基于歐姆龍PLC的太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的研究（1）
1 引言
太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢已成為當今國內外最具發(fā)展前景的新能源之一。光伏(pv)發(fā)電技術在國外已得到深入研究和推廣，我國在技術上也已基本成熟，并已進入推廣應用階段[1]。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下[2]。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。據實驗，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，采用自動跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高35%左右[3]。因此，設計開發(fā)能自動追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，是非常有價值的研究課題。
一種新型的可編程邏輯控制器plc(programmable logic controller)的太陽光自動跟蹤系統(tǒng)，不僅能自動根據太陽光方向來調整太陽能電池板的朝向，結構簡單、成本低，而且在跟蹤過程中能自動記憶和更正不同時間的坐標位置，不必人工干預，特別適合天氣變化比較復雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能的利用率，有較好的推廣應用價值和市場應用前景。本研究以我校的“國家科技部光伏并網發(fā)電示范項目”一期和二期工程作為研究基礎與研究平臺，控制系統(tǒng)發(fā)電功率為75kwp。
2 自動跟蹤系統(tǒng)的組成及工作原理
太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)由plc主控單元、傳感器和信號處理單元、光伏模塊、電磁機械運動控制模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
系統(tǒng)有自動和手動兩種控制方式，sb1和sb2為控制按鈕，用于手動操作，plc輸出的q0或q1分別連接到兩個繼電器線圈，以控制太陽板的正反兩個運動方向。在自動運行模式下，plc首先比較來自信號處理單元的兩個模擬輸入的值，然后決定輸出q0或者q1。
2.1 可編程邏輯控制器plc單元
跟蹤控制器采用可編程邏輯控制器plc，它是太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)的控制核心，是系統(tǒng)研究工作的重點。系統(tǒng)采用歐姆龍(omron)公司近年推出的α系列plc，該機型為介于大型機與小型機之間的中小型機，最大控制i/o點數(shù)為1184點。在應用中，中央處理器單元(cpu)采用c200hx-cpu43-e，它自帶一個編程口和一個rs232c口，該cpu具有豐富的指令功能，編程十分方便；開關量輸入模塊選用c200h-id212；開關量輸出模塊選用c200h-oc225；與上位機的通訊，通過在cpu中插入通訊板c200hw-com06-e(該板具有一個rs232c和一個rs-422/485)實現(xiàn)遠程通訊，由于采用了rs-422接口，采取平衡式發(fā)送，因此數(shù)據傳輸率高，而且串擾小，傳輸距離可達500m。特別對串并聯(lián)的并網光伏太陽能電池陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮plc現(xiàn)場總線控制的優(yōu)勢，進行集中控制。經過研究和優(yōu)化設計，應用集成標準線路，采用模擬差壓比較原理，控制器具有跟蹤精度高、范圍寬、自動返回功能。限位裝置具有東、西、上、下四個方位的極限限位功能。采用雙重限位控制結構，即控制信號限位和驅動電機限位，保證了設備可靠地工作。圖2所示為plc輸入/輸出硬件配置圖。
