基于GE 平臺(tái)的太陽能追日控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王俊傢，宋洪儒，李 巖

(銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院，安徽銅陵 244000)

常規(guī)的化石能源作為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷消耗將越來越不能適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需求，可再生能源將會(huì)越來越受到重視，太陽能作為地球上真正取之不盡、用之不竭的清潔能源，將是未來最理想的綠色新能源。目前其利用的有效途徑便是利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能［1］。太陽能追日系統(tǒng)以GE PAC技術(shù)為基礎(chǔ)，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)準(zhǔn)確追蹤太陽位置，并進(jìn)行同步追蹤，以保證獲得最大效率的光電轉(zhuǎn)化。

1 追日控制系統(tǒng)組成及硬件介紹

1.1 系統(tǒng)組成

太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)跟蹤太陽運(yùn)動(dòng)，使太陽光直射太陽能電池板組件，從而增加光伏陣列接收到的太陽輻射量，提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的總體發(fā)電量［2］。太陽跟蹤原理系統(tǒng)控制原理如圖1 所示。

圖1 太陽跟蹤原理系統(tǒng)控制原理圖

1.2 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是雙軸跟蹤，其具備兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，采用的跟蹤控制策略為主動(dòng)式跟蹤控制策略［3］，以步進(jìn)跟蹤方式實(shí)現(xiàn)，能夠很大程度上降低跟蹤系統(tǒng)自身能耗。采用云臺(tái)作為轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，電機(jī)選取為兩個(gè)12V 的直流電機(jī)，小型渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，分別控制太陽能電池板的水平和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。雙軸控制，水平旋轉(zhuǎn)360°俯仰180°，跟蹤精度為－1.5° ＜a ＜+1.5°。光傳感器安裝在太陽能電池板上，和電池板一起運(yùn)動(dòng)［4］?？刂铺柲茈姵匕褰M件運(yùn)動(dòng)，保持太陽能板方向與太陽光成90°角，由此可實(shí)現(xiàn)太陽能電池板組件的自動(dòng)跟蹤功能。

太陽跟蹤誤差校正傳感器采用四象限硅光電池［5］，使其光伏板的方向與太陽光照始終保持垂直而無偏離，PAC 控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備可使其俯仰角電機(jī)和水平角電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)確認(rèn)光軸垂直于太陽光線。兩塊硅光電池組組成的傳感器可區(qū)分光照強(qiáng)度的信號(hào)，其中的一個(gè)硅光電池可以接受太陽輻射，區(qū)分太陽光照的強(qiáng)弱，如果太陽光照很弱，晚上或陰雨天不會(huì)開啟自動(dòng)追日的跟蹤程序，可以避免盲目跟蹤造成的資源浪費(fèi)。第二個(gè)硅光電池使受光面背光，可以區(qū)分太陽光照的強(qiáng)弱，從而判斷太陽能電池組件自動(dòng)追日跟蹤程序的工作與否［6］。

2 追日控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的通信配置

Genius 網(wǎng)絡(luò)采用邏輯令牌環(huán)協(xié)議控制通信介質(zhì)的分配使用，每個(gè)站設(shè)備有唯一的站地址(SBA):從0 到31，每個(gè)站獲得令牌后，可發(fā)送128 字節(jié)的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)PLC 與分散I/O 之間的通信。給PLC 分配一個(gè)臨時(shí)IP 地址，建立連接以后，實(shí)際IP 地址可以通過編程器下載到觸摸屏的控制器中。選擇對(duì)應(yīng)的GBI001 模塊，對(duì)其進(jìn)行配置，如圖2 所示，將配置下載到PLC 上。運(yùn)行PLC，修改Q 寄存器的數(shù)值。相應(yīng)地，IC200GBI001 的寄存器的數(shù)字量輸出指示燈變亮。PAC 利用Genius 和遠(yuǎn)程I/O 之間通信成功。

圖2 Genius 通信網(wǎng)絡(luò)配置

2.2 追日系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在追蹤過程中，兩個(gè)投射燈模擬光源，晨日時(shí)自動(dòng)亮一盞燈，午日時(shí)亮兩盞燈，晚日兩盞燈同時(shí)滅。將兩燈固定在一根機(jī)械擺臂上，使擺臂自西向東旋轉(zhuǎn)，編寫自動(dòng)、手動(dòng)、保護(hù)控制程序。在模擬裝置中，機(jī)械擺臂比3 個(gè)固定模擬光源效果更好，機(jī)械擺臂上連接兩個(gè)300W 投射燈，模擬光源，光照效率更高，避免干擾;添加了保護(hù)程序，當(dāng)電機(jī)遇到限位開關(guān)時(shí)，編寫程序控制其向相反方向運(yùn)動(dòng)或停止［7］。

