一種適用于監(jiān)控系統(tǒng)中弱光條件的光伏逐日系統(tǒng)

摘" 要：太陽能是當前具有代表性的綠色能源之一，固定式光伏支架由于安裝方向固定，光伏面板無法始終朝向太陽，而光伏逐日系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)對于跟蹤其性能和確保高效運行至關(guān)重要。因此，該文提出一種基于監(jiān)控系統(tǒng)中可適用于弱光條件下的光伏逐日系統(tǒng)，采用信捷XC3 PLC承擔其主要程序控制任務，利用光敏傳感器收集各個方向的光強差值，通過程序計算出最佳光照角度，進而驅(qū)動電機調(diào)整為最佳照射角度，將云量和天氣預報數(shù)據(jù)集成到監(jiān)測系統(tǒng)中，以預測陽光變化并相應地輔助逐日系統(tǒng)運行。大幅提高光電轉(zhuǎn)化率。

關(guān)鍵詞：太陽能；逐日系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；弱光條件

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0055-05

Abstract： Solar energy is currently one of the representative green energy sources. Due to the fixed installation direction of fixed photovoltaic brackets， the photovoltaic panels cannot always face the sun. The monitoring system of the photovoltaic Sun Tracking System is crucial to tracking its performance and ensuring efficient operation. Therefore， this paper proposes a photovoltaic Sun Tracking System based on the monitoring system that can be suitable for weak light conditions. Xinjie XC3 PLC is used to undertake its main program control tasks. Photosensitive sensors are used to collect light intensity differences in various directions， and the program calculates the optimal illumination angle， and then drives the motor to adjust to the optimal illumination angle， integrating cloud cover and weather forecast data into the monitoring system to predict sunshine changes and assist the Sun Tracking System accordingly and significantly improving the photoelectric conversion rate.

Keywords： solar energy; Sun Tracking System; monitoring system; PLC; weak light conditions

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略目標持續(xù)推進，中國光伏產(chǎn)業(yè)迎來不少機遇和挑戰(zhàn)。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會預計2023年底，中國累計并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機容量有望達到5.6億kW。截至9月底，全國光伏發(fā)電裝機容量達 5.2 億kW，其中集中式光伏發(fā)電2.95億kW，分布式光伏發(fā)電2.25億kW[1]。在可再生能源中，太陽能作為一種清潔、可再生的能源資源，具有巨大的開發(fā)潛力和應用前景。光伏逐日系統(tǒng)作為太陽能利用的一種重要形式，通過跟蹤太陽軌跡，調(diào)整太陽能電池板的傾斜角度和方向，以最大化地捕獲太陽能，為電力供應提供穩(wěn)定可靠的來源。

然而，傳統(tǒng)的光伏逐日系統(tǒng)往往在弱光條件下面臨一些挑戰(zhàn)。弱光條件下，太陽能電池板的輸出功率較低，傳統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)往往無法有效捕獲光能，導致系統(tǒng)效率下降，影響電力輸出質(zhì)量。因此，針對弱光條件下的光伏逐日系統(tǒng)的研究和改進具有重要的理論意義和實際應用價值。

本文旨在提出一種可適用于監(jiān)控系統(tǒng)中弱光條件下的光伏逐日系統(tǒng)的設計方案，并探討其性能優(yōu)化和應用前景。首先，通過分析弱光條件下光伏系統(tǒng)的特點和挑戰(zhàn)，引入了一種基于監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。然后，提出了一種適用于弱光條件下的光伏跟蹤系統(tǒng)的設計方法，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和預測模型，實現(xiàn)了對光伏系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制。最后，通過實驗驗證和性能評估，驗證了該設計方案在弱光條件下的有效性和可行性。

本文的研究成果對于提高光伏逐日系統(tǒng)在弱光條件下的適應能力，提升光伏系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率，促進可再生能源的發(fā)展和利用具有重要的理論和實際意義。同時，本文所提出的設計方案也為其他類似應用場景下的光伏系統(tǒng)提供了有益的參考和借鑒。

