基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统的研究

基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统的硏究
本文硏究的是一种新型的可编程逻辑操纵器PLC的太阳光自动跟踪系统，不仅能自动依照太阳光方向来调整太阳能电池板的朝向，结构简单、本钱低，而且在跟踪进程中能自动经历和更正不同时刻的坐标位置，没必要人工干与,专门适合天气转变比较复杂^无人值守的情形，有效帧高了太阳能的利用率，有较好的推行应用价值和市场应用前景。

太阳能以其不竭性和坏保优势已成为现今国内外最具进展前景的新能源之一。

光伏（PV ）发电技术在国外已取得深切研究^推行,我国在技术上也已大体成熟，并已逬入推行应历时期［1］。

但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时刻不断转变的问题，这对太阳能的搜集和利用装置提出了更高的要求。

目前很多太阳能电池板阵列大体上都是固走的,不能充分利用太阳能资源,发电效率低下［2］。

若是能始终维持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰硕的太阳能资源。

依照据实验，在太阳能发电中，相同条件下,采纳自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35 %左右［3］。

因此，设计开发能自动追踪太阳光照的操纵系统，是超级有价值的硏究课题。

1自动跟踪系统的组成及工作原理
太阳能电池板自动跟踪操纵系统由PLC主控单元、和信号处置单元、光伏模块、电磁枷械运动操纵模块和
模块组成。

系统的组成框图如图1所示。

性I】系统组成框图
太阳能光伏发电设备自动跟踪系统的光敏探测头（传感器）是用来检测太阳光强的。

当有误差发生时，误差 信号通过跟踪PLC 主控单元（操纵器），采纳模拟差压比较原理进行运算、比较和发岀指令，使电动执行器动作, 驱动机械部份转动推动整个装置旋转，调整误差，保证太阳能电池方阵正对太阳光，达到自动跟踪太阳的目的。

太阳能电池方阵在阳光的照射下光伏发电，通过操纵器向蓄电池充电。

系统配有自动爱惜线路，当风力达到8 级时自动启动，切断跟踪太阳系统，使电池方阵快速收平，在风力降下来时延时10min,解除防风系统，恢复 跟踪进程。

固宦光强、跟踪光强、电瓶温度和自然风速等由微机进行数据搜集，并对蓄电池充电和放电进行分级 操纵。

系统有自动和手动2种操纵方式，SB1和SB2为操纵按钮，用于手动操作，PLC 输出的QO 或Q1别离连 接到2个继电器线圈，以操纵太阳板的正反2个运动方向。

在自动运行模式下，PLC 第一比较来自信号处置单 元的2个模拟输入的值，然后决泄输出QO 或Q1。

可逻辑操纵器PLC 单元
跟踪操纵器采纳可编程逻辑操纵器PLC,它是太阳能电池板跟踪系统的操纵核心，是系统研究工作的重点。

系统采纳欧姆龙（OMRON ）公司最近几年推出的a 系列PLC,该机型为介于大型机与小型机之间的中小型机, 最大操纵I/O 点数为1184点。

在应用中，中央处置器单元（CPU ）采纳C200HX-CPU43-E,它自带1个编程 口和1个RS232C 口。

该CPU 具有丰硕的指令功能，编程十分方便:开关量输入输出模块别离选用C200H-ID212 和C200H-OC225；通过在CPU 中插入通信板C200HW-COM06-E （该板具有1个RS232C 和1个RS-422/485） 实现与上位机远程通信。

由于采纳了 RS-422接口，采取平稳式发送，因此数据传输率高，而且串扰小，传输距 离可达500 m 。

专门对串并联的并网光伏太阳能电池阵列的跟踪系统操纵，能发挥PLC 现场操纵的优势，进行 集中操纵。

通过研究和优化设讣，应用集成标准线路，采纳模拟差压比较原理，操纵器具有跟踪精度高、范国宽、 自动返回功能。

限位装置具有东、西、上、下4个方位的极限限位功能。

采纳双重限位操纵结构，即操纵信号限 位和驱动电机限位，保证了设备靠得住地工作。

图2所示为PLC 输入/输岀硬件配苣图。

图2 PLC 输人/输出硕件配置图
龔位按钮 太阳板位暨
传感詁 强迫阿向按钮, 賤迨肓向按就
询何运动输出
光电传感帶2
4欧姐龙曽 (OMRON)
F
ELpORONIC
后向庭动输出 PC RS-232 接 H
传感器检测和信号处宜单元
太阳的方位随着观测位宜和观测时刻的不同而不同，因此，欲跟踪太阳就必需先对太阳进行检测定位。