太陽的方位隨著觀測位置和觀測時間的不同而不同，因此，欲跟蹤太陽就必須先對太陽進行檢測定位。檢測太陽光光強的方法有定時法、坐標法、太陽能電池板光強比較法和光敏電阻光強比較法[4]。對這4種控制方法進行了對比篩選后認為：定時法電路雖然簡單，但由于季節(jié)的影響，系統(tǒng)的控制精度較差；坐標法控制精度較高，但控制電路復雜；光強比較法使系統(tǒng)的太陽能利用率不能達到最佳；光敏電阻比較法電路實現(xiàn)最簡單，對太陽能的利用率最大?；诖?，選擇控制精度高和電路易于實現(xiàn)的光敏電阻光強比較法作為本研究系統(tǒng)的檢測方案。光敏探測頭(傳感器)是太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)的光信號接收器，它是利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將兩個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方(光與電池板垂直時，一半可接收光，一半在下邊)。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，兩個光敏電阻接收到的光照強度相同，所以它們的阻值完全相等，此時電動機不轉動。當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減小，驅動電動機轉動，直至兩個光敏電阻上的光照強度相同?？刂旗`敏度的高低直接影響跟蹤精度，光敏電阻光強比較法的優(yōu)點在于控制精確，電路設計比較容易實現(xiàn)。經過實驗研究，選用質量輕、美觀、耐腐蝕的鋁合金材料，光電接收管經過嚴格的計算、定位，以保證其檢測靈敏度。
圖3所示是太陽光電定位裝置中光電檢測電路的俯視圖，共由9個光電三極管組成。正中央1個，旁邊8個圍成一圈。將此檢測板用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑略大于檢測板的外圓。圓柱體的上方中央開一個與檢測用的光電二極管直徑相同的洞，以便光線通過。將整個光電檢測裝置安裝在太陽能光電池板上，光電二極管的檢測面與電池板平行。在圓柱體的外面不受圓柱體遮擋的地方(確保會受到光線的照射)也安裝一個光電二極管，其朝向與圓柱體內的光電二極管朝向相同，用于檢測環(huán)境亮度，并與圓柱體內的每個光電二級管及運放(可用lm324集成電路中的一個)構成一個比較電路。這樣當圓柱體內的光電二極管沒有受光線照射時，運放將輸出低電平，此電平可接到的輸人端進行檢測，圓柱體內的每個光電二級管各用一個plc的輸入端，共9個。這樣就可以檢測太陽光線的朝向，來決定哪個電機轉動，向哪個方向轉動。另外，為了增大光電二極管的檢測范圍，視實際情況需要，也可再增加一圈緊密排列的光電二極管，外圈的光電二極管與內圈的相應位置的光電二極管并聯(lián)。
太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢已成為當今國內外最具發(fā)展前景的新能源之一。光伏(pv)發(fā)電技術在國外已得到深入研究和推廣，我國在技術上也已基本成熟，并已進入推廣應用階段[1]。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下[2]。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。據實驗，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，采用自動跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高35%左右[3]。因此，設計開發(fā)能自動追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，是非常有價值的研究課題。
一種新型的可編程邏輯控制器plc(programmable logic controller)的太陽光自動跟蹤系統(tǒng)，不僅能自動根據太陽光方向來調整太陽能電池板的朝向，結構簡單、成本低，而且在跟蹤過程中能自動記憶和更正不同時間的坐標位置，不必人工干預，特別適合天氣變化比較復雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能的利用率，有較好的推廣應用價值和市場應用前景。本研究以我校的“國家科技部光伏并網發(fā)電示范項目”一期和二期工程作為研究基礎與研究平臺，控制系統(tǒng)發(fā)電功率為75kwp。
2 自動跟蹤系統(tǒng)的組成及工作原理
太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)由plc主控單元、傳感器和信號處理單元、光伏模塊、電磁機械運動控制模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)組成框圖
系統(tǒng)有自動和手動兩種控制方式，sb1和sb2為控制按鈕，用于手動操作，plc輸出的q0或q1分別連接到兩個繼電器線圈，以控制太陽板的正反兩個運動方向。在自動運行模式下，plc首先比較來自信號處理單元的兩個模擬輸入的值，然后決定輸出q0或者q1。
2.1 可編程邏輯控制器plc單元