1" 光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展

太陽能發(fā)電是利用太陽輻射產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能的過程。它被視為一種清潔、可再生的能源形式，因為太陽能發(fā)電過程中幾乎不產(chǎn)生溫室氣體和其他污染物，并且太陽光源不可枯竭。在“碳中和”背景下，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系中發(fā)展較為成熟的部分，其規(guī)模將進一步擴大，成為實現(xiàn)“雙碳”目標的重要保證。

目前，我國通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系，加速太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不斷出臺保障政策，擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，完善相關(guān)技術(shù)體系，健全產(chǎn)業(yè)配套措施，從而為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的持續(xù)壯大奠定了堅實基礎。隨著國家政策的持續(xù)優(yōu)化與制定，有越來越多科研工作者投入到光伏領域，使光伏技術(shù)不斷提升，在轉(zhuǎn)換效率、安全性和成本等方面都有所體現(xiàn)。然而，基于新技術(shù)所開發(fā)的產(chǎn)品和系統(tǒng)的推廣應用并未充分考慮與原有太陽能光伏產(chǎn)品的適配性等問題，導致太陽能光伏產(chǎn)品和系統(tǒng)的生命周期相對較短[2]。

儲能技術(shù)與智能電網(wǎng)的融合是現(xiàn)代能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一，它將儲能技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)能源的高效利用、供需平衡和系統(tǒng)靈活性的提升。可再生能源如風能和太陽能的不穩(wěn)定性是智能電網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。儲能技術(shù)可以作為緩沖裝置，通過在低谷時段儲存多余的電能，并在高峰時段釋放電能，可以更加高效地利用可再生能源，平衡電網(wǎng)負載，降低能源浪費，有助于彌補間歇性能源的不足，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

太陽能電池的效率不斷提高，同時成本在不斷降低。新型材料和生產(chǎn)工藝的引入，以及晶體硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和濃縮太陽能等技術(shù)的發(fā)展，使得太陽能發(fā)電變得更加經(jīng)濟和可行。成本的降低，使得太陽能發(fā)電變得更加具有競爭力。隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨蟪掷m(xù)增長，光伏發(fā)電行業(yè)將迎來更為廣闊的市場前景。許多國家和地區(qū)都在積極推動太陽能發(fā)電項目，并出臺了各種政策和法規(guī)來支持太陽能發(fā)電，包括補貼、稅收優(yōu)惠、可再生能源配額制度等。這些政策鼓勵投資者和企業(yè)采用太陽能發(fā)電技術(shù)，推動了行業(yè)的發(fā)展。

2" PLC在光伏逐日系統(tǒng)中的應用

PLC（可編程邏輯控制器）在光伏逐日系統(tǒng)中有著廣泛的應用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

系統(tǒng)監(jiān)控與控制：PLC可以用于光伏逐日系統(tǒng)的監(jiān)控和控制。它可以接收來自光伏逐日系統(tǒng)各個部件的數(shù)據(jù)，如太陽能電池板、跟蹤器、光照傳感器等的狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預設的邏輯和算法進行處理，控制系統(tǒng)的運行。

數(shù)據(jù)采集與處理：PLC可以對光伏逐日系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)進行采集和處理。這些數(shù)據(jù)包括太陽能電池板的輸出功率、傾斜角度、光照強度和環(huán)境溫度等信息。通過對這些數(shù)據(jù)的實時采集和分析，可以實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和預測維護。

邏輯控制與優(yōu)化算法：PLC可以根據(jù)光伏逐日系統(tǒng)的運行需求和環(huán)境條件，實現(xiàn)邏輯控制和優(yōu)化算法。例如，可以根據(jù)光照強度和太陽角度來調(diào)節(jié)太陽能電池板的傾斜角度，以獲得最大的光照能量；或者根據(jù)電網(wǎng)負荷需求調(diào)整逐日系統(tǒng)的運行模式。

故障診斷與安全保護：PLC可以通過實時監(jiān)測光伏逐日系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的故障進行診斷和報警。一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，PLC可以立即采取相應的措施，保護光伏系統(tǒng)的安全運行。

