繆德俊，戴亦宗

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州225009)

隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，太陽能等新能源的開發(fā)、利用越來越受到社會(huì)的關(guān)注，太陽能是一種理想的清潔綠色能源，但轉(zhuǎn)換率不高，造成了太陽能利用的局限性很大。如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換率、降低發(fā)電系統(tǒng)建造成本是研究太陽能發(fā)電系統(tǒng)的兩大難題[1]。

本系統(tǒng)利用安裝在太陽能電池組件的不同方位光敏傳感器檢測(cè)太陽與電池組件相對(duì)位置，檢測(cè)結(jié)果傳輸給PLC，PLC通過變頻器、伺服放大器分別驅(qū)動(dòng)三相低速同步電機(jī)和伺服電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)水平角和俯仰角兩軸控制。用戶通過GOT可以選擇系統(tǒng)工作模式:自動(dòng)、手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，系統(tǒng)首先通過雨水傳感器檢測(cè)天氣情況，如是雨天則自動(dòng)停止在原位不工作;非雨天情況下，系統(tǒng)則進(jìn)一步自動(dòng)辨別陰晴天氣，非陰天系統(tǒng)自動(dòng)追蹤太陽，以使太陽能電池組件的輻照最大化。手動(dòng)模式下，用戶可以依據(jù)需求手動(dòng)調(diào)節(jié)太陽能電池組件的水平角和俯仰角。同時(shí)系統(tǒng)具有惡劣天氣自我保護(hù)功能，如強(qiáng)風(fēng)天氣，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將太陽能電池組件保持水平位置，以減少迎風(fēng)面。

1 系統(tǒng)工作原理

基于PLC的控制系統(tǒng)以三菱FX-2N型PLC為控制核心，由太陽能電池板、傳感器、PLC基本單元FX3u-32MT、PLC模擬量輸入模塊FX3u-4AD，PLC模擬量輸出模塊FX3u-4DA、通訊單元FX3u-485-ADP、變頻器、雨天傳感器、風(fēng)速傳感器、觸摸屏組成，系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 太陽跟蹤與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

本系統(tǒng)選擇光電追蹤方式，采用九個(gè)信號(hào)控制，四個(gè)方位角檢測(cè)信號(hào)，一個(gè)陰晴天檢測(cè)信號(hào)，兩個(gè)水平方位極限角，兩個(gè)俯仰方位極限角。分為東西水平方向和俯仰角控制，水平方向通過變頻器驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，水平方向最大限位角度為180°，俯仰角度最大90°，電機(jī)和機(jī)械裝置之間的配合采用渦輪蝸桿傳動(dòng)，傳動(dòng)比30∶1，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)30圈，裝置才轉(zhuǎn)1圈，保證了系統(tǒng)的精度。俯仰角度的控制是通過伺服電機(jī)來調(diào)整，同樣要求低速，采用同樣的方法。由于伺服電機(jī)本身非常精確，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上采用同步帶輪，使用同步帶輪可以減少在傳動(dòng)過程中的誤差。晴天時(shí)用四個(gè)方位角傳感器跟蹤，若太陽光線沒有垂直于太陽能板，此時(shí)傳感器輸出信號(hào)輸入到PLC，經(jīng)處理后將驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)整太陽能板的位置，使其對(duì)準(zhǔn)太陽，實(shí)現(xiàn)跟蹤;陰雨天時(shí)太陽能板不運(yùn)行自動(dòng)回原點(diǎn);當(dāng)大風(fēng)時(shí)，太陽能板將自動(dòng)平放，以減少風(fēng)的阻力，防止大風(fēng)對(duì)裝置的損壞[3]。

2 系統(tǒng)組成

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由3部分組成，見圖2。

(1)底座

用來固定水平方向三相同步電機(jī)和減速器(渦輪蝸桿)，并支撐其上部結(jié)構(gòu)。減速器的輸出軸(渦輪軸)垂直放置在底座的正中心，輸入軸(蝸桿軸)和三相同步電機(jī)用聯(lián)軸器連接。在底座上固定3根等長(zhǎng)方形支架，支撐直徑360mm的中間圓盤，用螺栓固定，間接和底座固定。

(2)圓盤

中間圓盤上開直徑40mm的孔，車一個(gè)放置平面軸承的槽。通過電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)，帶動(dòng)其上結(jié)構(gòu)繞軸旋轉(zhuǎn)。上層圓盤上車一個(gè)放置平面軸承的槽，焊一個(gè)帶盲孔的圓柱體，軸線和圓盤軸線重合，盲孔和底座的減速器用銷連接。上層圓盤上表面通過焊接固定2個(gè)L形帶圓孔的等長(zhǎng)板材和n形帶長(zhǎng)孔螺母的板材。2塊L形板材相對(duì)安放在過圓心的上層圓盤上，保證L支架平行，2圓孔的軸線過圓盤的圓心。將減速器和伺服電機(jī)用聯(lián)軸器安裝固定在L形板材上，板材上打孔，通過螺栓連接將電機(jī)和減速器固定在n形板上，n形板焊在過上層圓盤圓心且和軸垂直的位置上。減速器的輸出軸用銷和同步帶輪固定，同步帶輪和軸上帶輪平行。

