基于PLC的太陽能板自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何燕陽

摘 要：太陽能電池板若采用自動(dòng)跟蹤太陽，能大大提高發(fā)電量，降低發(fā)電成本。首先，本文根據(jù)晴天、多云和陰雨三種不同天氣進(jìn)行了追日自動(dòng)跟蹤方案的設(shè)計(jì)，而后根據(jù)系統(tǒng)功能，對(duì)跟蹤控制系統(tǒng)的主要硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。硬件部分包括光強(qiáng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路、太陽方位檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路、PLC控制等模塊；而軟件部分設(shè)計(jì)了太陽能電池板追日自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的主程序、追日自動(dòng)跟蹤子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、光電跟蹤子程序、太陽運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤子程序，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)硬件模塊的功能。

關(guān)鍵詞：太陽能板；自動(dòng)跟蹤；PLC；硬軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A

Design of Automatic Tracking Control System For Solar Panels based On PLC

HE Yanyang

（Quanzhou Institute of Information Engineering. Quanzhou Fujian 362000， China ）

abstract： The use of solar panels to automatically track the sun， can greatly increase the power output and reduce electricity costs. Firstly， Based on the sunny， cloudy and rainy weather has been designed in three different automatic tracking program， then according to the system function， the major hardware and software tracking control system is designed. Hardware includes light intensity detection and switching circuit， solar orientation detection and switching circuit， PLC control modules； and the software part of the design of the main solar panel-tracking automatic tracking system， automatic tracking routine DAY， data collection routines， optical tracking subroutines， sun trajectory tracking routines to achieve the function of each hardware module.

Key words： Solar Panels； Automatic Tracking； PLC；Hardware and Software Design

0引 言

目前，人類最為普遍使用的化石能源即將枯竭，同時(shí)，化石燃料的大量使用又嚴(yán)重污染了人類生存環(huán)境[1]。在現(xiàn)有的可再生清潔能源中，太陽能最具開發(fā)潛力。且我國絕大部分地區(qū)的太陽能資源豐富充足，尤其是西藏、新疆等地區(qū)，平均輻射總量可達(dá)7 000兆焦耳/平方米，年日照時(shí)間超過3 000小時(shí)，太陽能應(yīng)用前景堪稱理想而且廣闊[2-3]。

在利用太陽能的多種途徑中，光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電的主流。光伏發(fā)電就是利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能加以利用。然而太陽能是一種時(shí)空分布不斷變化的低密度能源，若太陽能電池板能自動(dòng)跟蹤太陽，使太陽光基本垂直入射到太陽能板上，將顯著提高太陽能的接收度，進(jìn)而提高光伏發(fā)電效率。如何使太陽能電池板進(jìn)行追日自動(dòng)跟蹤即是本文研究的重點(diǎn)。

1追日自動(dòng)跟蹤方案的設(shè)計(jì)

太陽能的輻射量與天氣有關(guān)，為了提高跟蹤效率，追日自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)要能根據(jù)不同的天氣狀況，采取不同的跟蹤模式。首先通過光照強(qiáng)度和太陽輻射強(qiáng)度波動(dòng)大小來判定天氣狀況。其次，如果天氣晴朗，只進(jìn)行光電跟蹤；如果天氣多云，則以太陽運(yùn)行軌跡跟蹤為主，光電跟蹤微調(diào)；如果陰雨天或者晚上，則不跟蹤。

為了盡可能達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤且考慮跟蹤系統(tǒng)的功耗，系統(tǒng)要每隔一定時(shí)間才執(zhí)行一次自動(dòng)跟蹤程序，另外跟蹤裝置處于室外，還要同時(shí)考慮跟蹤結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。如果風(fēng)速太強(qiáng)，則放平太陽能電池板不再追日，即可減小電池板的受風(fēng)力，從而為跟蹤裝置提供妥善保護(hù)。

2自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)采用高度角-方位角雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)，即控制太陽能電池板的高度角（垂直方向運(yùn)動(dòng)）進(jìn)行0°～90°方向的調(diào)整，以及控制太陽能電池板的方位角（水平方向運(yùn)動(dòng)）進(jìn)行-90°～90°的調(diào)整。調(diào)整后，太陽能電池板與太陽入射光基本垂直，能大大提高電池板的發(fā)電量。

該跟蹤系統(tǒng)的硬件主要由太陽能電池板、光強(qiáng)檢測(cè)及轉(zhuǎn)換電路、太陽方位檢測(cè)及轉(zhuǎn)換電路、風(fēng)速傳感器、EM231模擬量擴(kuò)展模塊、西門子PLC、增量式編碼器、兩個(gè)直流電機(jī)等組成。自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖1所示。