遠程監(jiān)控與遠程控制：PLC可以與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、遠程通信系統(tǒng)等進行集成，實現(xiàn)對光伏逐日系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和遠程控制。這使得運維人員可以通過遠程終端對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、故障排查和參數(shù)調(diào)整，提高了系統(tǒng)的運行效率和可靠性。

3" 系統(tǒng)組成

3.1" 系統(tǒng)軟硬件

光伏組件：光伏組件的作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

逆變器：逆變器將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，用于大多數(shù)家用電器并饋入電網(wǎng)。

儲能電池：光伏組件生產(chǎn)的電能優(yōu)先存儲于電池，當電池已充滿后所發(fā)電量皆輸送給電網(wǎng)，當沒有陽光或惡劣天氣、故障或者定期檢修斷電等情況出現(xiàn)，仍需要用電維持系統(tǒng)運行并保持監(jiān)控與通信。

調(diào)節(jié)設備：可能需要其他功率調(diào)節(jié)設備，例如穩(wěn)壓器和穩(wěn)定器，以確保穩(wěn)定一致的電源。

監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控光伏系統(tǒng)是否有異常情況。采用Modbus協(xié)議接入PC端，通過PC端實現(xiàn)發(fā)送指令、監(jiān)控系統(tǒng)、使用以太網(wǎng)獲取天氣數(shù)據(jù)等操作。監(jiān)控系統(tǒng)包括天氣監(jiān)測組件，把云量和天氣預報數(shù)據(jù)集成到監(jiān)測系統(tǒng)中，以預測陽光可用性的變化并相應地調(diào)整系統(tǒng)運行。這種主動的方法使系統(tǒng)能夠適應不斷變化的天氣條件并優(yōu)化能源生產(chǎn)效率。

光伏支架：需要堅固的安裝結(jié)構(gòu)來支撐和控制光伏組件的角度。應能夠承受環(huán)境條件，并確保能正確調(diào)整方向以獲得最佳的陽光照射。

安全裝置：可監(jiān)控的保險絲和斷路器等安全裝置保護系統(tǒng)免受電氣故障的影響，以確保安全并有異常報警功能。

PLC：PLC的型號采用信捷XC系列，本系列的PLC較為傳統(tǒng)老式，擁有可靠性強、人機界面簡潔、支持自由格式通信、Modbus通信的優(yōu)點。

優(yōu)化算法：光敏傳感器輸出光信號，通過放大電路放大信號，并集成弱光優(yōu)化算法協(xié)助調(diào)整面板傾斜角度、電壓設定點和其他參數(shù)，以從弱光條件下提取最大能量。

3.2" 基于Modbus協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)

Modbus協(xié)議是一種通信協(xié)議，常用于工業(yè)自動化領域中的數(shù)據(jù)傳輸和設備控制，是一種開放式通信協(xié)議，被廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)、遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等領域。

Modbus協(xié)議采用了簡單的主從結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)和理解。支持串行通信（RS-232、RS-485）和以太網(wǎng)通信，適用于不同的通信環(huán)境和應用場景。

本系統(tǒng)中運用到的Master-Slave技術(shù)，是一種應答方式的通信協(xié)議。一個Master可以對應一個或多個Slave，只有Master才可進行初始化的詢問，為Slave分配地址，對所有的Slave發(fā)送廣播信息[3]。

3.2.1" 天氣監(jiān)控系統(tǒng)方案

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集。天氣監(jiān)控系統(tǒng)采集各種氣象數(shù)據(jù)并監(jiān)控，通過以太網(wǎng)接入獲取天氣預報信息，包含未來的溫度、濕度、風速和光照強度等數(shù)據(jù)。

傳感器數(shù)據(jù)采集。使用Modbus RTU或Modbus TCP/IP協(xié)議接入光敏傳感器、濕度傳感器、大氣壓力傳感器等硬件獲取實時氣象數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理與分析。獲取的數(shù)據(jù)可以通過Modbus協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C或控制中心，然后進行數(shù)據(jù)處理、分析和可視化展示，以實時了解氣象變化情況。

