太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)改進研究

羅 清

(武漢外語外事職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430083)

聚光太陽能電池板是一種新型電池板，它比普通電池板效率高，能夠?qū)⑻柲芫劢? 400倍于太陽能電池上[1]，單位面積上獲得的太陽能更多，從而很大程度上節(jié)約了單晶硅電池的使用量．在4倍光強下，電池的輸出量是平均電池輸出量的3.3倍左右．如果能夠保持電池板與太陽光線始終垂直，還能夠在原有的基礎(chǔ)上提高35%左右．因此，如果能設(shè)計出這樣一個跟蹤系統(tǒng)，保持電池板與太陽光線垂直，則可以極大提高電池板的發(fā)電效率．

現(xiàn)有的太陽能電池板跟蹤控制方法有勻速定時控制法、光強比較法、光敏電阻光強比較法．勻速定時控制法實現(xiàn)比較簡單，其原理主要是基于太陽一天的運動軌跡，因為不同季節(jié)的日出日落時間不同，系統(tǒng)的精度不能保證，累積誤差很大．光強比較法是通過兩塊成V字形的光電池板來比較光強確定是否垂直，其優(yōu)點是調(diào)節(jié)較為精確，電路也比較簡單，但兩個電池板之間的夾角始終存在，永遠無法達到真正意義上的垂直．光敏電阻光強比較法雖然可以避開前兩種控制方法的缺點，但是系統(tǒng)對于電阻的靈敏度要求很高，特別是在光照特別強或弱的條件下，一般的光敏電阻無法準確獲得相應(yīng)的跟蹤信號．另外，電阻的靈敏度越高，成本越高，后期信號處理越復(fù)雜，跟蹤系統(tǒng)的實時性越差．

本文針對勻速定時控制法中存在的一些問題，提出一種改進的跟蹤控制方法，在保證準確度的前提下實現(xiàn)了定時啟動、掉電記憶儲存、手動與自動切換等特定功能．在此基礎(chǔ)上，選擇歐姆龍PLC為控制器，完成了整個跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計．

1 跟蹤原理

即使對于固定的地點，太陽光線在一年四季不同時間內(nèi)的入射角也是不同的，通過查詢太陽能電站安裝地區(qū)的經(jīng)緯度可以得到太陽一年中不同時段日照中天的時間，從而計算出太陽直射太陽能電池板起始、終點位置的時間．太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)采用雙軸跟蹤，分別對高度角和方位角進行跟蹤．由于太陽和地球的周期運動，根據(jù)某地點的正午最大高度角和太陽移動的速度可推算出每天跟蹤系統(tǒng)的啟動時間．

太陽的東升西落是地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)共同作用的結(jié)果．利用天體運動學(xué)原理，計算出太陽的理論位置[2]：

高度角α：太陽光線與地平面的夾角．

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω.

(1)

方位角γ：太陽光線在地平面的投影與南北方向線之間的夾角．

sinγ=cosδsinω/cosα.

(2)

式(1)、(2)中：φ為當(dāng)?shù)鼐暥冉?；δ為赤緯角；ω為時角．

緯度角φ：緯度是指某點與地球球心的連線和地球赤道面所成的線面角，由地理位置唯一確定．

赤緯角δ：太陽光線與地球赤道面的夾角，僅與日期有關(guān)，第n天的赤緯可表示為[2]：

(3)

時角ω：可近似通過時間來獲得，其誤差可忽略．

ω=15(12-t).

(4)

由式(1)、(2)可知太陽高度角α及方位角γ可由當(dāng)?shù)鼐暥冉铅?、赤緯角δ、時角ω唯一確定，在緯度一定的情況下可以通過時角與方位角確定高度角與方位角．

如圖1所示，將太陽能板的旋轉(zhuǎn)軸(極軸)調(diào)整至與地軸平行，其安裝角即為當(dāng)?shù)鼐暥冉铅眨藭r可以通過極軸旋轉(zhuǎn)抵消地球的自轉(zhuǎn)．同時為保證太陽能電池板能與太陽光垂直，使電池板與極軸夾角為太陽赤緯角δ．通過計算可以證明，極軸式跟蹤一天太陽能板的俯仰角變化不大于0.4°，如果半個月調(diào)節(jié)一次，光強減弱程度不足0.5%，故俯仰角可以周期性機械調(diào)節(jié)，將二維運動轉(zhuǎn)化為一維，減少一臺電機，簡化了系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的制作與運行成本．

