光伏充電樁自動跟蹤系統(tǒng)

陳超超++朱珠

文章編號：2095-6835（2017）10-0036-03

摘 要：隨著化石能源的不斷開采，減少和取代不可再生能源的使用，大力推廣太陽能符合當今節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境。在太陽能充電樁的應用基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款基于工業(yè)計算的雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)，從而提高光伏充電樁中的太陽能利用率。通過光伏充電樁上的太陽能電池板對太陽的同步追蹤，研究確定太陽運行軌跡跟蹤方式與光電跟蹤方式的混合跟蹤方案，最大限度地提高了太陽能利用率，并實現(xiàn)了對太陽陰晴狀況的判斷及太陽方位精確追蹤。系統(tǒng)主要包括太陽能跟蹤控制系統(tǒng)傳感器、跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、確定太陽位置的算法、PLC可編程控制器軟硬件功能實現(xiàn)等。

關(guān)鍵詞：光伏充電樁；PLC；光電追蹤；太陽能利用率

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.041

1 太陽能跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計

1.1 雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)

所謂“雙軸跟蹤機構(gòu)”，就是能夠在東西南北4個方向同時跟蹤太陽能，使太陽能電池板能夠?qū)崟r與太陽保持垂直關(guān)系，以期獲得最大太陽能轉(zhuǎn)化效率。本文主要采用高度角與方位角式雙軸跟蹤方法。

高度角與方位角跟蹤方法是在天球坐標系下建立的，跟蹤機構(gòu)有1個方位軸、1個高度軸。太陽能電池板繞方位軸跟蹤太陽方位角的變化，繞高度軸跟蹤太陽高度角的變化，在太陽輻射強烈的地區(qū)可以提高30%的發(fā)電效率。這種跟蹤裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單，而且跟蹤精度相對較高。執(zhí)行機構(gòu)的下部的電機為方位角電機，控制方位角上的角度跟蹤，上部電機為高度角電機，控制高度角上的角度變化。

1.2 光電追蹤設(shè)計

光電追蹤主要采用光電傳感器或探測器等確定太陽位置，將得到數(shù)據(jù)返回到控制系統(tǒng)中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后進而控制太陽能電池板的朝向，主要使用角度傳感器等器件，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有高精度、高靈敏度等優(yōu)點，易受天氣影響。如果遇到陰雨天氣或霧天，則光電傳感器失靈，整個追蹤系統(tǒng)就無法正常工作。

1.3 視日運動軌跡追蹤

太陽運動軌跡追蹤主要是根據(jù)天文和地理學等對天體運動進行研究，使用控制裝置處理器，實時計算出當前時間和地區(qū)的太陽位置，進而調(diào)整太陽能電池板的朝向，使其與太陽垂直。從自動控制原理的角度看，其屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。本方法稱為視日運動軌跡追蹤方法，不受天氣影響，可以全天實時追蹤，穩(wěn)定性和連續(xù)性均有保證。但本方案為開環(huán)控制，易造成誤差積累。

1.4 混合控制方案

針對開環(huán)控制和閉環(huán)控制的優(yōu)缺點，綜合兩種方案，本文提出了混合控制方案，即采用光電傳感器追蹤和視日運動軌跡追蹤方案混合控制。該系統(tǒng)先根據(jù)太陽運動算法（SPA）對太陽位置進行精確計算，得到實時太陽所處的高度角和方位角，通過處理器進行處理，進而控制太陽能電池板運動，盡可能使太陽能電池板與太陽垂直，這個過程稱為粗調(diào)；利用光電傳感器確定太陽與太陽能電池板的相對位置，根據(jù)反饋得出運動軌跡追蹤誤差，并進行相應調(diào)整，這個過程稱為微調(diào)，基本可以保證太陽能電池板與太陽垂直，獲得最大轉(zhuǎn)化效率；設(shè)置定時器裝置，每分鐘執(zhí)行一次上述方案，1 min即為追蹤周期。

2 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

太陽跟蹤系統(tǒng)主要包含3個模塊，分別為跟蹤控制模塊、步進電機模塊、傳感器檢測模塊。傳感器檢測模塊主要用于自動跟蹤系統(tǒng)的信息采集，它由信號處理電路和傳感器組成。跟蹤控制模塊包括工業(yè)計算機、電源模塊、串口模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路，步進電機模塊由步進電機及其驅(qū)動模塊PLC組成。

3 太陽跟蹤控制器的設(shè)計

3.1 可編程邏輯控制器（PLC）

PLC向步進電機發(fā)出控制指令，使其可以控制太陽能電池板轉(zhuǎn)向正對太陽的角度。計算機僅具備追蹤程序，不具備直接向步進電機發(fā)送模擬信號的接口，因此，選用可編程邏輯控制器作為中間接口設(shè)備。

