珠海市第一中等職業(yè)學(xué)校 陳潔娜

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司珠海分公司 吳賢哲

太陽(yáng)能光伏發(fā)電電池陣列的發(fā)電量與光線入射角角度有關(guān)，光線與光伏陣列平面垂直時(shí)，發(fā)電量最大。提出基于PLC的光伏電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)，使光伏電池板能實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)光照，從而提高光伏陣列的發(fā)電量，提高太陽(yáng)能的利用率。系統(tǒng)采用雙軸跟蹤，包括硬件部分和軟件部分，硬件部分有光線檢測(cè)電路、PLC控制電路及雙軸跟蹤電路；軟件部分有PLC的控制程序。

1 方案提出

太陽(yáng)能具有取之不盡、用之不竭、綠色環(huán)保和分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是新能源的重要組成部分，越來(lái)越受到人們的關(guān)注和青睞。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量自然也成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)通常分為固定式和跟蹤式兩種。由于太陽(yáng)具有間歇性及強(qiáng)度和方向時(shí)變等特性，光線與光伏陣列平面垂直時(shí)，發(fā)電量最大，采用固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到對(duì)太陽(yáng)能的利用最大化，因此自動(dòng)檢測(cè)太陽(yáng)光線，并控制光伏發(fā)電板自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)方向，使光伏電池板始終保持與太陽(yáng)光垂直，可以大大提高太陽(yáng)能利用率。

本文所設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)是基于PLC控制的光伏發(fā)電雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，能達(dá)到提高光伏發(fā)電電池陣列的發(fā)電量，有效提高太陽(yáng)能利用率的目的。

2 方案設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電雙軸跟蹤系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分，硬件部分有光線檢測(cè)電路、PLC控制電路及雙軸跟蹤電路；軟件部分有PLC的控制程序。

系統(tǒng)工作原理：四個(gè)光敏傳感器和信號(hào)比較電路檢測(cè)太陽(yáng)光線的方位，并送入PLC，PLC按照事先下載好的程序進(jìn)行邏輯判斷、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)等運(yùn)算，輸出控制信號(hào)到繼電器，控制兩個(gè)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而控制光伏電池板東西南北的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到光伏電池板實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)光線的效果。（系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示）

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 光線檢測(cè)設(shè)計(jì)

光線檢測(cè)部分包括光敏傳感器模塊和比較電路兩部分組成。設(shè)計(jì)采用的是光敏電阻光強(qiáng)比較法，利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩對(duì)光敏傳感器分別放置在東-西、南-北四個(gè)方位，并且兩兩之間用檔光板隔開(kāi)（傳感器模塊如圖2所示），將該傳感器模塊安裝在四塊光伏電池板正中間位置。（傳感器安裝位置如圖3、圖4所示）

圖2 傳感器模塊

圖3 傳感器安裝位置

圖4 傳感器安裝位置

如果太陽(yáng)光垂直照射光伏電池板，東RG1-西RG2兩個(gè)傳感器都沒(méi)被檔光板遮擋到，并且都垂直接收到強(qiáng)度相同的光照度，所以它們的阻值完全相等，此時(shí)比較電路信號(hào)1、信號(hào)2兩端都輸出0（比較電路如圖5所示），表示太陽(yáng)光線此時(shí)垂直于光伏電池板；南-北兩個(gè)傳感器也同理。

如果太陽(yáng)光沒(méi)有垂直照射光伏電池板，那東RG1-西RG2兩個(gè)傳感器中在太陽(yáng)所在方位的那個(gè)傳感器接收到的光照度更強(qiáng)，電阻阻值變小的更多；而相對(duì)應(yīng)的那個(gè)傳感器會(huì)被中間的檔光板遮擋了全部或部分光線，而接收到的光線更弱，電阻阻值變小的少；如當(dāng)太陽(yáng)光照射在東RG1光敏電阻傳感器一側(cè)，東RG1光敏電阻傳感器受光照射，其阻值變??；西RG2光敏電阻傳感器沒(méi)有受到光的照射，其阻值不變。RG1、RP1和R1組成的分壓電路提供給IC1a電壓比較器同相端的電平高于IC1a電壓比較器反相端的固定電平，IC1a電壓比較器輸出高電平，三極管VT1導(dǎo)通，繼電器KA1線圈得電導(dǎo)通，常開(kāi)觸點(diǎn)KA1-1閉合、常閉觸點(diǎn)KA1-2斷開(kāi)，信號(hào)1端輸出高電平。PLC接收該高電平后，控制水平方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向東運(yùn)動(dòng)，使光伏電池板向光敏電阻RG1一側(cè)偏轉(zhuǎn)。同樣的道理，當(dāng)太陽(yáng)照射在光敏電阻RG2一側(cè)，信號(hào)2端輸出高電平。南-北兩個(gè)傳感器也同理。