跟蹤控制器采用可編程邏輯控制器plc，它是太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)的控制核心，是系統(tǒng)研究工作的重點。系統(tǒng)采用歐姆龍(omron)公司近年推出的α系列plc，該機型為介于大型機與小型機之間的中小型機，最大控制i/o點數(shù)為1184點。在應用中，中央處理器單元(cpu)采用c200hx-cpu43-e，它自帶一個編程口和一個rs232c口，該cpu具有豐富的指令功能，編程十分方便；開關量輸入模塊選用c200h-id212；開關量輸出模塊選用c200h-oc225；與上位機的通訊，通過在cpu中插入通訊板c200hw-com06-e(該板具有一個rs232c和一個rs-422/485)實現(xiàn)遠程通訊，由于采用了rs-422接口，采取平衡式發(fā)送，因此數(shù)據傳輸率高，而且串擾小，傳輸距離可達500m。特別對串并聯(lián)的并網光伏太陽能電池陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮plc現(xiàn)場總線控制的優(yōu)勢，進行集中控制。經過研究和優(yōu)化設計，應用集成標準線路，采用模擬差壓比較原理，控制器具有跟蹤精度高、范圍寬、自動返回功能。限位裝置具有東、西、上、下四個方位的極限限位功能。采用雙重限位控制結構，即控制信號限位和驅動電機限位，保證了設備可靠地工作。圖2所示為plc輸入/輸出硬件配置圖。
圖2 plc輸入輸出硬件配置圖
太陽的方位隨著觀測位置和觀測時間的不同而不同，因此，欲跟蹤太陽就必須先對太陽進行檢測定位。檢測太陽光光強的方法有定時法、坐標法、太陽能電池板光強比較法和光敏電阻光強比較法[4]。對這4種控制方法進行了對比篩選后認為：定時法電路雖然簡單，但由于季節(jié)的影響，系統(tǒng)的控制精度較差；坐標法控制精度較高，但控制電路復雜；光強比較法使系統(tǒng)的太陽能利用率不能達到最佳；光敏電阻比較法電路實現(xiàn)最簡單，對太陽能的利用率最大?；诖?，選擇控制精度高和電路易于實現(xiàn)的光敏電阻光強比較法作為本研究系統(tǒng)的檢測方案。光敏探測頭(傳感器)是太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)的光信號接收器，它是利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將兩個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方(光與電池板垂直時，一半可接收光，一半在下邊)。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，兩個光敏電阻接收到的光照強度相同，所以它們的阻值完全相等，此時電動機不轉動。當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減小，驅動電動機轉動，直至兩個光敏電阻上的光照強度相同?？刂旗`敏度的高低直接影響跟蹤精度，光敏電阻光強比較法的優(yōu)點在于控制精確，電路設計比較容易實現(xiàn)。經過實驗研究，選用質量輕、美觀、耐腐蝕的鋁合金材料，光電接收管經過嚴格的計算、定位，以保證其檢測靈敏度。
圖3所示是太陽光電定位裝置中光電檢測電路的俯視圖，共由9個光電三極管組成。正中央1個，旁邊8個圍成一圈。將此檢測板用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑略大于檢測板的外圓。圓柱體的上方中央開一個與檢測用的光電二極管直徑相同的洞，以便光線通過。將整個光電檢測裝置安裝在太陽能光電池板上，光電二極管的檢測面與電池板平行。在圓柱體的外面不受圓柱體遮擋的地方(確保會受到光線的照射)也安裝一個光電二極管，其朝向與圓柱體內的光電二極管朝向相同，用于檢測環(huán)境亮度，并與圓柱體內的每個光電二級管及運放(可用lm324集成電路中的一個)構成一個比較電路。這樣當圓柱體內的光電二極管沒有受光線照射時，運放將輸出低電平，此電平可接到的輸人端進行檢測，圓柱體內的每個光電二級管各用一個plc的輸入端，共9個。這樣就可以檢測太陽光線的朝向，來決定哪個電機轉動，向哪個方向轉動。另外，為了增大光電二極管的檢測范圍，視實際情況需要，也可再增加一圈緊密排列的光電二極管，外圈的光電二極管與內圈的相應位置的光電二極管并聯(lián)。
圖3 光電檢測排列
圖4 信號處理單元
本文標簽：基于歐姆龍PLC的太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的研究（1）
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
