趙啟純

(深圳市富通宇(通恒)科技有限公司，廣東 深圳 518109)

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太陽(yáng)能電池板跟蹤控制系統(tǒng)改進(jìn)探究

趙啟純

(深圳市富通宇(通恒)科技有限公司，廣東 深圳 518109)

摘要:文章提出了太陽(yáng)能電池板跟蹤控制的有效方法，該方法可手動(dòng)和自動(dòng)切換，靈活地進(jìn)行急停控制，操作簡(jiǎn)單、制作成本低，論述了太陽(yáng)能電池板跟蹤控制系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)改進(jìn)要求、硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池板；跟蹤控制；步進(jìn)電機(jī)

1　太陽(yáng)能電池板跟蹤控制系統(tǒng)原理

在實(shí)際研究過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)在相同地點(diǎn)的太陽(yáng)光線是變化的，即一年四季光線的入射角不一樣。因此，工作中可以對(duì)太陽(yáng)能電站的安裝位置進(jìn)行查詢，了解該位置一年所吸收的熱量，以及在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的熱量情況。通過(guò)分析計(jì)算出太陽(yáng)光照射的重點(diǎn)位置、時(shí)間，以及太陽(yáng)電池板起始工作時(shí)間。太陽(yáng)能電池跟蹤系統(tǒng)利用雙軸跟蹤法能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的跟蹤。太陽(yáng)能電池板的啟動(dòng)時(shí)間是根據(jù)正午太陽(yáng)最大高度角和太陽(yáng)移動(dòng)速度算出來(lái)的，比較準(zhǔn)確。高度角指太陽(yáng)光線和地平面產(chǎn)生的夾角。方位角指的是太陽(yáng)光線的投影在南北向之間形成的夾角，根據(jù)公式計(jì)算這些夾角，從而準(zhǔn)確地確定其位置。在這里會(huì)涉及到緯度、赤緯角、時(shí)角等，根據(jù)公式可以確定出太陽(yáng)之高度角和方位角，其受到赤緯角和時(shí)角控制，而且這個(gè)控制是唯一的。當(dāng)緯度一定時(shí)，通過(guò)確定時(shí)角和方位角從而得出高度角和方位角。根據(jù)所計(jì)算的對(duì)象，需要將太陽(yáng)能板的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行調(diào)整，將其調(diào)整接至與地軸平行，這樣就可以在安裝角位置確定當(dāng)?shù)氐木暥?。?dāng)安裝角度發(fā)生改變時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥燃右源_定。從以上的分析可知，俯仰角能夠周期性機(jī)械調(diào)節(jié)，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠把原來(lái)的二維運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S。采用這種方式之后能有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)地結(jié)構(gòu)，降低整個(gè)系統(tǒng)的制作難度和運(yùn)營(yíng)成本。

2　太陽(yáng)能電池板跟蹤控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)計(jì)要求

跟蹤速度保持在5°/20 min，返回的速度是10°/20 min，這是第一個(gè)設(shè)計(jì)要求。跟蹤的速度要準(zhǔn)確，才能與觀測(cè)對(duì)象運(yùn)行速度一致。該系統(tǒng)具備手動(dòng)、自動(dòng)調(diào)節(jié)切換功能，可以使太陽(yáng)能電池板自動(dòng)旋轉(zhuǎn)和手動(dòng)旋轉(zhuǎn)。起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置安裝同限位形成緊密聯(lián)系，在實(shí)際工作過(guò)程中科學(xué)合理地設(shè)置這兩點(diǎn)的位置才能夠保證太陽(yáng)能電池板旋轉(zhuǎn)方向準(zhǔn)確，滿足機(jī)架限位位置需求。PLC系統(tǒng)有掉電記憶儲(chǔ)存功能，可以記錄一天的旋轉(zhuǎn)跟蹤位置，更好地確定計(jì)算周期和時(shí)間。如果在一天內(nèi)出現(xiàn)掉電現(xiàn)象能夠有效恢復(fù)。實(shí)際工作過(guò)程中通過(guò)觀察掉電跟蹤記錄就能夠自動(dòng)跟蹤實(shí)際位置，確定這個(gè)位置之后便可以再進(jìn)一步確定出準(zhǔn)確的方位角?？刂葡到y(tǒng)工作過(guò)程中電源指示燈、旋轉(zhuǎn)方向指示燈以及急停按鈕是最容易出現(xiàn)故障的，需注意維護(hù)，其一旦出現(xiàn)故障就會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，影響觀察準(zhǔn)確率。按照設(shè)計(jì)要求，太陽(yáng)能電池板晚上12點(diǎn)要能自動(dòng)返回到起始位置，以滿足實(shí)際需求。

2.2　硬件設(shè)計(jì)

跟蹤系統(tǒng)由控制器、跟蹤機(jī)構(gòu)以及步進(jìn)電機(jī)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng)。在系統(tǒng)中PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，能有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到對(duì)太陽(yáng)軌跡及時(shí)跟蹤的目的，最大限度地使用太陽(yáng)能。在這些控制設(shè)備中通常選用歐姆龍CP1L—M60DR—A型控制器。因?yàn)樘?yáng)跟蹤系統(tǒng)屬于小型控制系統(tǒng)，CP1L系統(tǒng)可以根據(jù)小系統(tǒng)運(yùn)行加以控制，不斷優(yōu)化PLC系統(tǒng)，且成本控制效果明顯。CP1L系統(tǒng)具備的優(yōu)勢(shì)：

