基于LOGO!的太陽(yáng)能雙軸交錯(cuò)聯(lián)合跟蹤系統(tǒng)

陳 磊 湯占軍 郭世海 張 桐

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,昆明 650051)

基于LOGO!的太陽(yáng)能雙軸交錯(cuò)聯(lián)合跟蹤系統(tǒng)

陳 磊 湯占軍 郭世海 張 桐

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,昆明 650051)

為提高光伏轉(zhuǎn)化率，設(shè)計(jì)光電傳感器跟蹤與太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤相結(jié)合的雙軸交錯(cuò)聯(lián)合跟蹤控制系統(tǒng)。以LOGO! 240 RC控制器為核心搭建太陽(yáng)能電池板跟蹤控制系統(tǒng)，并對(duì)太陽(yáng)跟蹤控制算法進(jìn)行優(yōu)化。投運(yùn)結(jié)果表明：系統(tǒng)功耗和電機(jī)啟停頻率均有所減少，電機(jī)壽命延長(zhǎng)，同時(shí)光伏轉(zhuǎn)化率有明顯提高。

太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng) LOGO! 240 RC 雙軸交錯(cuò)聯(lián)合跟蹤控制模式 光伏轉(zhuǎn)化率

隨著人類對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，全球能源危機(jī)和環(huán)境問題日益突出，對(duì)新能源的開發(fā)和利用已經(jīng)成為全球熱點(diǎn)問題。光伏發(fā)電技術(shù)作為新能源的利用方式之一，因其清潔環(huán)保、儲(chǔ)量巨大及使用方便等優(yōu)勢(shì)而發(fā)展迅速[1]。硅的光伏轉(zhuǎn)化效率較高，但迫于價(jià)格等因素，高轉(zhuǎn)化效率的太陽(yáng)能電池板未能大范圍普及使用[2]。

目前，太陽(yáng)能電池板多為平板式和固定角度式安裝[3]，這種安裝方式因其較低的光伏轉(zhuǎn)化效率和較高的開發(fā)成本抑制了光伏發(fā)電的發(fā)展，而太陽(yáng)跟蹤技術(shù)能有效解決這一問題[4]。現(xiàn)有的太陽(yáng)跟蹤裝置根據(jù)控制模式可分為光電傳感器跟蹤和太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤[5]。光電傳感器跟蹤裝置在陰雨天時(shí)其光電轉(zhuǎn)換器很難適應(yīng)光線變化，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作；太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤裝置的精度受限于算法的準(zhǔn)確性和跟蹤策略的合理性[6]。太陽(yáng)跟蹤裝置按照系統(tǒng)機(jī)構(gòu)自由度數(shù)，可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤[7]。研究表明，太陽(yáng)能接收系統(tǒng)有無(wú)使用太陽(yáng)跟蹤技術(shù)，其光伏轉(zhuǎn)化效率最高相差36%。因此，設(shè)計(jì)可靠的高精度的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)對(duì)提高光伏轉(zhuǎn)化效率有一定的實(shí)用價(jià)值。

為了提高太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的精度，大多使用光電傳感器跟蹤和太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤相結(jié)合的雙軸跟蹤控制方式，根據(jù)環(huán)境變化，晴天采用光電傳感器跟蹤模式，陰雨天則切換為太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤模式。這兩種跟蹤模式相互配合，彌補(bǔ)不足，可以實(shí)現(xiàn)高精度全天候的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤[8]。然而在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，這種不間斷調(diào)節(jié)會(huì)增加系統(tǒng)功耗、電機(jī)啟停頻率和步距誤差，減少電機(jī)壽命。為此，筆者以LOGO! 240 RC為控制器，使用雙軸交錯(cuò)聯(lián)合跟蹤系統(tǒng)，結(jié)合光電傳感器和太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤控制方式，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的超前滯后調(diào)節(jié)。