2.3 梯形圖程序編寫

本系統(tǒng)程序編寫包括Main 主程序和兩個(gè)子程序Auto 自動(dòng)和Protect 保護(hù)程序。Main 主程序中編寫復(fù)位程序，緊急停止時(shí)，停止所有輸出，清除信號(hào)復(fù)位，控制東西南北的電機(jī)，手動(dòng)開關(guān)，兩個(gè)模擬光源全部中斷。(2)Auto 子程序，從主程序中可調(diào)用，實(shí)現(xiàn)太陽能電池組件追日的自動(dòng)控制。控制云臺(tái)電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)分別控制電池板的東西和南北轉(zhuǎn)向以及正反轉(zhuǎn)，在編寫程序使電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖，軟硬件雙重保護(hù)。當(dāng)東西南北沒有光源信號(hào)時(shí)，停止輸出，清除信號(hào)復(fù)位，光伏板停止追日運(yùn)動(dòng)，避免盲目追日，節(jié)省能源。模擬裝置擺臂下方有3 個(gè)位置傳感器，模擬早中晚。當(dāng)擺臂觸發(fā)位置傳感器，控制器接受信號(hào)，程序完成控制模擬燈開啟個(gè)數(shù)，擺臂電機(jī)運(yùn)動(dòng)和云臺(tái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。(3)Protect 子程序，可從主程序調(diào)用。東、西、南、北4 個(gè)方向的任何一限位被觸發(fā)，中斷手動(dòng)、自動(dòng)狀態(tài)，向限位出發(fā)點(diǎn)相反方向運(yùn)行脫離硬限位并持續(xù)一段時(shí)間，東西南北雙線可并行，達(dá)到保護(hù)目的。

圖3 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖4 梯形圖程序

2.4 觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用15 寸Quick Panel Control IC754CSF15CTD－FG，有多種通訊接口選項(xiàng)，它將Proficy Logic Developer－Machine Edition 和Proficy View－Machine Edition 軟件的功能集成在一起，本設(shè)計(jì)是將其作為HMI(人機(jī)界面)與本地控制器和分布式控制應(yīng)用的結(jié)合。

3 調(diào)試結(jié)果

開啟電源，下載程序，通信連接成功，打開觸摸屏界面。點(diǎn)擊“Start Auto”系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)開啟。模擬光源的投射燈，晨光開啟，投射燈的電機(jī)擺臂從東限位運(yùn)行到中間限位;此時(shí)，另一光源自動(dòng)開啟，模擬中午的太陽。在此過程中，光電傳感器接受到東西方向的光信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鳎刂破鲌?zhí)行自動(dòng)程序，并輸出相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而控制太陽能電池板組件的追日運(yùn)動(dòng);模擬光源的擺臂繼續(xù)從中午的限位運(yùn)動(dòng)的到晚上的限位即西限位，此時(shí)燈自動(dòng)關(guān)閉，在此過程中太陽能電池板自動(dòng)調(diào)整角度，使模擬光源垂直照射到光伏板上，自動(dòng)追日運(yùn)動(dòng)調(diào)試順利。點(diǎn)擊“Manual on”手動(dòng)控制系統(tǒng)開啟，分別點(diǎn)擊“South move”“North move”“West move”“East move”太陽能電池板可自動(dòng)向南北西東運(yùn)行;分別點(diǎn)擊“Morning light”“l(fā)ight”手動(dòng)控制模擬光源;分別點(diǎn)擊“Motor positive”“Motor negative”控制電機(jī)擺臂正反轉(zhuǎn);點(diǎn)擊“Manual off”手動(dòng)控制關(guān)閉。在自動(dòng)運(yùn)行追日過程中，光伏板觸碰到東西南北任一限位時(shí)，自動(dòng)保護(hù)程序開啟，此時(shí)太陽能電池板向相反的方向運(yùn)動(dòng)幾秒后，停止，保護(hù)設(shè)備?！皊top”緊急按停，停止追日運(yùn)動(dòng)。調(diào)試運(yùn)行成功。

圖5 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

基于GE PAC 的自動(dòng)控制追日系統(tǒng)，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)準(zhǔn)確追蹤太陽位置，并進(jìn)行同步追蹤，以保證獲得最大效率的太陽能。通過光電傳感器，把接收到的光信號(hào)通過控制盒進(jìn)行光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過控制器PAC 進(jìn)行信號(hào)處理，由其輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，通過繼電器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)相應(yīng)的位置調(diào)整即水平和俯仰運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽能電池追日運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次的設(shè)計(jì)模擬操作、運(yùn)行和對(duì)比方案，最終確定高效的硬件模塊和最優(yōu)的程序設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)證明，該方案可以有效地提高太陽能電池板的追蹤精度以及太陽能的轉(zhuǎn)化效率。

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