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    舒志兵 （1965-）

    男，南京工業大學自動化學院運動控制研究所所長，現任中國人工智能學會智能檢測與運動控制專業委員會秘書長。長期從事測控技術、運動控制、傳感器技術、電力電子技術及電氣控制系統研究，主要研究方向為機器人、非線性多變量控制、變頻調速、交直流傳動、伺服運動控制、DSP技術、現場總線、數控系統及其機電一體化系統等。

    摘  要：太陽能是一種具有開發潛能的能源，但目前太陽能的利用率不高，理論分析證明，采用跟蹤技術可以提高37.7%的能量接收率。本文提出了基于可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)的太陽能跟蹤系統，使光伏模塊能實時跟蹤太陽光照，從而獲得最大的太陽能。太陽能跟蹤系統構建了由光敏元件檢測和比較, 方位角和高度角雙軸機械跟蹤定位系統組成的自動控制裝置。

    關鍵詞：太陽能；跟蹤系統；PLC

    Abstract: Solar energy is a king of energy with great development potential, but current solar utilization is not efficient. Proved by theory analysis, that adopting the solar tracking technology can increase 37.7% by the rate of the energy receiving. The sun—tracking system based on PLC was studied. The photo—voltaic module in the system can track the sun simultaneously, then the maximum sun energy can be obtained .The sun tracking system structures it by photodiode measuring and comparative law , azimuth and vertical corner double axle machinery follow the automatic control device.

    Key words: Solar energy; tracking system; PLC

    1 引言

    隨著社會經濟的快速發展，人類所面臨的能源問題越來越突出，太陽能作為一種清潔能源，無疑受到各國的普遍重視。如何提高太陽能的利用效率成為研究熱點，太陽跟蹤是提高利用率的一種途徑。

    太陽能聚光伺服跟蹤光伏發電，其單機發電能力為0.3~1.5kW，將單機組成陣列可構成大功率的發電系統。采用聚光太陽電池的好處是光電轉換效率高，并且價格低（聚光太陽電池轉換效率為18%～30%，比普通太陽電池高的多，1cm2 的聚光電池在標準光強下聚光度為400～600倍聚光后，輸出功率達6~10W 以上，而同等面積的平板式太陽電池輸出功率僅12~14MW）。

    普通平板式太陽電池的造價為45~65元/W，而聚光太陽電池的造價要低得多，并且同功率的精確跟蹤光伏發電系統比固定的光伏發電系統每天多發電50%。由于聚光電池的受光面只有同功率的普通光電池的幾百分之一，因此可以大大節約單晶硅的用量，即同面積的單晶硅片若制成聚光電池，發電量將提高數百倍。

    香港大學建筑系的KPcheung和scMHui教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關系，相關理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽可使接收器的熱接收效率大大提高，進而提高了太陽能裝置的太陽能利用率，拓寬了太陽能的利用領域。

    本文提出一種新型的基于PLC的太陽光自動跟蹤系統設計方案，該雙軸系統在自東向西追蹤太陽的同時，使太陽能板傾斜從而跟蹤太陽的高度變化。它不僅能自動根據太陽光方向來調整太陽能電池板朝向，結構簡單、成本低，不必人工干預，特別適合天氣變化比較復雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能的利用率，有較好的推廣應用價值。

    2 太陽能聚光伺服跟蹤系統設計

    2.1 自動跟蹤裝置總體結構

    太陽能聚光發電伺服跟蹤系統采用兩軸聯動編程控制實現，上位機采用PC或者PLC控制運動控制器從而控制兩個變速電機和相應的執行機構，這些執行機構使得系統能夠跟蹤太陽的軌跡。從而使系統能夠在一天中，始終以最佳的傾角和方向對準太陽，進而最大限度地利用太陽能。

    實現X-Y二維聚光發電伺服跟蹤系統控制硬件結構基本配置如下：上位機采用PC或者PLC、運動控制器、PMSM及其驅動器。
PC機或PLC與運動控制器之間的通訊由運動控制器內部做PID等相應的信號處理和運算后，給伺服驅動器發出一定頻率的脈沖和方向指令，伺服驅動器輸出三相交變的交流電流，產生馬達力矩使馬達運轉。位置伺服控制的硬件組成結構圖如圖1所示。

                          

                       圖1   位置伺服控制硬件結構圖

    2.2 控制系統核心部件PLC

     可編程邏輯控制器PLC是太陽能跟蹤系統的核心部件，系統采用結構緊湊、配置靈活和指令集強大的歐姆龍公司可編程PLC；用戶程序包括位邏輯計數器、定時器等復雜的數學運算以及與其他智能模塊進行通訊等指令內容，從而使能夠監視輸入狀態，改變輸出狀態，以達到控制的目的。另外，選用CJ2不僅能用于獨立的太陽能設備跟蹤系統控制，特別是對于串、并聯的大型光伏太陽能陣列的跟蹤系統控制，能發揮PLC現場總線的控制優勢進行集中控制。圖2所示為PLC輸入/輸出硬件配置。