1.1 跟蹤原理

系統(tǒng)在跟蹤時(shí)刻選擇太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤方式，調(diào)整電池板到滯后30min的位置，存儲(chǔ)當(dāng)前位置信息并等待30min，然后啟動(dòng)光電傳感器跟蹤以校正太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤產(chǎn)生的誤差。光電檢測(cè)模塊檢測(cè)到信號(hào)的電壓差值超過閾值時(shí)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到電壓差值小于閾值，再等待30min，進(jìn)入下一次跟蹤循環(huán)，實(shí)現(xiàn)全天實(shí)時(shí)跟蹤。

現(xiàn)假設(shè)A處太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為R，為方便計(jì)算，在時(shí)間t內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度呈線性變化，即R=R0+kt，其中k為線性系數(shù)，R0為t為0時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。已知太陽(yáng)運(yùn)行軌跡由A到C轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為θ，則電池板法線方向輻射強(qiáng)度Rn為：

Rn=(R0+kt)·cosθ

(1)

對(duì)式(1)在0～T進(jìn)行積分，得到電池板接收的輻射能量W為：

(2)

在跟蹤時(shí)間間隔0

1.2系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件部分主要由LOGO! 240 RC控制器、光電傳感器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及太陽(yáng)能電池板等組成，如圖1所示。LOGO! 240 RC控制器是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)運(yùn)算和控制。光電傳感器模塊包括光電探測(cè)器、調(diào)理電路及A/D轉(zhuǎn)換電路等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電路、直流減速電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)械裝置。

圖1 跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)于光電傳感器模塊，為了提高其對(duì)光線感應(yīng)的靈敏度，對(duì)感應(yīng)部分使用一塊黑布進(jìn)行遮光處理；感應(yīng)元件采用光敏材料，呈空間弧形分布，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求在32個(gè)輸出中選擇對(duì)應(yīng)端角作為感應(yīng)部分；光敏元件是四分之一圓的光敏電阻排阻，光敏材料涂層順著弧線。LOGO! 240 RC控制器采集光電傳感器信號(hào)，經(jīng)過分析處理通過驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)完成對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N為雙H高電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)46V，直流電流4A，內(nèi)部有兩個(gè)完全相同的PWM功率放大回路[9]，兩路輸出分別控制電機(jī)水平方向和俯仰方向的旋轉(zhuǎn)。

1.3系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件控制流程如圖2所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，讀取當(dāng)前時(shí)間并判斷是否在跟蹤時(shí)間內(nèi)(7∶00(Ts)～18∶00(To))。首次跟蹤時(shí)刻選定7∶00，太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤模式啟動(dòng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)到7∶30后光電檢測(cè)模塊檢測(cè)光強(qiáng)偏差是否超過閾值，若超過光強(qiáng)閾值則啟動(dòng)光電傳感器跟蹤模式，休眠30min到8∶00進(jìn)入下一次跟蹤，如此循環(huán)，到18∶00停止跟蹤。

圖2 系統(tǒng)控制流程

LOGO! Soft Comfort V7.0常用編程方法有功能塊圖法和梯形圖法，梯形圖與功能塊圖之間可以切換，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用功能塊圖法，程序如圖3所示。

2 系統(tǒng)調(diào)試與投運(yùn)

程序通過LOGO!專用數(shù)據(jù)傳輸線下載到LOGO!主機(jī)中，接通電源啟動(dòng)LOGO!，系統(tǒng)按照程序設(shè)定開始運(yùn)行。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。在光伏電站上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性投運(yùn)，使用兩塊參數(shù)完全相同的太陽(yáng)能電池板，一塊采用固定式裝置安裝，另一塊采用跟蹤式裝置安裝，利用相關(guān)輔助測(cè)試儀器記錄兩種裝置的采樣光強(qiáng)，結(jié)果如圖4所示，跟蹤式裝置接收光強(qiáng)接近或超過550W的時(shí)間有5.5h，比固定式多2.0h，且光伏轉(zhuǎn)化效率提高了25%左右，投運(yùn)結(jié)果比較理想，光伏轉(zhuǎn)化效率有明顯提升。