圖5 比較電路圖

2.2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

可編程序邏輯控制器PLC是光伏發(fā)電雙軸跟蹤系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的S7-300系列PLC，它具有緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)大的指令集。

輸入/輸出設(shè)備或信號(hào)有啟動(dòng)按鈕及指示燈、停止按鈕及指示燈、光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)限位接近開(kāi)關(guān)、光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)、光伏電池板南運(yùn)動(dòng)微動(dòng)限位開(kāi)關(guān)、光伏電池板北運(yùn)動(dòng)微動(dòng)限位開(kāi)關(guān)、光伏電池板南北運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)、東邊光線信號(hào)、西邊光線信號(hào)、南邊光線信號(hào)、北邊光線信號(hào)、光伏發(fā)電板東運(yùn)動(dòng)繼電器及指示燈、光伏發(fā)電板西運(yùn)動(dòng)繼電器及指示燈、光伏發(fā)電板南運(yùn)動(dòng)繼電器及指示燈、光伏發(fā)電板北運(yùn)動(dòng)繼電器及指示燈。

圖6 PLC外圍接線圖

系統(tǒng)的PLC I/O分配表如表1所示，PLC外圍接線圖如圖6所示。

2.3 跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)及減速箱組成，安裝在四塊光伏電池板正中間的下方。光伏電池板的東西（水平）和南北（俯仰）運(yùn)動(dòng)由東西運(yùn)動(dòng)減速箱、南北運(yùn)動(dòng)減速箱、東西運(yùn)動(dòng)和南北運(yùn)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)、光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)限位接近開(kāi)關(guān)、光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)、光伏電池板南運(yùn)動(dòng)微動(dòng)限位開(kāi)關(guān)、光伏電池板北運(yùn)動(dòng)微動(dòng)限位開(kāi)關(guān)、光伏電池板南北運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)組成。

為了完成精確追蹤，必須使用兩個(gè)電機(jī)分別在東西水平方向和太陽(yáng)高度俯仰角兩個(gè)不同方向上同時(shí)動(dòng)作，即雙軸追蹤方式。本系統(tǒng)采用雙軸追蹤方式追蹤太陽(yáng)，分為東西水平方向和南北俯仰角控制，水平方向最大限位角度為180°，俯仰角度最大90°，在一天當(dāng)中，機(jī)械系統(tǒng)要隨時(shí)跟著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，這就要求系統(tǒng)的速度要慢。水平方向上如果采用1:1的齒輪傳動(dòng)，那么電機(jī)只能轉(zhuǎn)半圈，裝置就轉(zhuǎn)180°，這樣相對(duì)難控制且精度不高。本系統(tǒng)電機(jī)和機(jī)械裝置之間的配合采用減速箱減速，傳動(dòng)比80:1，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)80圈，裝置才轉(zhuǎn)1圈，這樣保證了整個(gè)系統(tǒng)的精度。俯仰角度的控制是齒輪傳動(dòng)來(lái)調(diào)整，同樣要求低速，采用同樣的方法，用渦輪蝸桿減速器，減速比80:1。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(guò)程中的誤差。

表1 系統(tǒng)的PLC I/O分配表

圖7 兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)主電路圖

圖8 機(jī)械結(jié)構(gòu)及各限位安裝位置圖

圖9 機(jī)械結(jié)構(gòu)及各限位安裝位置圖

圖10 機(jī)械結(jié)構(gòu)及各限位安裝位置圖

東西運(yùn)動(dòng)和南北運(yùn)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，東西運(yùn)動(dòng)減速箱驅(qū)動(dòng)光伏電池板作向東方向或向西方向的水平移動(dòng)、南北運(yùn)動(dòng)減速箱驅(qū)動(dòng)光伏電池板作向北方向或向南方向的俯仰移動(dòng)（兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)主電路如圖7所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)及各限位安裝位置如圖8、圖9、圖10所示）。