圖 1 極軸式跟蹤示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

1)跟蹤速度：5°/20min；返回速度：10°/20min．

2)該系統(tǒng)具備手動與自動調(diào)節(jié)切換功能，可以讓太陽能電池板在手動或者自動狀態(tài)下向左右旋轉(zhuǎn)．

3)起點、終點位置安裝有限位行程開關(guān)，用來保護太陽能電池板旋轉(zhuǎn)不超過機架限位位置．

4)PLC控制系統(tǒng)具有掉電記憶儲存功能，實時記錄旋轉(zhuǎn)跟蹤位置；在一天內(nèi)掉電而恢復(fù)來電時，根據(jù)掉電時的跟蹤位置記錄，自動跟蹤到實際位置．

5)控制系統(tǒng)要求具有電源指示燈、旋轉(zhuǎn)方向指示燈、故障急停按鈕．

6)太陽能電池板晚上12∶00時自動返回至起始位置．

2.2 硬件設(shè)計

跟蹤系統(tǒng)由控制器(歐姆龍CP1L)、驅(qū)動器、步進電機、跟蹤機構(gòu)、太陽能電池板組成．通過PLC控制步進電機驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對太陽軌跡的跟蹤，最大限度地利用太陽能(圖2)．

圖 2 跟蹤系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

2.2.1控制器采用歐姆龍CP1L—M60DR—A型號的控制器，由于太陽能跟蹤系統(tǒng)屬于小型控制系統(tǒng)，而CP1L系列就是針對小規(guī)模控制系統(tǒng)優(yōu)化的PLC，從硬件上大大降低了控制系統(tǒng)的成本．

CP1L系統(tǒng)PLC具有以下特點：

1)最大160點I/O擴展能力；

2)最大程序容量10 K步，最大數(shù)據(jù)容量32 K字；

3)高速計數(shù)相位差方式50 kHz×2軸；單相100 kHz×4軸；

4)最大2個串行通訊接口(RS232/RS485任選)．

2.2.2步進電機驅(qū)動器采用混合式步進電機驅(qū)動器，該類驅(qū)動器采用PWM方式驅(qū)動，具有工作電壓范圍寬、效率高，相電流、細分數(shù)可調(diào)，自動半流的特點，相電流設(shè)定從0.5～2 A，細分數(shù)設(shè)定有2、4、8、16、32、64共六檔，可滿足微步距驅(qū)動的要求．

2.2.3步進電機

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，每接收一個脈沖電機就轉(zhuǎn)過一定角度[3]．根據(jù)它的結(jié)構(gòu)一般可分為三種：永磁式(PM)、反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)．混合式步進電機融合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點，目前在市場上使用最為廣泛．步進電機沒有角累計誤差，故作為執(zhí)行機構(gòu)可保證較高的精度，可以采用開環(huán)控制．

通過選擇二相混合式步進電機，采用1/64的細分，改善了步進電機工作的旋轉(zhuǎn)位移分辨率，減少振動，降低工作噪音．由于跟蹤器要求有較高的保持轉(zhuǎn)矩，對電機轉(zhuǎn)速要求又不高，故在步進電機前增加減速器，增加電機保持轉(zhuǎn)矩，提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性．

2.3 軟件設(shè)計

軟件是系統(tǒng)的中樞，軟件質(zhì)量的優(yōu)劣決定了系統(tǒng)整體應(yīng)用的好壞．CX-Programmer 是OMRON公司新的編程軟件，可以實現(xiàn)梯形圖或語句表的編程、編譯檢查程序、程序和數(shù)據(jù)的上載及下載、設(shè)置PLC的設(shè)定區(qū)、對PLC的運行狀態(tài)或內(nèi)存數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和測試、打印程序清單、文檔管理等功能．