圖3 控制程序

圖4 兩種裝置的采樣光強(qiáng)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、轉(zhuǎn)化率和電量損耗是限制太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要問題。針對(duì)這些問題，筆者設(shè)計(jì)基于LOGO!的太陽(yáng)能雙軸交錯(cuò)聯(lián)合跟蹤系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)投運(yùn)中，系統(tǒng)既解決了太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤誤差累計(jì)問題，又解決了光電跟蹤易受天氣干擾而使系統(tǒng)誤動(dòng)作的問題，系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行，在不增加系統(tǒng)功耗和電機(jī)啟停頻率的情況下提高了光伏轉(zhuǎn)化效率，且系統(tǒng)易維護(hù)、成本低，能有效減少電量損耗，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 李燕斌,譚陽(yáng),王海泉,等.光伏發(fā)電逐日跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2014,25(6):11～15.

[2] 劉赟,石劍橋,郭瀚哲.獨(dú)立光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息化研究,2013,39(5):30～34.

[3] 朱俊昊,何中杰.自主調(diào)節(jié)跟蹤的太陽(yáng)能裝置及控制方法[J].機(jī)電工程,2012,29(5):545～548.

[4] 李鵬,廖錦城,蔡蘭蘭,等.雙軸太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行控制規(guī)律的研究[J].機(jī)械制造,2010,48(6):23～26.

[5] 王金平,王軍,馮煒,等.槽式太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)的研制及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(2):45～52.

[6] Alexandru C,Pozna C.Different Tracking Strategies for Optimizing the Energetic Efficiency of a Photovoltaic System[C].2008 IEEE International Conference on Automation,Quality and Testing,Robotics.Cluj-Napoca: IEEE,2008:434～439.

[7] 湯世松,舒志兵.雙軸伺服太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2011,32(2):49～52.

[8] 張璟.基于PLC的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)[J].科教文匯,2012,(16):96,110.

[9] 陳國(guó)慶,韋抒,李捷.太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].電子世界,2012,(11):116～118.

(Continued from Page 45)

2.SchoolofElectricalEngineering&Information,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

AbstractBased on the finite element method, both torque characteristics and transmission efficiency of the permanent magnet speed governor was analyzed. Regarding the torque characteristics, the speed governor’s two starting torque curves were verified through simulation calculation and the maximum output load torque was obtained; as for the transmission efficiency, considering the fact that employing slip frequency to calculate transmission efficiency ignores the impact of copper eddy, a method of calculating the transmission efficiency basing on the eddy current power was proposed. Both simulation and calculation results show that having eddy current power based to calculate transmission efficiency is an effective method for engineering calculation.

Keywordspermanent magnet speed governor, torque characteristics, transmission efficiency, eddy current power, finite element method

(Continued from Page 49)

AbstractConsidering the difficulty in diagnosing nonlinear and non-stationary vibration signals of the diesel generator, both wavelet packet and BP (GA-BP)network optimized with genetic algorithm were used to diagnose the faults, in which, having wavelet packet employed to decompose vibration signals of the diesel generator, and to implement the single refactoring and to structure the feature vector as well as to input the feature vector into the BP network optimized so as to distinguish fault types of the diesel generator. Both experimental simulation and engineering application results show that this method adopted can diagnose fault types of the diesel generator effectively and accurately.

Keywordsdiesel generator, fault diagnosis, wavelet packet, genetic algorithm, BP network

Biax-staggeredSolarPanelTrackingSystemBasedonLOGO!

CHEN Lei, TANG Zhan-jun, GUO Shi-hai, ZHANG Tong

(CollegeofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650051,China)

In order to improve photovoltaic conversion efficiency, a biax-staggered tracking system was designed, which has photoelectric sensor tracking and sun trajectory tracking combined and LOGO! 240 RC controller cored to build solar panel tracking system, including having solar tracking control algorithm optimized. Application results show that both power consumption of system and the mortor’s start-stop frequency becomes decreased along with an extended motor’s servicing life and significantly-improved photovoltaic conversion efficiency.

solar tracking system, LOGO! 240 RC, biax-staggered tracking system, photovoltaic conversion efficiency

TH862+.7

B

1000-3932(2016)01-0080-04

2015-06-15基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(KKGD201303043)；昆明理工大學(xué)教育技術(shù)基金資助項(xiàng)目(013115)