科學(xué)合理地設(shè)置這兩點的位置才能夠保證太陽能電池板旋轉(zhuǎn)方向準(zhǔn)確，滿足機架限位位置需求。PLC系統(tǒng)有掉電記憶儲存功能，可以記錄一天的旋轉(zhuǎn)跟蹤位置，更好地確定計算周期和時間。如果在一天內(nèi)出現(xiàn)掉電現(xiàn)象能夠有效恢復(fù)。實際工作過程中通過觀察掉電跟蹤記錄就能夠自動跟蹤實際位置，確定這個位置之后便可以再進(jìn)一步確定出準(zhǔn)確的方位角。控制系統(tǒng)工作過程中電源指示燈、旋轉(zhuǎn)方向指示燈以及急停按鈕是最容易出現(xiàn)故障的，需注意維護(hù)，其一旦出現(xiàn)故障就會影響系統(tǒng)正常運行，影響觀察準(zhǔn)確率。按照設(shè)計要求，太陽能電池板晚上12點要能自動返回到起始位置，以滿足實際需求。

2.2　硬件設(shè)計

跟蹤系統(tǒng)由控制器、跟蹤機構(gòu)以及步進(jìn)電機組成，結(jié)構(gòu)簡單，關(guān)聯(lián)性比較強。在系統(tǒng)中PLC控制步進(jìn)電機驅(qū)動器，能有效地驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，達(dá)到對太陽軌跡及時跟蹤的目的，最大限度地使用太陽能。在這些控制設(shè)備中通常選用歐姆龍CP1L—M60DR—A型控制器。因為太陽跟蹤系統(tǒng)屬于小型控制系統(tǒng)，CP1L系統(tǒng)可以根據(jù)小系統(tǒng)運行加以控制，不斷優(yōu)化PLC系統(tǒng)，且成本控制效果明顯。CP1L系統(tǒng)具備的優(yōu)勢：

(1)最大160點I/O擴展能力，能夠保障系統(tǒng)快速運行。

(2)系統(tǒng)最大程序容量為10 Byte起步，當(dāng)該系統(tǒng)被投入使用時，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)容量32 kByte需求。

(3)高速計數(shù)相位差方式表示為50 kHz×2軸，單相的表示為100 kHz×4軸，能夠滿足最大2個串行通訊接口需求，可以任意選擇。

在硬件設(shè)計的過程中為了保證效果可以采取混合式步進(jìn)電機驅(qū)動器?；旌鲜讲竭M(jìn)電機驅(qū)動器利用PWM來驅(qū)動。該驅(qū)動電機本身有0.5～2 A的相電流，細(xì)分?jǐn)?shù)是2、4、8、16、32以及64這六檔。6檔設(shè)置能夠滿足實際驅(qū)動要求。步進(jìn)電機本身是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)，在實際工作過程中能夠把電脈沖信號轉(zhuǎn)化成角位移。步進(jìn)電機按照結(jié)構(gòu)的不同可以分成反應(yīng)式、永磁式以及混合式三種形式。混合式就是將前面提到的兩種結(jié)構(gòu)混合成一種結(jié)構(gòu)。正是因為這樣，混合式結(jié)構(gòu)具備了前兩者系統(tǒng)的優(yōu)勢。在實際設(shè)計過程中需要對混合式步進(jìn)電機進(jìn)行細(xì)分，其主要目的是要改變步進(jìn)電機工作旋轉(zhuǎn)位移，有效提升分辨率、減少震動。硬件設(shè)計要求較高，為了滿足實際性能，跟蹤器需要保持一定轉(zhuǎn)矩。通常情況下由于電機轉(zhuǎn)速要求不高，在應(yīng)用過程中需添置減速器來保證電機轉(zhuǎn)矩，從而有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3　軟件設(shè)計

軟件在系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。軟件質(zhì)量決定著系統(tǒng)的整體應(yīng)用效果，高質(zhì)量軟件能保障系統(tǒng)正常運行。軟件可以選擇語句表或者是梯形圖進(jìn)行編程。在程序中有大量數(shù)據(jù)需要上傳和下載，在使用這些數(shù)據(jù)時需要做好設(shè)置，一般在PLC位置設(shè)定對應(yīng)區(qū)。系統(tǒng)運行時其中的內(nèi)存數(shù)據(jù)會被監(jiān)控和測試，打印程序清單時，還需要做好文檔保存管理工作。程序中還有定時啟動、定時復(fù)位及手動功能。根據(jù)PLC內(nèi)部時鐘運行選擇相應(yīng)的啟動跟蹤程序。定時啟動和定時復(fù)位選擇查表法，依據(jù)氣象臺數(shù)據(jù)顯示得知。根據(jù)一年之中太陽所處的角度數(shù)據(jù)得出每一天中的日出時間、日落時間等，再將其放在十六進(jìn)制中進(jìn)行處理，保存在PLC內(nèi)存中，以更好地保障復(fù)位時間和電機啟動控制。使用查表法，可以根據(jù)每天時間設(shè)定要求，進(jìn)行復(fù)位和啟動，既避免出現(xiàn)以往的問題，又控制了誤差，方法簡單，控制方便。例如：在整個系統(tǒng)控制流程圖中，某天的啟動開關(guān)等待核對時間是2月1日7點34分，這個是啟動時間，啟動之后出現(xiàn)了斷電故障，在進(jìn)行發(fā)送脈沖個數(shù)需求時需要對太陽能電池板進(jìn)行修復(fù)，然后根據(jù)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

3　結(jié)束語

本文提出了太陽能電池板跟蹤控制的有效方法，從而提升電池板發(fā)電功率，太陽能電板定時啟動選用查表法實現(xiàn)。該方法可以手動和自動切換，靈活地進(jìn)行急?？刂?，操作簡單，制作成本低，使用價值高。

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運營探討

Research on Improvement of Tracking Control System for Solar Cell

ZHAO Qi-chun

(Shenzhen Futongyu (Tongheng) Technology Co., Ltd., Shenzhen 518109, China)

Abstract:An effective method for tracking and controlling solar cell is proposed in this article, which combines manual and automatic switch and can conduct flexible emergency stop. The method is simple and with low costs. Operating principle, improvement considerations, hardware design and software design of the tracking control system for solar cell are discussed in this article.

Key words:solar cell; tracking control; step motor

中圖分類號：TM912

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0119-02

作者簡介：趙啟純(1965-)， 四川西充人，碩士，高級技師，2010年參加中國科學(xué)院研究生院工程碩士研究生學(xué)習(xí)， 現(xiàn)已獲得香港理工大學(xué)軟件科技理學(xué)碩士，研究方向： 電源與電子技術(shù)、自動化控制及人工智能技術(shù)。

收稿日期：2014-12-11