基于PLC 的雙軸逐日控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

蘭 艦，鞠振河，楊 明，李瀟瀟，邢 佳

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院a.研究生部；b.新能源學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.遼寧能源投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 新能源發(fā)展部，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3.遼寧太陽(yáng)能研究應(yīng)用有限公司 工程部，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

隨著石油煤炭等不可再生能源的大量使用，不可再生能源已逐漸枯竭，這就意味著我們需要大力開發(fā)可持續(xù)性能源來(lái)補(bǔ)充甚至替代化石能源的缺口。由于太陽(yáng)能安全穩(wěn)定且清潔無(wú)污染，所以它已經(jīng)成為最受關(guān)注的可持續(xù)能源之一，被越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注和研究［1］。

由于太陽(yáng)的光照強(qiáng)度隨著地球的自轉(zhuǎn)而不斷變化，因此要調(diào)整太陽(yáng)能電池板方向使其與太陽(yáng)光線時(shí)刻保持垂直。通過(guò)光線隨時(shí)垂直照射到太陽(yáng)能電池板上來(lái)提高單位面積的電池板的接收效率成了目前研究的重點(diǎn)。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的光伏跟蹤系統(tǒng)可以將整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率提高40%，而逐日裝置伺服電機(jī)本身一年的耗電只有20 kW·h，其成本低廉，安裝方便［1-2］。目前的逐日自動(dòng)追蹤系統(tǒng)主要有太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤和光照夾角計(jì)算兩種［3］。與傾角固定式光伏系統(tǒng)相比較，雙維逐日系統(tǒng)可以提高單位面積的光電轉(zhuǎn)化效率［4］。本文的研究重點(diǎn)為如何通過(guò)光電傳感器與PLC 技術(shù)的結(jié)合來(lái)尋找太陽(yáng)光垂直射入角度，從而實(shí)現(xiàn)逐日追蹤。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)有所不同，當(dāng)采集光照強(qiáng)度時(shí)，在光伏電池片同一水平面的上下左右邊框中心安裝規(guī)格相同的光照傳感器作為光強(qiáng)檢測(cè)裝置，通過(guò)光照傳感器測(cè)得電池片四周的光照強(qiáng)度并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光生電流，將采集的電流通過(guò)轉(zhuǎn)換放大電路以及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸入到PLC 中，通過(guò)PLC 內(nèi)部設(shè)定的程序計(jì)算出與光照強(qiáng)度一致的角度，即太陽(yáng)光的垂直射入角度，調(diào)節(jié)光伏電池板支架上的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的垂直照射，達(dá)到盡可能大的能量轉(zhuǎn)換率。為了避免裝置的頻繁啟動(dòng)，系統(tǒng)添加了固定時(shí)間間隔的自啟動(dòng)程序［4］。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)模塊的選型

該逐日系統(tǒng)采用雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)，即在豎直方向0～90°及水平方向-90°～90°內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量及系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)算程序控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而將光伏電池片調(diào)節(jié)到與太陽(yáng)光垂直的位置。

該逐日系統(tǒng)的硬件主要有光照傳感器、西門子PLC、模擬量轉(zhuǎn)換模塊、增量式編碼器、直流伺服電機(jī)等［5］。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)光照射在光伏電池片上，其邊框上的光照傳感器對(duì)光伏電池片四周的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，光照傳感器產(chǎn)生的光感電流通過(guò)轉(zhuǎn)換放大電路，轉(zhuǎn)化為合適的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將其輸送到PLC 中，通過(guò)PLC 內(nèi)部程序?qū)﹄妷哼M(jìn)行處理，從而調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到對(duì)太陽(yáng)光自動(dòng)追蹤的效果。為了防止系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)，該過(guò)程間隔相應(yīng)的時(shí)間自行啟動(dòng)。

2.1 光照強(qiáng)度檢測(cè)及放大裝置

光照強(qiáng)度檢測(cè)的精準(zhǔn)程度對(duì)逐日系統(tǒng)有重要的影響，因此光照傳感器及其安裝位置的選擇為本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。綜合考慮轉(zhuǎn)換放大電路電流標(biāo)準(zhǔn)、靈敏度及其他因素指標(biāo)，本設(shè)計(jì)選擇RS-GZ-I20-2光照強(qiáng)度傳感變送器進(jìn)行光照強(qiáng)度檢測(cè)。RSGZ-I20-2 能檢測(cè)最大量程為65 535 Lx 的光照強(qiáng)度，并能將0～65 535 Lx 的光照強(qiáng)度相應(yīng)轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA 的電流輸出［6］，其電流大小與轉(zhuǎn)換放大電路相適應(yīng)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換放大后的電壓數(shù)值適合EM231模塊工作。如圖2所示，在光伏電池片四周邊框上安裝4 個(gè)規(guī)格參數(shù)完全相同的RS-GZ-I20-2光照度傳感器，設(shè)4 個(gè)光照傳感器的光感電流分別為In、Is、Ie、Iw，通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。為了便于信號(hào)后期的處理，將電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路轉(zhuǎn)化為適應(yīng)于EM231 模塊的電壓值。轉(zhuǎn)換放大電路如圖3所示。