光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)限位接近開(kāi)關(guān)用于光伏電池板位置的限位和保護(hù)，運(yùn)動(dòng)范圍最大能達(dá)到180°，防止光敏傳感器受太陽(yáng)光線外其它光源的影響而使光伏電池板往一個(gè)方向水平打轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致線路拉斷或其它損壞；光伏電池板南運(yùn)動(dòng)微動(dòng)限位開(kāi)關(guān)、光伏電池板北運(yùn)動(dòng)微動(dòng)限位開(kāi)關(guān)也是用于光伏電池板位置的限位和保護(hù)，防止光伏電池板俯或仰方向運(yùn)動(dòng)角度過(guò)度出現(xiàn)機(jī)械碰撞而損壞或光伏電池板持續(xù)得到運(yùn)動(dòng)信號(hào)，但運(yùn)動(dòng)角度已受下方機(jī)械控制盒的限制，而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)或運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件損壞；光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)、光伏電池板南北運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)用于作為光伏電池板的初始位置，處于此位置時(shí)，光伏電池板正好處于中間水平平衡位置，此位置能使傳感器最快、最準(zhǔn)地接收到太陽(yáng)能光線的方向。用于光伏電池板長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到動(dòng)作信號(hào)后，重新有光線時(shí)，其角度不能讓傳感器接收到光線入射信號(hào)，而導(dǎo)致無(wú)法重新跟蹤太陽(yáng)光線。因此設(shè)計(jì)光伏電池板長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到動(dòng)作信號(hào)時(shí)，控制其自動(dòng)回到初始位置，等待重新得到太陽(yáng)光線信號(hào)。

2.4 PLC控制程序設(shè)計(jì)

按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，光伏電池板進(jìn)行對(duì)光跟蹤。按下停止按鈕時(shí)，光伏電池板停止對(duì)光跟蹤。

程序控制過(guò)程為傳感器檢測(cè)光線方位，當(dāng)東邊有信號(hào)時(shí)，控制東西（水平）電動(dòng)機(jī)（正轉(zhuǎn)），光伏電池板向東轉(zhuǎn)；當(dāng)西邊有信號(hào)時(shí)，則控制東西（水平）電動(dòng)機(jī)（反轉(zhuǎn)），光伏電池板向西轉(zhuǎn)；東-西運(yùn)動(dòng)要互鎖，當(dāng)東-西都無(wú)信號(hào)時(shí)，表示東-西方向已垂直太陽(yáng)光線或傳感器無(wú)檢測(cè)到光線。同時(shí)當(dāng)南邊有信號(hào)時(shí)，控制南北（俯仰）電動(dòng)機(jī)（正轉(zhuǎn)），光伏電池板向南轉(zhuǎn)；當(dāng)北邊有信號(hào)時(shí)，控制南北（俯仰）電動(dòng)機(jī)（反轉(zhuǎn)），光伏電池板向北轉(zhuǎn)；南-北運(yùn)動(dòng)要互鎖，當(dāng)南-北都無(wú)信號(hào)時(shí)，表示南-北方向已垂直太陽(yáng)光線或傳感器無(wú)檢測(cè)到光線。

當(dāng)東、西、南、北方向都沒(méi)有信號(hào)時(shí)，表示光伏電池板平面此時(shí)正垂直于太陽(yáng)光線，或此時(shí)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到光線信號(hào)。當(dāng)東、西、南、北方向都沒(méi)有信號(hào)達(dá)到1h，表示已經(jīng)是黑夜或光線不足的日子，則控制光伏電池板自動(dòng)回到光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)、光伏電池板南北運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)的位置（即初始位置），然后停止，等待重新得到太陽(yáng)光線信號(hào)。