检测太阳光光强的方式有按时法、坐标法、太阳能电池板光强比较法和光敏电阻光强比较法［4］。

对这4种操纵方式进行了对照后以为：按时法电路尽管简单，但由于季右的阻碍，系统的操纵精度较差；坐标法操纵精度较高，但操纵电路复杂；光强比较法使系统的太阳能利用率不能达到最佳：光敏电阻比较法电路实现最简单，对太阳能的利用率最大。

基于此，选择操纵精度高和电路易于实现的光敏电阻光强比较法作为本研究系统的检测方案。

光敏探测头（传感器）是太阳能电池板跟踪系统的光信号接收器，它是利用光敏电阻在光照时阻值发生转变的原理，将2个完全相同的光敏电阻别离放置于一块电池板东四方向边沿处的下方（光与电池板垂直时，一半可接收光, 一半在下边）。

若是太阳光垂直照射太阳能电池板时，2个光敏电阻接收到的光照强度相同，它们的阻值完全相等，现在电动机不转动。

当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至2个光敏电阻上的光照强度相同。

操纵灵敏度的高低直接阻碍跟踪精度。

光敏电阻光强比较法的优势在于操纵精准，电路设计比较容易实现。

通过实验研究，选用质量轻、美观、耐侵蚀的铝合金材料，光电接收管通过严格的计算、左位，以保证其检测灵敏度。

图3所示是太阳光电泄位装置中光电检测电路的俯视图，共由9个光电三极管组成。

正中央1个，隔壁8 个由成一圈。

将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径略大于检测板的外圆。

圆柱体的上方中央开1个与检测用的光电二极管直径相同的洞，以便光线通过。

将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上，光电二极管的检测面与电池板平行。

在圆柱体的外而不受圆柱体遮挡的地址（确保会受到光线的照射）也安装1个光电二极管，英朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同，用于检测环境亮度，并与圆柱体内的每一个光电二级管及运放（可用LM324集成电路中的1个）组成一个比较电路。

如此当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时，运放将输出低电平，此电平可接到输入端进行检测。

圆柱体内的每一个光电二级管各用1个PLC的输入端，共9个。

如此就能够够检测太阳光线的朝向，决左哪个电机转动，向哪个方向转动。

另外，为了增大光电二极管的检测范用，视实际情形需要，也可再增加1圈紧密排列的光电二极管，外圈的光电二极管与内圈的相应位巻的光电二极管并联。

图4所示为信号处置单元电路，当太阳辐射强度增加时，光电电阻阻值减小，1 kQ 可变电阻的压降增加，
从而产生与太阳光辐射强度有直接关系的电压信号。

2个传感器的输岀信号与PLC 模拟输入端口连接，并对这2 个模拟信号进行比较运算，从而输出正确的信号，以驱动太阳能电池板跟踪系统的电磁机构。

光伏模块
光伏模块采纳三菱光伏智能功率模块PV-IPM (PM50B4LA060)，其技术参数要紧有峰值功率Pmax=85 W. 最佳工作电压V.这些参数是在标准的实验条件下测试的(太阳光强度1 000W/m3,太阳板温度25 °C,空气质 M) o
电磁机械运动操纵模块
抗大风自动放帆功能是为了爱惜跟踪发电装置，在风力达到必然强度时防风系统启动，自动调整受风而，幸 免设备被风吹坏。