PLC加入編程邏輯后，可實現(xiàn)非常復雜和精確的控制功能，其I/O接口豐富，支持模擬和數(shù)字信號的輸入輸出，平均無故障工作時間可達數(shù)萬小時以上，可靠性強。本系統(tǒng)中PLC通過以太網(wǎng)與Tracker連接在同一網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)集中管理。Tracker通過Modbus/TCP通信協(xié)議同時控制多個PLC，而一個PLC對應控制一個太陽能電池板陣列，可以實現(xiàn)分散管理，依靠其脈沖輸出控制光伏陣列對應的2臺步進電機。

3.2 步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的開環(huán)控制原件，電機的轉(zhuǎn)速由輸入脈沖的頻率決定，位移量由輸入脈沖的數(shù)量決定，其不受負載變化的影響，步進電機每收到1個信號就會按照預設(shè)方向移動1個固定角度。在實際應用時，可以通過控制脈沖頻率控制電機的速度和加速度，同時，可以通過控制脈沖數(shù)量來控制電機的位移量。步進電機作為執(zhí)行元件，廣泛用于自動控制系統(tǒng)。

在追蹤控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)經(jīng)過計算后，可確定步進電機需移動的步進值，并通過控制命令傳遞給PLC進行中間轉(zhuǎn)換，再將脈沖信號發(fā)送給步進電機，進而控制太陽能電池板旋轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)精準定位，不會產(chǎn)生誤差積累。

3.3 四象限光電探測器工作原理

光強檢測裝置由4路數(shù)字光強傳感器模塊組成，4路GY-30光強傳感器模塊分別位于光強檢測裝置XY水平面的象限點上。水平面分為東、南、西、北4個方向，將平面遮光擋板分別沿一三、二四象限的角平分線設(shè)置，同時，用圓形遮光擋板將4路傳感器包圍在其內(nèi)部，可以減少光線對相鄰傳感器的干擾。

光強傳感器模塊將采集到的光強信息分別送入控制系統(tǒng)中進行處理，受到外界環(huán)境影響，入射光在探測器表面上的光斑大小和能量分布會有一定的誤差，因此，本系統(tǒng)選擇了經(jīng)過優(yōu)化的探測算法，以減少系統(tǒng)誤差。

4 視日運動軌跡追蹤控制子系統(tǒng)

對于對太陽的追蹤，該算法可以根據(jù)地理位置和時間等參數(shù)計算出任意地點和時間的太陽位置。為了更高效地利用太陽能，要求該算法有比較高的精確度，因此，需要使用可靠的坐標系統(tǒng)。在地球上，可以用經(jīng)緯度坐標來表示任何一個位于地球表面的地點，這里引入天文學中的地平坐標系，可以使用高度角和方位角來指示天體相對于地球上某觀測點的位置。地平坐標系以地平圈為基準，用高度角α（0°<α<90°）和方位γ（-180°<γ<180°）確定太陽位置，其中，高度角α為太陽直射光線與地平面的夾角，方位角γ為太陽直射光線在地平面上的投影線與正南方向的夾角，向西（順時針方向）為正，向東（逆時針方向）為負。本系統(tǒng)通過控制雙軸跟蹤機構(gòu)的2個旋轉(zhuǎn)軸的角度來實現(xiàn)對方位角γ和高度角α的跟蹤。

太陽高度角α方位角γ之間的函數(shù)關(guān)系為：

Sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω.（1）

（2）

式（1）（2）中：φ為測點緯度；δ為太陽赤緯角；ω為時角。

一年內(nèi)第n天的太陽赤緯角δ為：

（3）

時角ω為：

ω=（12-Tz）×15°. （4）

式（4）中：TZ為被測地點的真太陽時。

5 四象限光電探測器定位子系統(tǒng)

5.1 工作原理

太陽光通過附屬光學裝置的圓孔透射到四象限探測器上，形成光斑。為了理論分析簡便，假設(shè)光斑呈正圓形且光斑的能量分布均勻，當光斑位于四象限探測器的中心時，光斑在4個象限中分布相同，即都為1/4圓，進而經(jīng)過光電感應后，各個象限會輸出大小相等的感應電流。

當光斑相對中心位置產(chǎn)生偏移時，各個象限中光斑的大小不同，接收到的光輻射能量也不同，就會輸出不同大小的感應電流，之后通過算法對4個不同大小的電流值進行處理，可以推導出光斑相對四象限探測器中心的偏移量，從而完成光電探測與定位操作。

5.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

當太陽光照射到裝置上時，先由4個光電池進行太陽光的粗跟蹤，光電池4個輸入電壓的差值進入PLC，輸出信號驅(qū)動電機進行太陽高度角和方位角的調(diào)整，確定太陽的方向。太陽光將照射在四象限光電探測器上，在光電池的粗定位電路輸出在一定范圍內(nèi)后，探測器輸出的4路微弱電流信號進行放大、濾波、數(shù)據(jù)采集后進行處理，由PLC帶動步進電機運轉(zhuǎn)進行裝置的精確定位。

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〔編輯：張思楠〕