圖1 追日自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)總框圖

Fig.1 General block diagram of DAY automatic tracking control system

由圖1可見，該系統(tǒng)中，太陽能電池板將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，在電池板上安裝光強(qiáng)檢測(cè)傳感器、太陽方位探測(cè)器及其轉(zhuǎn)換放大電路。轉(zhuǎn)換放大后的模擬電壓信號(hào)送給EM231進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，供給PLC讀取，PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算，并判斷是否進(jìn)行追日跟蹤以及采用何種跟蹤模式，進(jìn)而通過驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制太陽能電池板進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（方位角）和俯仰運(yùn)動(dòng)（高度角）。

特別指出的是，在太陽運(yùn)行軌跡跟蹤中，還需記錄太陽能電池板當(dāng)前的位置，因此系統(tǒng)采用兩個(gè)增量式編碼器將太陽能電池板水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)的角度信息以脈沖的形式反饋給PLC。

2.1光強(qiáng)檢測(cè)電路

為了選擇跟蹤模式，需要判定當(dāng)前的天氣狀況。選用硅光電池器件作為光強(qiáng)傳感器，硅光電池中的光生電流信號(hào)IG與太陽光輻射強(qiáng)度成正比，通過集成運(yùn)放A9轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過A10進(jìn)行放大輸出UG。因此，采樣光強(qiáng)檢測(cè)輸出電壓UG，等價(jià)于采集太陽光輻射強(qiáng)度信息，從而判斷天氣狀況。光強(qiáng)轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

（1）

圖2 光強(qiáng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換放大電路

Fig.2 Amplifier circuit of Light intensity detection and conversion

2.2太陽方位檢測(cè)電路

采用四象限A、B、C、D光電探測(cè)器來檢測(cè)太陽的方位變化，其檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路原理與光強(qiáng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路相似，都是將光生電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再將電壓信號(hào)進(jìn)行同相放大，輸出電壓信號(hào) UA、UB、UC、UD。這四個(gè)模擬電壓信號(hào)連接到EM231模擬量擴(kuò)展模塊的模擬量輸入端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，用于PLC讀取，然后根據(jù)公式（2）和（3）計(jì)算出太陽方位角和高度角的偏移量，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤[4]。

（2）

（3）

在光電跟蹤模式中，當(dāng)Ex′和 Ey′的絕對(duì)值超過所設(shè)定的閾值時(shí)，PLC將根據(jù)Ex′和 Ey′的符號(hào)分別驅(qū)動(dòng)方位角電機(jī)和高度角電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而使得更多的太陽光垂直照射到太陽能電池板上。

2.3風(fēng)速檢測(cè)模塊

風(fēng)速傳感器選擇微特WFS-1-3型，該傳感器將風(fēng)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5V的模擬量電壓UF，經(jīng)模擬量擴(kuò)展模塊EM231進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，送給 PLC。當(dāng)風(fēng)速到達(dá)一定時(shí)，為了保護(hù)跟蹤裝置，PLC將驅(qū)動(dòng)電機(jī)將太陽能電池板放平。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊EM231

EM231模擬量輸入擴(kuò)展模塊與西門子PLC用扁平電纜連接，可將光強(qiáng)檢測(cè)輸出電壓UG、太陽方位檢測(cè)輸出電壓UA、UB、UC、UD以及風(fēng)速傳感器輸出電壓UF轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供給PLC讀取。

EM231只有A+-a-、 B+-b-、 C+-c-、 D+-d-、即4路模擬量輸入端，而本系統(tǒng)有6個(gè)模擬量電壓信號(hào)，因此需要2個(gè)EM231擴(kuò)展模塊。EM231模擬量擴(kuò)展模塊的接線方法很簡(jiǎn)單，例如太陽方位檢測(cè)輸出電壓UA的電壓正極接A+、負(fù)極接a-，其他5路模擬量電壓接法類似。若EM231有多余的輸入端沒用到，則要短接，例如D+-d-沒用到，則要將D+和d-短路起來。

2.5 PLC的I/O模塊

本系統(tǒng)采用西門子PLC的CPU型號(hào)為226CN，有24個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。PLC輸入分配如表1所示，PLC輸出分配只以控制一塊太陽能電池板為例，其他太陽能電池板的接線類似。PLC的I/O接線圖如圖3所示。

