陳超超++朱珠

文章編號(hào)：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(dāng)今節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境。在太陽能充電樁的應(yīng)用基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款基于工業(yè)計(jì)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(duì)太陽的同步追蹤，研究確定太陽運(yùn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)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(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)

1.1 雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)

所謂“雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)”，就是能夠在東西南北4個(gè)方向同時(shí)跟蹤太陽能，使太陽能電池板能夠?qū)崟r(shí)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(biāo)系下建立的，跟蹤機(jī)構(gòu)有1個(gè)方位軸、1個(gè)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(qiáng)烈的地區(qū)可以提高30%的發(fā)電效率。這種跟蹤裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且跟蹤精度相對(duì)較高。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的下部的電機(jī)為方位角電機(jī)，控制方位角上的角度跟蹤，上部電機(jī)為高度角電機(jī)，控制高度角上的角度變化。

1.2 光電追蹤設(shè)計(jì)

光電追蹤主要采用光電傳感器或探測(cè)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(jìn)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(jiǎn)單，具有高精度、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)追蹤系統(tǒng)就無法正常工作。

1.3 視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤

太陽運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤主要是根據(jù)天文和地理學(xué)等對(duì)天體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，使用控制裝置處理器，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間和地區(qū)的太陽位置，進(jìn)而調(diào)整太陽能電池板的朝向，使其與太陽垂直。從自動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方法，不受天氣影響，可以全天實(shí)時(shí)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(duì)開環(huán)控制和閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方案混合控制。該系統(tǒng)先根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)算法（SPA）對(duì)太陽位置進(jìn)行精確計(jì)算，得到實(shí)時(shí)太陽所處的高度角和方位角，通過處理器進(jìn)行處理，進(jìn)而控制太陽能電池板運(yùn)動(dòng)，盡可能使太陽能電池板與太陽垂直，這個(gè)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(duì)位置，根據(jù)反饋得出運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤誤差，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，這個(gè)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(shí)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(gè)模塊，分別為跟蹤控制模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、傳感器檢測(cè)模塊。傳感器檢測(cè)模塊主要用于自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的信息采集，它由信號(hào)處理電路和傳感器組成。跟蹤控制模塊包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、電源模塊、串口模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路，步進(jìn)電機(jī)模塊由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊PLC組成。

3 太陽跟蹤控制器的設(shè)計(jì)

3.1 可編程邏輯控制器（PLC）

PLC向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制指令，使其可以控制太陽能電池板轉(zhuǎn)向正對(duì)太陽的角度。計(jì)算機(jī)僅具備追蹤程序，不具備直接向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送模擬信號(hào)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(shí)現(xiàn)非常復(fù)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(hào)的輸入輸出，平均無故障工作時(shí)間可達(dá)數(shù)萬小時(shí)以上，可靠性強(qiáng)。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(shí)現(xiàn)集中管理。Tracker通過Modbus/TCP通信協(xié)議同時(shí)控制多個(gè)PLC，而一個(gè)PLC對(duì)應(yīng)控制一個(gè)太陽能電池板陣列，可以實(shí)現(xiàn)分散管理，依靠其脈沖輸出控制光伏陣列對(duì)應(yīng)的2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。

3.2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的開環(huán)控制原件，電機(jī)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(fù)載變化的影響，步進(jìn)電機(jī)每收到1個(gè)信號(hào)就會(huì)按照預(yù)設(shè)方向移動(dòng)1個(gè)固定角度。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過控制脈沖頻率控制電機(jī)的速度和加速度，同時(shí)，可以通過控制脈沖數(shù)量來控制電機(jī)的位移量。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。

在追蹤控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算后，可確定步進(jìn)電機(jī)需移動(dòng)的步進(jìn)值，并通過控制命令傳遞給PLC進(jìn)行中間轉(zhuǎn)換，再將脈沖信號(hào)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而控制太陽能電池板旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，不會(huì)產(chǎn)生誤差積累。

3.3 四象限光電探測(cè)器工作原理

光強(qiáng)檢測(cè)裝置由4路數(shù)字光強(qiáng)傳感器模塊組成，4路GY-30光強(qiáng)傳感器模塊分別位于光強(qiáng)檢測(cè)裝置XY水平面的象限點(diǎn)上。水平面分為東、南、西、北4個(gè)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(shí)，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(duì)相鄰傳感器的干擾。

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

4 視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤控制子系統(tǒng)

對(duì)于對(duì)太陽的追蹤，該算法可以根據(jù)地理位置和時(shí)間等參數(shù)計(jì)算出任意地點(diǎn)和時(shí)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(biāo)系統(tǒng)。在地球上，可以用經(jīng)緯度坐標(biāo)來表示任何一個(gè)位于地球表面的地點(diǎn)，這里引入天文學(xué)中的地平坐標(biāo)系，可以使用高度角和方位角來指示天體相對(duì)于地球上某觀測(cè)點(diǎn)的位置。地平坐標(biāo)系以地平圈為基準(zhǔn)，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(shí)針方向）為正，向東（逆時(shí)針方向）為負(fù)。本系統(tǒng)通過控制雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)的2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的角度來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)點(diǎn)緯度；δ為太陽赤緯角；ω為時(shí)角。

一年內(nèi)第n天的太陽赤緯角δ為：

（3）

時(shí)角ω為：

ω=（12-Tz）×15°. （4）

式（4）中：TZ為被測(cè)地點(diǎn)的真太陽時(shí)。

5 四象限光電探測(cè)器定位子系統(tǒng)

5.1 工作原理

太陽光通過附屬光學(xué)裝置的圓孔透射到四象限探測(cè)器上，形成光斑。為了理論分析簡(jiǎn)便，假設(shè)光斑呈正圓形且光斑的能量分布均勻，當(dāng)光斑位于四象限探測(cè)器的中心時(shí)，光斑在4個(gè)象限中分布相同，即都為1/4圓，進(jìn)而經(jīng)過光電感應(yīng)后，各個(gè)象限會(huì)輸出大小相等的感應(yīng)電流。

當(dāng)光斑相對(duì)中心位置產(chǎn)生偏移時(shí)，各個(gè)象限中光斑的大小不同，接收到的光輻射能量也不同，就會(huì)輸出不同大小的感應(yīng)電流，之后通過算法對(duì)4個(gè)不同大小的電流值進(jìn)行處理，可以推導(dǎo)出光斑相對(duì)四象限探測(cè)器中心的偏移量，從而完成光電探測(cè)與定位操作。

5.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)太陽光照射到裝置上時(shí)，先由4個(gè)光電池進(jìn)行太陽光的粗跟蹤，光電池4個(gè)輸入電壓的差值進(jìn)入PLC，輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)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(cè)器上，在光電池的粗定位電路輸出在一定范圍內(nèi)后，探測(cè)器輸出的4路微弱電流信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行處理，由PLC帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行裝置的精確定位。

參考文獻(xiàn)

[1]郭建興.智能建筑中太陽能跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[2]雷鳴山.光伏電站太陽追蹤控制系統(tǒng)的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

[3]趙培仁.光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.

[4]鐘肇新，范建東，馮太合.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2008.

[5]袁信，張洵.太陽方位算法的研究與設(shè)計(jì)[J].天津航海，2011（08）.

[6]夏慶觀.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[7]郭家寶，汪毅.光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2014.

[8]尼古拉·費(fèi)米亞.光伏發(fā)電最大功率電跟蹤技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[9]約翰·奧凱爾·阿提拉.PSpice和MATLAB綜合電路仿真與分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[10]曹建寧.基于四象限探測(cè)器的太陽光實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2013.

〔編輯：張思楠〕