遠程控制?；贛odbus協(xié)議，可以實現(xiàn)對天氣監(jiān)控系統(tǒng)中的設備進行遠程控制，如調(diào)節(jié)光伏組件角度、中斷指令、重啟等。

3.2.2" 報警監(jiān)控系統(tǒng)方案

實時監(jiān)測。通過Modbus協(xié)議實時監(jiān)測各種環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、煙霧濃度及設備運行狀態(tài)等。

報警處理。一旦監(jiān)測到異常情況，系統(tǒng)可以通過Modbus協(xié)議向控制中心發(fā)送報警信息，觸發(fā)相應的應急響應措施。

遠程管理。利用Modbus協(xié)議，對報警監(jiān)控系統(tǒng)進行遠程管理和控制，包括遠程設置參數(shù)、設置報警閾值調(diào)整等功能。

生產(chǎn)管控。制定生產(chǎn)電能管控系統(tǒng)，實現(xiàn)對電能生產(chǎn)過程的監(jiān)控、管理和控制，實時采集電能生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、功率和能量等信息。傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心或上位機，實現(xiàn)對電能生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，并可以對生產(chǎn)設備進行遠程控制和調(diào)節(jié)，如發(fā)電機組、變壓器、開關(guān)設備等?；诓杉降臄?shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和處理，對電能生產(chǎn)過程進行優(yōu)化調(diào)整，提高能源利用效率和生產(chǎn)效率。

4" 弱光條件下的光伏逐日系統(tǒng)設計方案

每天早上6點，系統(tǒng)自檢無異常后將狀態(tài)設置為“跟蹤”，并開啟第1次監(jiān)控光敏傳感器，隨后初始化計數(shù)器和計時器。

每20 min監(jiān)控1次光敏傳感器（Xu1、Xu2、Yu1、Yu2）的輸入，光信號輸入放大電路并通過比較器比較，通過比較自動計算并調(diào)整角度，每一次驅(qū)動步進電機追蹤太陽，則初始化計數(shù)器。

若沒有驅(qū)動步進電機追蹤太陽，則計數(shù)器+1。

計數(shù)器=8，將狀態(tài)設置為“休眠”，不再進行循環(huán)。

當檢測到異常天氣狀況時，天氣報警激活，不再進行循環(huán)。

當檢測到系統(tǒng)故障或異常情況時，安全報警激活，不再進行循環(huán)。

以下是PLC程序的偽代碼實現(xiàn)。

PLC程序設計為

5" 結(jié)束語

目前，我國光伏產(chǎn)業(yè)在制造業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平、應用市場拓展，以及產(chǎn)業(yè)體系建設等方面均處于全球領先地位，因此，我國應特別重視光伏產(chǎn)業(yè)國際合作，共同推動光伏發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)的推廣和應用。

本文解決了光伏發(fā)電系統(tǒng)在弱光條件下能效不佳的問題。通過對監(jiān)控系統(tǒng)中光伏逐日系統(tǒng)的設計與優(yōu)化，本文提出的方案在弱光條件下實現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性的提升，為光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展和應用提供了新的思路和方法?？偟膩碚f，本文的研究成果對于提升光伏發(fā)電系統(tǒng)在弱光條件下的性能和效率具有重要意義，對于推動清潔能源技術(shù)的發(fā)展和應用具有積極的推動作用。相信隨著進一步的研究和實踐，光伏逐日系統(tǒng)將在未來的能源領域發(fā)揮越來越重要的作用，為可持續(xù)能源的發(fā)展作出更大的貢獻。

參考文獻：

[1] 孫珂.前三季度全國光伏新增發(fā)電裝機同比增長145%[N].國家電網(wǎng)報，2023-11-14（005）.

[2] 王捷，林余杰，吳成堅，等.碳中和背景下太陽能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].儲能科學與技術(shù)，2022，11（2）：731-732.

[3] 盧文俊，冷杉，楊建軍.基于Modbus協(xié)議的控制器遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動化設備，2003（6）：54-56.