表1 PLC的I/O分配表

Tab.1 I/O allocation table of PLC

輸入 輸出

I0.0 高速計(jì)數(shù)器HSC0 A相時(shí)鐘輸入 Q0.0 東西方向電機(jī)正轉(zhuǎn)

I0.1 高速計(jì)數(shù)器HSC0 B相時(shí)鐘輸入 Q0.1 東西方向電機(jī)反轉(zhuǎn)

I0.2 急停按鈕 Q0.2 南北方向電機(jī)正轉(zhuǎn)

I0.3 高速計(jì)數(shù)器HSC4 A相時(shí)鐘輸入 Q0.3 南北方向電機(jī)反轉(zhuǎn)

I0.4 高速計(jì)數(shù)器HSC4 B相時(shí)鐘輸入

I0.5 模式選擇開關(guān)（手動(dòng)/自動(dòng)）

I0.6 自動(dòng)模式下啟動(dòng)按鈕

I0.7 東限位開關(guān)（常開）

I1.0 西限位開關(guān)（常開）

I1.1 南限位開關(guān)（常開）

I1.2 北限位開關(guān)（常開）

I1.3 向東運(yùn)動(dòng)按鈕（常開）

I1.4 向西運(yùn)動(dòng)按鈕（常開）

I1.5 向南運(yùn)動(dòng)按鈕（常開）

I1.6 向北運(yùn)動(dòng)按鈕（常開）

圖3 PLC的I/O接線圖

Fig.3 I/O wiring diagram of PLC

3自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

追日自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主程序首先檢測(cè)風(fēng)速以及太陽能電池板的位置，如果檢測(cè)到風(fēng)速太大或者太陽能板壓擠到東、西、南、北等限位開關(guān)，則要運(yùn)行保護(hù)子程序，進(jìn)行風(fēng)速保護(hù)或者限位保護(hù)。其后，根據(jù)手動(dòng)/自動(dòng)模式選擇開關(guān)，運(yùn)行追日自動(dòng)跟蹤子程序或者手動(dòng)控制太陽板的子程序。現(xiàn)給出自動(dòng)模式和手動(dòng)模式的含義簡(jiǎn)介如下。

自動(dòng)模式：追日自動(dòng)跟蹤子程序通過光照強(qiáng)度來選擇不同的跟蹤模式，驅(qū)動(dòng)太陽能板自動(dòng)追日跟蹤。

手動(dòng)模式：根據(jù)控制面板上的東、西、南、北按鈕來手動(dòng)控制電池板的運(yùn)行。

3.2 追日自動(dòng)跟蹤子程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)模式選擇開關(guān)一般默認(rèn)為自動(dòng)跟蹤模式，其流程圖如圖4所示。

圖4追日自動(dòng)跟蹤子程序流程圖

Fig.4 Subroutine flow chart of DAY automatic tracking

在圖4中，基準(zhǔn)位置指的是太陽方位角和太陽高度角都為零的方向，太陽能電池板呈水平放置；延時(shí)時(shí)間則可根據(jù)系統(tǒng)的跟蹤精度、跟蹤效益以及光照情況等等實(shí)現(xiàn)設(shè)定，一般是30～60分鐘。

3.3數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集子程序每次將同時(shí)采集UA、UB、UC、UD、UG、UF等6路模擬量電壓信號(hào)，這6個(gè)采樣值記為一組數(shù)據(jù)，延時(shí)幾秒到幾十秒后，再重復(fù)采樣這6路模擬量電壓信號(hào)，采集n次后，求得6路模擬量電壓信號(hào)的平均值，并將其分別存入模擬量變量存儲(chǔ)區(qū)VW11、VW12、VW13、VW14、VW15、VW16中，作為UA、UB、UC、UD、UG、UF的采樣數(shù)據(jù)值。

這樣，以平均值作為信號(hào)的采樣值，將提高采樣數(shù)據(jù)的可靠性。采樣次數(shù)一般為5-10次，采樣次數(shù)不宜過多，否則系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)的開銷大。

3.4光電跟蹤子程序設(shè)計(jì)

太陽光照射到太陽能板上的入射光角度不同，在太陽方位探測(cè)器的四個(gè)象限上的受光面積就不一樣，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后得到的模擬電壓UA、UB、UC、UD也隨即不同。在光電跟蹤子程序中，PLC讀取這四個(gè)采樣值后，根據(jù)公式（2）和（3）計(jì)算偏移量 Ex′和 Ey′，就可以知道太陽能板與太陽之間的相對(duì)位置。