圖2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

(3)太陽能電池支架

用角鋼參照電池板尺寸鋼焊接支架，同時(shí)用型材焊一個(gè)外框在與軸連接的部分，本系統(tǒng)考慮拆裝方便前提下，采用抱箍固定在軸上。

2.2 光電傳感器

太陽位置光電傳感器是光電追蹤方式中很重要的一個(gè)部件，其探測(cè)可靠性決定了系統(tǒng)的追蹤準(zhǔn)確性，繼而影響系統(tǒng)的發(fā)電效率。它對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的重要性不可忽視[4]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳感器如圖3所示，R1、R2為1KΩ電阻，R5為10KΩ電阻，R4為可調(diào)電阻，阻值為0－10KΩ，R5為1K電阻，三極管8050的集電極接中間繼電器的線圈。當(dāng)有光照射達(dá)到光敏電阻，阻值發(fā)生減小，一旦比可調(diào)電阻預(yù)設(shè)的阻值小，經(jīng)過放大器讓三級(jí)管導(dǎo)通，中間繼電器的線圈通電，常開觸頭吸合，以此來給PLC信號(hào)，表示此方向已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)太陽。同時(shí)該傳感器可根據(jù)當(dāng)?shù)孛吭缕骄柟庹諒?qiáng)度，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值，達(dá)到最佳的控制效果。

光電傳感器安放的位置和方法直接影響傳感器的檢測(cè)精度，因?yàn)楣饷綦娮枋屈c(diǎn)元件，所以接受光能的范圍比較廣，如果直接暴露在陽光下會(huì)降低整個(gè)太陽追蹤系統(tǒng)的精度，所以本文設(shè)計(jì)采用在光敏電阻外部安裝遮光套，根據(jù)安裝不同地方作具體的調(diào)整。四個(gè)傳感器分別安裝于太陽能電池板的四周，還有一個(gè)陰晴天檢測(cè)傳感器安裝于支架上，五個(gè)傳感器比較電路集成在一塊印制電路板上，安裝于太陽能電池板的后面，并作避雨處理。

圖3 光電傳感器原理

2.3 雨水傳感器

雨水傳感器采用兩根導(dǎo)線交叉式按布在電路板上靠的很近但不導(dǎo)通，連接到PLC端子是X0，當(dāng)雨水滴落到傳感器上時(shí)，兩根導(dǎo)線導(dǎo)通，此時(shí)向PLC傳送雨天信號(hào)，PLC傳送出動(dòng)作信號(hào)，執(zhí)行回原點(diǎn)程序，保護(hù)裝置。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 控制原理

本系統(tǒng)根據(jù)春夏秋冬四季太陽入射光強(qiáng)度的不同，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，根據(jù)不同的電壓變化在一定的范圍內(nèi)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量給PLC執(zhí)行器，PLC根據(jù)一定的規(guī)則，控制系統(tǒng)運(yùn)行，控制規(guī)則如表1。

3.2 程序設(shè)計(jì)

主程序要能是實(shí)現(xiàn)裝置在水平方向上電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)觸碰到西限位開關(guān)，三相電機(jī)能夠停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后轉(zhuǎn)向原來最東邊的初始位置，轉(zhuǎn)動(dòng)到最東邊時(shí)觸碰到東限位角時(shí)，整個(gè)裝置進(jìn)入等待狀態(tài)，等待第二天太陽再次升起的時(shí)候再次轉(zhuǎn)動(dòng);太陽能電池板俯仰角在隨太陽高度角變化而變化的時(shí)候，裝置需要限制太陽電池板的運(yùn)動(dòng)，俯仰角最大不能超過90°，最小不能小于0°。

表1 控制規(guī)則

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以PLC為核心控制器，采用的光電跟蹤方式，可根據(jù)天氣情況自行選擇是否工作，在提高太陽利用率的同時(shí)，系統(tǒng)工作更穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，其控制效果良好，提高了控制精度，能在復(fù)雜的天氣環(huán)境下實(shí)時(shí)追蹤太陽，提高太陽能轉(zhuǎn)化成電能的效率。

[1]劉金城，任松林.主動(dòng)式太陽跟蹤及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].重慶:重慶大學(xué)，2008.

[2]萬里瑞.太陽能電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008(3):156－158.

[3]于賀軍.全自動(dòng)太陽跟蹤器軟件的設(shè)計(jì)和研究[J].氣象水文海洋儀器，2001(2):7－11.

[4]李加升.基于光敏器件的光控電路分析[J].中國科技信息，2005(14):8－10.