(1)最大160點(diǎn)I/O擴(kuò)展能力，能夠保障系統(tǒng)快速運(yùn)行。

(2)系統(tǒng)最大程序容量為10 Byte起步，當(dāng)該系統(tǒng)被投入使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)容量32 kByte需求。

(3)高速計(jì)數(shù)相位差方式表示為50 kHz×2軸，單相的表示為100 kHz×4軸，能夠滿足最大2個(gè)串行通訊接口需求，可以任意選擇。

在硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中為了保證效果可以采取混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器利用PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身有0.5～2 A的相電流，細(xì)分?jǐn)?shù)是2、4、8、16、32以及64這六檔。6檔設(shè)置能夠滿足實(shí)際驅(qū)動(dòng)要求。步進(jìn)電機(jī)本身是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)，在實(shí)際工作過(guò)程中能夠把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成角位移。步進(jìn)電機(jī)按照結(jié)構(gòu)的不同可以分成反應(yīng)式、永磁式以及混合式三種形式。混合式就是將前面提到的兩種結(jié)構(gòu)混合成一種結(jié)構(gòu)。正是因?yàn)檫@樣，混合式結(jié)構(gòu)具備了前兩者系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)混合式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分，其主要目的是要改變步進(jìn)電機(jī)工作旋轉(zhuǎn)位移，有效提升分辨率、減少震動(dòng)。硬件設(shè)計(jì)要求較高，為了滿足實(shí)際性能，跟蹤器需要保持一定轉(zhuǎn)矩。通常情況下由于電機(jī)轉(zhuǎn)速要求不高，在應(yīng)用過(guò)程中需添置減速器來(lái)保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3　軟件設(shè)計(jì)

軟件在系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。軟件質(zhì)量決定著系統(tǒng)的整體應(yīng)用效果，高質(zhì)量軟件能保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。軟件可以選擇語(yǔ)句表或者是梯形圖進(jìn)行編程。在程序中有大量數(shù)據(jù)需要上傳和下載，在使用這些數(shù)據(jù)時(shí)需要做好設(shè)置，一般在PLC位置設(shè)定對(duì)應(yīng)區(qū)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)其中的內(nèi)存數(shù)據(jù)會(huì)被監(jiān)控和測(cè)試，打印程序清單時(shí)，還需要做好文檔保存管理工作。程序中還有定時(shí)啟動(dòng)、定時(shí)復(fù)位及手動(dòng)功能。根據(jù)PLC內(nèi)部時(shí)鐘運(yùn)行選擇相應(yīng)的啟動(dòng)跟蹤程序。定時(shí)啟動(dòng)和定時(shí)復(fù)位選擇查表法，依據(jù)氣象臺(tái)數(shù)據(jù)顯示得知。根據(jù)一年之中太陽(yáng)所處的角度數(shù)據(jù)得出每一天中的日出時(shí)間、日落時(shí)間等，再將其放在十六進(jìn)制中進(jìn)行處理，保存在PLC內(nèi)存中，以更好地保障復(fù)位時(shí)間和電機(jī)啟動(dòng)控制。使用查表法，可以根據(jù)每天時(shí)間設(shè)定要求，進(jìn)行復(fù)位和啟動(dòng)，既避免出現(xiàn)以往的問(wèn)題，又控制了誤差，方法簡(jiǎn)單，控制方便。例如：在整個(gè)系統(tǒng)控制流程圖中，某天的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)等待核對(duì)時(shí)間是2月1日7點(diǎn)34分，這個(gè)是啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)之后出現(xiàn)了斷電故障，在進(jìn)行發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)需求時(shí)需要對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行修復(fù)，然后根據(jù)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了太陽(yáng)能電池板跟蹤控制的有效方法，從而提升電池板發(fā)電功率，太陽(yáng)能電板定時(shí)啟動(dòng)選用查表法實(shí)現(xiàn)。該方法可以手動(dòng)和自動(dòng)切換，靈活地進(jìn)行急?？刂?，操作簡(jiǎn)單，制作成本低，使用價(jià)值高。

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運(yùn)營(yíng)探討

Research on Improvement of Tracking Control System for Solar Cell

ZHAO Qi-chun

(Shenzhen Futongyu (Tongheng) Technology Co., Ltd., Shenzhen 518109, China)

Abstract:An effective method for tracking and controlling solar cell is proposed in this article, which combines manual and automatic switch and can conduct flexible emergency stop. The method is simple and with low costs. Operating principle, improvement considerations, hardware design and software design of the tracking control system for solar cell are discussed in this article.

Key words:solar cell; tracking control; step motor

中圖分類號(hào)：TM912

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0119-02

作者簡(jiǎn)介：趙啟純(1965-)， 四川西充人，碩士，高級(jí)技師，2010年參加中國(guó)科學(xué)院研究生院工程碩士研究生學(xué)習(xí)， 現(xiàn)已獲得香港理工大學(xué)軟件科技理學(xué)碩士，研究方向： 電源與電子技術(shù)、自動(dòng)化控制及人工智能技術(shù)。

收稿日期：2014-12-11