经实验研究，防风传感器采纳徳国入口产品，防风系统采纳优先工作方式，一旦启动将切断跟 踪太
阳能系统，自动放帆。

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閤3光电检團排列
机械传动机构是跟踪操纵的执行机构，它不但在室外工作，还经受装置的重量、风力，直接阻碍整机的精度。

经研究，水平传动采纳电机、谐波减速机和两级蜗轮蜗杆减速机，仰角传动采纳电机、谐波减速机和滚珠丝杠, 以保证机械精度和传动效率。

系统电源模块
电源电路采纳开关电源设计，具有高效率、低损耗的特点。

采纳开关操纵芯片L4960,它能提供V~40V 的输出电压和A的输出电流。

电源电路如图5所示，通过调整2个电阻R3和R4,以产生12V-24 V直流电压, DC 24 V用于PLC电源，DC 44 V直接取自整流桥侧供给直流电机。

若是用于光伏逆变系统的跟踪系统，~220 V能够直接取自光伏逆变电源。

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DC 44 V
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Cl
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2光伏系统设讣
并网光伏发电系统操纵软件采纳模块化设计，包括PLC操纵和监控程序、PC监控和数据处這程序2个要紧部份。

PLC操纵和监控程序
PLC操纵语句是整个太阳能电池板跟踪系统的重要组成部份，软件编程采纳欧姆龙公司的
CX-Programmer , CX-P梯形图编程支持软件为利用者提供了从操作界面到程序注释的全中文操作环境，支持Windows的拖沓及粘贴操作，和完备的检索功能和经常使用标准位简易输入功能。

通过运算机的RS-232C 口与
PLC的RS-232C 口连接，对PLC进行数据实时监控、修改和在线编辑等，可方便地把程序传递到PLC中或从PLC 中读出数据。

PLC要紧完成如下工作：
(1) 操纵跟踪系统的运动•其操纵逻借如图6所示。

后向运动迫踪
太闭起点
图6控制过程的逻糾焕序
(2) 将PLC 输入与输出状态复制到内存的特左位置(称为标记区域)，PC 监控程序能随时直接从内存区域 读取输入和输出状态。

(3) 采样数据存储。

这是一个在线搜集存储进程，通过RAM 数据存储内部的特殊矩阵，每1小时读取光敏电 阻的值。

数据搜集白天进行，晚上停止，直到第二天日出。

搜集的时刻(小时和分钟)存储在不同的矩阵，然后 在PC 机的屏幕上显示岀来。

当RAM 内存满时，将再也不存储数据，直到复位操作将存储数据淸除。

这部份程 序采纳顺序功能图表SFC(Sequential Functioning Chart)进行编程，算法如图7所示。

PC 监控和数据处置程序
采纳面向对象的高级编程语言Visual Basic 6. 0实现以下功能:
(1) 自动检测PC 机RS232串口和PLC 端口的连接状态。

(2) 系统监控。

决宅光伏模块的实际位置和运动方向，显示光敏电阻的读数和内存溢出标记。

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图7存储过程顺殍功能帐I
(3) 模块的强制性前向和反向运动。

通进程序界而，发岀指令操纵PLC操作。

若是显现系统位置异样，可强迫太阳板依照操作要求恢复初始位置。

(4) 显示系统设置。

显示存储在PLC内存中的太阳跟踪系统的设置，如前向和反向运动极限、光线暗度极限、前向和反向停止极限和对这些参数设宜可直接进行修改。

本研究基于欧姆龙PLC,采纳光敏电阻比较法，构建了自动跟踪系统模型，使太阳能电池板自动维持与太阳光垂直。

太阳能电池板自动跟踪太阳光并网发电系统的研究，有效地提髙了太阳能的利用率和光伏发电系统的效率，增加了全年的发电功率输出，从整体上降低了光伏并网发电的本钱，符合构建环保型和节能型社会进展的要求，具有很髙的经济效益，并能产生良好的社会阻碍，具有理论研究意义和应用推行前景。

基于PLC的太阳能电池板跟踪系统可用于独立的太阳能光伏发电，也能应用于串/并联的并网光伏发电系统的现场总线操纵，具有良好的应用前景。