由于四象限光電探測(cè)器靈敏度較高，為了防止直流電機(jī)頻繁啟動(dòng)，增加系統(tǒng)開銷，在系統(tǒng)允許的精度范圍內(nèi)，設(shè)定了閾值e1和e2。只有偏移量超過了閾值，才驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作；否則電機(jī)不動(dòng)作。

當(dāng)偏移量|Ex′|< e1，方位角電機(jī)（東西方向）不動(dòng)作；而當(dāng)|Ex′|> e1且Ex′>0，說明太陽相對(duì)電池板偏向東邊，驅(qū)動(dòng)方位角電機(jī)（東西方向電機(jī)）反轉(zhuǎn)，太陽能板由西朝東邊轉(zhuǎn)；當(dāng)偏移量|Ex′|> e1且Ex′<0，驅(qū)動(dòng)方位角電機(jī)正轉(zhuǎn)，太陽能板由東向西轉(zhuǎn)。同理，當(dāng)偏移量|Ey′|< e2，高度角電機(jī)（南北方向）不動(dòng)作；當(dāng)偏移量|Ey′|> e2且Ey′>0，說明太陽相對(duì)電池板偏向南邊，驅(qū)動(dòng)高度角電機(jī)（南北方向電機(jī)）反轉(zhuǎn)，太陽能板由北向南轉(zhuǎn)；當(dāng)偏移量|Ey′|> e2且Ey′<0，驅(qū)動(dòng)高度角電機(jī)正轉(zhuǎn)，太陽能板由南向北轉(zhuǎn)。如此，即能保證光電跟蹤結(jié)束時(shí)，太陽能電池板基本與入射光線垂直，且偏移量|Ex′|和|Ey′|均小于所設(shè)定的閾值e1和e2。

3.5太陽運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤子程序設(shè)計(jì)

太陽運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤子程序是根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)軌跡的天文學(xué)公式計(jì)算出跟蹤系統(tǒng)當(dāng)?shù)?、且?dāng)前時(shí)間太陽的高度角和方位角以及日出日落的時(shí)間。根據(jù)系統(tǒng)所記憶的太陽能板的高度角和方位角（這個(gè)操作至關(guān)重要，因?yàn)槊看伟碜詣?dòng)跟蹤結(jié)束后，太陽能電池板都要回到基準(zhǔn)位置，進(jìn)行校準(zhǔn)），分別與當(dāng)前太陽的高度角和方位角進(jìn)行比較，如果高度角差值大于零，則驅(qū)動(dòng)高度角電機(jī)由南向北正轉(zhuǎn)，反之，高度角電機(jī)反轉(zhuǎn)；同理，如果方位角差值大于零，則驅(qū)動(dòng)方位角電機(jī)由東向西正轉(zhuǎn)，反之，方位角電機(jī)反轉(zhuǎn)。

由于反饋太陽能板的垂直和水平的變化的角度信息，來自于增量式編碼器輸出的脈沖數(shù)。因此當(dāng)計(jì)算出來太陽能板高度角和方位角應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度時(shí)，還應(yīng)轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，該脈沖數(shù)則作為高速計(jì)數(shù)器HSC0和HSC4的預(yù)置值。如果跟蹤裝置在旋轉(zhuǎn)的過程中，垂直和水平方向的增量式編碼器反饋回來的脈沖數(shù)與HSC0和HSC4的預(yù)置值相等，則說明跟蹤裝置已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到指定位置了，此時(shí)太陽運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤即可明確判定為結(jié)束。

4結(jié)束語

本文對(duì)太陽能電池板追日自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。用光敏傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)度進(jìn)而判斷晴天、多云和陰雨，根據(jù)不同的天氣選擇不同的跟蹤模式；用太陽方位檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)光電跟蹤；風(fēng)速檢測(cè)用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的風(fēng)速保護(hù)功能，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定等級(jí)時(shí)，將太陽能電池板放平，減小風(fēng)力的影響；EM231采集光強(qiáng)、太陽方位和風(fēng)速等模擬量電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，送給PLC；PLC控制模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤控制功能；軟件部分設(shè)計(jì)了主程序、自動(dòng)跟蹤子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、光電跟蹤子程序和太陽運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤子程序。

通過對(duì)太陽能電池板的跟蹤控制，使太陽光垂直照射到太陽能電池板上，充分接收太陽能，進(jìn)而提高發(fā)電效率[5]。據(jù)測(cè)定，相同條件下，雙軸自動(dòng)跟蹤太陽比固定安裝未進(jìn)行跟蹤的發(fā)電量在整體上能提高35%左右[6]。因此可知，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)太陽進(jìn)行自動(dòng)跟蹤即具有必要且重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義及價(jià)值。

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