                     
                       圖2   PLC輸入/輸出硬件配置

    2.3 光電檢測模塊

    光電檢測模塊主要由一個四象限光敏二極管探測器組成。四象限光敏二極管CU301是在同一芯片上制成4個二極管單片(它們之間有十字溝槽間隔)。單元的性能參數基本相同，一致性較好。4個二極管單元相當于直角坐標系中的4個象限，每個象限的二極管有自己的輸出。當照射在4個象限光敏二極管上的光斑圖像位于十字形劃線的中心時，代表4個象限的光敏二極管各自的輸出相等，經過運算放大器對信號處理后，輸出為零。當光斑產生相對于十字形劃線的任何位移時，都會使4個象限光敏二極管的輸出隨之變化，運算放大器的輸出也隨之產生相對位移方向上的正負變化，從而可以確定物體在二維方向上的位移。

    為減小環境光的干擾和提高檢測單元的敏感度，4象限光敏二極管探測器可以放置在一個長方形桶狀內，采用透光性比較好的材料給長方形的桶做一個蓋子，以防止由于遮光或覆蓋灰塵而發出錯誤信號。其中VD1、VD2正極分別接在CU301的“2”、“3”端，VD3、VD4正極分別接在CU301的“1”、“4”端。這樣X軸、Y軸的輸出信號即可顯示出光斑是否在中心位置，當控制器檢測到光斑在中心位置上時即發出中斷信號。

    2.4 控制系統硬件電路的設計

     根據傳感器工作原理分析，控制系統需要實現一下幾個功能：

    （1）電機控制：M1電動機的控制（方位角方向的控制），M2電動機的控制（高度角方向的控制）。

    （2）開關輸入量：手動開關輸入量，接近開關輸入量。

    （3）指示燈控制：為了方便觀察實驗過程，需配置一些調試指示燈。

    PLC嵌入在系統控制兩電機的執行機構和相應的驅動器，相反地驅動器也引導跟蹤器追隨著太陽的軌跡從升起至落下。在一天的整個過程中，跟蹤器獲得最優的傾斜角和方位角，電池板接收到最大太陽日輻射量。

    利用逆變器能夠將光伏電池產生的直流電轉變為交流電，進而直接輸送到電網上。在白天有日照的情況下，光伏電池會將大部分的能量輸送到電網上，而到了晚上光伏電池裝置會自動與電網斷開。

    控制系統的實現取決于兩方面：（1）電氣控制部分和驅動部分。（2）傳感器和檢錯系統。對于電氣控制部分和驅動部分，我們選擇相對領域有優勢廠商的部件，尤其考慮到運行溫度范圍和環境。運行溫度范圍是-25度~55度。

    對于檢錯系統，傳感器被用于檢測方位角，系統包含控制程序的檢錯方法，比如檢測風速。作為一個選擇，我們建立了傳感器系統直接實時監測跟蹤器的運行狀態，包括獲得方位角和垂直角。反饋到驅動部分，閉環就形成了。它不同于其它跟蹤器。跟蹤器的運行狀態可傳送給監測臺。不僅監測還可遠程控制達到穩定。

    在系統的擴展和配置設計中，應遵循以下原則：

    （1）盡可能選擇典型電路，為硬件系統的標準化、模塊化打下基礎。

    （2）系統的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發。

    （3）硬件結構應結合應用軟件方案一起考慮。

    （4）系統中相關器件要盡可能做到性能匹配。

    3 系統軟件設計

    跟蹤模式的判斷過程完全由軟件實現，靈活度很高，可以針對不同的地區和不同的氣候進行調整，盡量提高光伏電站的發電效率。電池參數由電壓傳感器采集。還可以根據需要，增加溫度傳感器、光強傳感器、風力傳感器等多種傳感裝置。圖3為主程序框圖。

                       
 
                                圖3   主程序框圖

                     

                                  圖4   子程序框圖

    監控PLC輸入與輸出子程序是將PLC輸入與輸出狀態復制到內存的特定位置，稱為標記區域，PC監控程序能直接從內存區域隨時讀取輸入和輸出狀態。圖4為子程序框圖。

    太陽能電池板有兩個自由度，控制機構將分別對X、Y 兩方向進行調整。當電池板轉到盡頭時，采樣電壓不再變化，據此，程序將自動反轉電池板，以保護電機不受損害。

     采樣數據存儲是一個在線采集存儲過程，通過RAM數據存儲內部的特殊矩陣，每隔1h讀取1次光敏電阻的值。

    數據采集在白天進行。晚上停止。采集的時間(小時和分鐘)存儲在不同的矩陣，然后在PC機的屏幕上顯示出來。當RAM內存滿時，將不再存儲數據，直到復位操作將存儲數據清除。

    4 結論

    本文介紹了太陽自動跟蹤系統能自動檢測晝夜，并應用了太陽輻射與環境亮度的比較，使得該自動跟蹤系統的準確性高、可靠性強。即使是在天氣變化比較復雜的情況下，系統也能正常工作，提高太陽能的利用效率。如果應用于太陽能電池板，則可從電池板直接獲取電能，而無需另外輸入能量。

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                                                              ——轉自《自動化博覽》