程序?qū)崿F(xiàn)方法為當(dāng)東、西、南、北方向都沒(méi)有信號(hào)達(dá)到1h，控制光伏電池板向東轉(zhuǎn)，當(dāng)遇到光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)時(shí)，停止向東轉(zhuǎn)；當(dāng)遇到光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)限位接近開(kāi)關(guān)時(shí)，控制光伏電池板向西轉(zhuǎn)，直到遇到光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)時(shí)，停止向西轉(zhuǎn)；同時(shí)控制光伏電池板向北轉(zhuǎn)，當(dāng)遇到光伏電池板南北運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)時(shí)，停止向北轉(zhuǎn)；當(dāng)遇到光伏電池板北運(yùn)動(dòng)微動(dòng)限位開(kāi)關(guān)時(shí)，控制光伏電池板向南轉(zhuǎn)，直到遇到光伏電池板南北運(yùn)動(dòng)中間接近開(kāi)關(guān)時(shí)，停止向南轉(zhuǎn)，等待重新得到太陽(yáng)光線信號(hào)。由此實(shí)現(xiàn)光伏電池板自動(dòng)對(duì)光跟蹤。

但當(dāng)光伏電池板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到光伏電池板東西運(yùn)動(dòng)限位接近開(kāi)關(guān)或光伏電池板南運(yùn)動(dòng)微動(dòng)限位開(kāi)關(guān)或光伏電池板北運(yùn)動(dòng)微動(dòng)限位開(kāi)關(guān)，都立即停止該方向的運(yùn)動(dòng)，以起到對(duì)設(shè)備和電路的保護(hù)。

無(wú)論在任何情況下按下急停按鈕，所有運(yùn)動(dòng)立馬停止。

3 實(shí)施與調(diào)試

根據(jù)電路圖購(gòu)買(mǎi)所需器件和耗材，然后將控制器件安裝在網(wǎng)孔架上，將太陽(yáng)能板和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在支撐架上，將各限位微動(dòng)開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)安裝到相應(yīng)位置（如圖8至10所示）。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)主電路圖（圖7）、PLC控制電路圖（圖8）進(jìn)行線路連接，L、N、PE電源分別用1.0 mm2紅色、黑色、黃綠色線纜，+24V、0V電源分別用0.75 mm2紅色、白色線纜，控制信號(hào)線用0.5 mm2藍(lán)色線纜，線纜兩端都使用冷壓端子。

編寫(xiě)PLC程序并下載后進(jìn)行調(diào)試，實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)大功率燈泡作為模擬光源，點(diǎn)亮的燈泡從東邊沿半圓軌跡緩慢運(yùn)動(dòng)至西邊，后熄滅，實(shí)驗(yàn)證明光線傳感器和比較電路能正確檢測(cè)光源位置并傳送給PLC，程序根據(jù)輸入信號(hào)并能正確地控制東西（水平）電動(dòng)機(jī)和南北（俯仰）電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板準(zhǔn)確地追蹤光源，保持太陽(yáng)能板一直垂直對(duì)光。燈泡熄滅1h后，PLC也能正確地控制東西（水平）電動(dòng)機(jī)和南北（俯仰）電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，使太陽(yáng)能板回到東西方向在中間位置、南北方向在水平位置。再次在東邊點(diǎn)亮燈泡時(shí)，并從東邊沿半圓軌跡緩慢運(yùn)動(dòng)至西邊，后熄滅，太陽(yáng)能板仍能準(zhǔn)確追光。實(shí)驗(yàn)證明本次基于PLC控制在光伏發(fā)電追光系統(tǒng)中的應(yīng)用是成功的。

結(jié)束語(yǔ)：本次基于PLC的光伏電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)，以一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理簡(jiǎn)單、使用方便的雙軸自動(dòng)追光系統(tǒng)使光伏電池板能實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)光照，一直保持太陽(yáng)能板垂直對(duì)光，從而提高光伏陣列的發(fā)電量，提高太陽(yáng)能的利用率。實(shí)驗(yàn)證明本次基于PLC控制在光伏發(fā)電追光系統(tǒng)中的應(yīng)用是成功的。

但本次只是基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)光照射角度的雙向跟蹤，在跟蹤的精確度等方面仍舊有許多不足，比目前已有的跟蹤系統(tǒng)還有很大的差距，系統(tǒng)的各個(gè)部分還有很大的改進(jìn)空間，今后若有機(jī)會(huì)再進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。未來(lái)繼續(xù)研究及加裝想法：（1）風(fēng)力保護(hù)：臺(tái)風(fēng)天氣時(shí)，根據(jù)風(fēng)力在電池板上的壓力旋轉(zhuǎn)具體的角度讓電池板和風(fēng)向呈平行位置。（2）雷電保護(hù)：本裝置在室外運(yùn)行，必須裝有防雷電措施，應(yīng)裝有避雷針。