圖2 光照強(qiáng)度傳感器安裝位置

圖3 轉(zhuǎn)換放大電路

在光照強(qiáng)度檢測(cè)裝置后設(shè)置的轉(zhuǎn)換放大電路將RS-GZ-I20-2 光照度傳感產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換放大為合適的電壓信號(hào)以便于檢測(cè)，通過(guò)反饋電阻R12及集成運(yùn)算放大器A8 實(shí)現(xiàn)電流與電壓之間的轉(zhuǎn)換，將光伏電池板產(chǎn)生的電流I換為電壓信號(hào)，然后再通過(guò)運(yùn)算放大器A9同相比例放大以后輸出電壓U，此時(shí)就可得到輸出電壓U與光生電流I的關(guān)系式為

式中，R12為轉(zhuǎn)換電路反饋電阻；R13、R14為放大電路調(diào)節(jié)電阻。

由式（1）可知，光強(qiáng)檢測(cè)電路的輸出信號(hào)U與光伏電池的光生電流I成正比關(guān)系，又知光生電流與太陽(yáng)光照強(qiáng)度成正比，所以光強(qiáng)檢測(cè)輸出電壓U也與太陽(yáng)光照強(qiáng)度成正比。因此，通過(guò)轉(zhuǎn)換放大電路可以精準(zhǔn)得到光伏板四周的光照強(qiáng)度大小。

經(jīng)轉(zhuǎn)換放大的電壓分為兩組，一組為垂直方向電壓Un和Us，另一組為水平方向電壓Ue和Uw。通過(guò)式（2）、（3）計(jì)算可得，當(dāng)△Ux=△Uy=0 時(shí)，太陽(yáng)光照射點(diǎn)即為光伏電池板的中心，這時(shí)太陽(yáng)光與光伏電池板垂直。

2.2 EM231轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置

由于PLC內(nèi)部只能處理數(shù)字信號(hào)，而從光伏電池板經(jīng)轉(zhuǎn)換放大電路輸出的為模擬信號(hào)，因此選擇EM231 模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC 可處理的數(shù)字信號(hào)。將光伏電池板四周電壓信號(hào)分別接入EM231模塊的A路、B路、C路、D路，其對(duì)應(yīng)順序如表1所示。

表1 EM231模塊線路分配

其控制電路接線如圖4所示。

圖4 控制電路接線

2.3 PLC的I/O口分配及電路設(shè)計(jì)

PLC 的I/O 分配及接線圖分別如表2、圖5 所示。PLC 的開關(guān)量輸入端設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)切換按鈕，啟動(dòng)和停止按鈕、4 路方向手動(dòng)按鈕；PLC 的輸出開關(guān)量分別控制4 路繼電器KA1～KA4，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。PLC 能夠根據(jù)能源在各種不可控條件下的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，掌握著整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)能管理［7］。

表2 PLC的I/O分配

圖5 PLC的I/O接線

3 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

當(dāng)光伏電池板角度未經(jīng)過(guò)調(diào)整時(shí)，太陽(yáng)光與光伏電池板呈非垂直狀態(tài)，光伏板的四邊所受到的輻射量是不同的。因此，光伏板四周的光照強(qiáng)度傳感器所受光照強(qiáng)度不同。同時(shí)，感應(yīng)產(chǎn)生的光生電流也不同。通過(guò)轉(zhuǎn)換放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換將光伏板四周的光生電流轉(zhuǎn)換為相適應(yīng)的工作電壓輸入到PLC內(nèi)部，通過(guò)對(duì)四周電壓上下左右兩兩對(duì)比作差，進(jìn)而通過(guò)差值大小來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)調(diào)節(jié)相應(yīng)的角度，其程序流程如圖6所示。

將采樣值通過(guò)模擬量通道AIW0、AIW2、AIW4、AIW6 傳送到PLC 中，并將其分別保存到模擬量變量存儲(chǔ)區(qū)VW100、VW102、VW104、VW106中，作為光伏電池板四邊電壓Un、Us、Ue、Uw的采樣數(shù)據(jù)。通過(guò)減法程序計(jì)算出VW100 與VW102 及VW104 與VW106 的差值，即為△Ux和△Uy。當(dāng)△Ux＞0 時(shí)，水平方向電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)（光伏板向西旋轉(zhuǎn)）；當(dāng)△Ux＜0 時(shí)，水平方向電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)（光伏板向東旋轉(zhuǎn)）；當(dāng)△Uy＞0 時(shí)，垂直方向電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)（光伏板向南旋轉(zhuǎn)）；當(dāng)△Uy＜0 時(shí)，垂直方向電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)（光伏板向北旋轉(zhuǎn)）。

為防止系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)，可根據(jù)系統(tǒng)的跟蹤精度、跟蹤效益以及光照情況等設(shè)定延時(shí)時(shí)間，一般是10 min～20 min。

圖6 系統(tǒng)的總程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的光伏逐日系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用4個(gè)規(guī)格參數(shù)完全相同的光照強(qiáng)度傳感器作為光強(qiáng)檢測(cè)裝置，更加精確地檢測(cè)光伏電池板與太陽(yáng)光所成的角度，簡(jiǎn)化了現(xiàn)有的逐日裝置。同時(shí)也提出了一種新的逐日方法，直接通過(guò)光伏板四周光照強(qiáng)度的差值來(lái)尋找光伏板平面與太陽(yáng)光的垂直焦點(diǎn)，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。