程序中主要實現(xiàn)的功能：定時啟動、定時復(fù)位、掉電記憶儲存、手動與自動調(diào)節(jié)切換、急停．

定時啟動、定時復(fù)位：采用歐姆龍編程中的時刻比較模塊(DT)，將每天要啟動的時刻(包含年、月、日、時、分、秒)保存在內(nèi)存中，與PLC內(nèi)部的時鐘進行比較，到達相應(yīng)的時間即啟動跟蹤程序．

定時啟動與定時復(fù)位采用的是查表法，根據(jù)氣象臺的數(shù)據(jù)得知一年中每天太陽處在最大高度角的時間，然后推出相應(yīng)的日出、日落時間．將這些數(shù)據(jù)編寫為十六進制，保存到PLC內(nèi)存中，便于控制每天電機啟動和復(fù)位的時間．如表1為部分日期的啟動時間及編碼設(shè)置．

表1 查表法內(nèi)存設(shè)置

采用查表法，可以按照每天要求的時間定時啟動和復(fù)位，避免了以往定時勻速控制法中的累積誤差，實現(xiàn)原理簡單，控制方便．

掉電記憶存儲：通過公式(5)，算出要求正常跟蹤下PLC發(fā)送的脈沖頻率．

ω=iθ/(N細分f).

(5)

式中：ω為電機轉(zhuǎn)速(°/s)；i為步進電機與電池板之間傳動比；θ為步進電機步距角(°)；N細分為步進電機驅(qū)動器細分數(shù)；f為正常跟蹤下PLC發(fā)送脈沖頻率．

然后，將f代入公式(6)，獲得跟蹤到實際位置要求的脈沖數(shù)．

f(△T+N/f')=N.

(6)

式中：△T為掉電與來電的時間差(這里只對時、分、秒求差)；N為跟蹤到實際位置要求的脈沖數(shù)；f'為快速跟蹤時PLC發(fā)送的脈沖數(shù)．

手動與自動切換：通過分別記錄手動和自動調(diào)節(jié)發(fā)送的脈沖數(shù)來實現(xiàn)．

N=N手動+N自動.

(7)

式中：N手動是手動調(diào)節(jié)下PLC發(fā)送的脈沖數(shù)；N自動是自動調(diào)節(jié)下PLC發(fā)送的脈沖數(shù)．

為了滿足設(shè)計的要求，控制系統(tǒng)中設(shè)計了6個輸入信號：啟動、停止、來電復(fù)位、自動追趕、手動調(diào)節(jié)、急停．

圖 3 系統(tǒng)控制流程圖

如圖3所示為整個系統(tǒng)的控制流程圖．當(dāng)某天啟動開關(guān)，等待核對時間，如1月1日7點56分啟動，啟動后如果突然斷電，過3個小時來電，在計算要求發(fā)送脈沖的個數(shù)的同時，太陽能電池板進行復(fù)位．然后根據(jù)操作人員的要求選擇自動檔或手動檔進行快速跟蹤，也可以在兩種檔位之間進行切換，最終跟蹤到實際位置，保持正常狀態(tài)下的跟蹤直至極限位置．晚上8點再次啟動電機，讓電池板復(fù)位到達初始位置．

3 結(jié)束語

本文主要針對太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)在一維上的調(diào)節(jié)，但是由于二維調(diào)節(jié)的類似性，該系統(tǒng)能夠很好的擴展到二維的跟蹤．與其他幾種跟蹤方式相比，該系統(tǒng)避免定時勻速調(diào)節(jié)的累積誤差，光強、光敏比較法外圍電路的復(fù)雜，更容易實現(xiàn)和維護，保證跟蹤精度的同時，也提高了經(jīng)濟效益．

[參考文獻]

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[2] 饒 鵬，孫勝利，葉虎勇．兩維程控太陽跟蹤器控制系統(tǒng)的研制[J] ．控制工程，2004，11(06)：542-545．

[3] 許守平，李 斌，馬勝紅．槽式太陽能熱發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)的研究[J]．計算機測量與控制，2008(11)：1 635-1 637．