基于GE 平臺的太陽能追日控制系統的設計

王俊傢，宋洪儒，李 巖

(銅陵學院電氣工程學院，安徽銅陵 244000)

常規的化石能源作為基礎的能源結構隨著資源的不斷消耗將越來越不能適應可持續發展的需求，可再生能源將會越來越受到重視，太陽能作為地球上真正取之不盡、用之不竭的清潔能源，將是未來最理想的綠色新能源。目前其利用的有效途徑便是利用光伏發電技術將太陽能轉化為電能［1］。太陽能追日系統以GE PAC技術為基礎，采用自動控制系統準確追蹤太陽位置，并進行同步追蹤，以保證獲得最大效率的光電轉化。

1 追日控制系統組成及硬件介紹

1.1 系統組成

太陽能電池板自動跟蹤系統通過實時跟蹤太陽運動，使太陽光直射太陽能電池板組件，從而增加光伏陣列接收到的太陽輻射量，提高太陽能發電系統的總體發電量［2］。太陽跟蹤原理系統控制原理如圖1 所示。

圖1 太陽跟蹤原理系統控制原理圖

1.2 系統轉動平臺結構的方案設計

所設計的太陽能電池板自動跟蹤系統是雙軸跟蹤，其具備兩個旋轉自由度，采用的跟蹤控制策略為主動式跟蹤控制策略［3］，以步進跟蹤方式實現，能夠很大程度上降低跟蹤系統自身能耗。采用云臺作為轉動平臺，電機選取為兩個12V 的直流電機，小型渦輪蝸桿減速機構，分別控制太陽能電池板的水平和俯仰轉動。雙軸控制，水平旋轉360°俯仰180°，跟蹤精度為－1.5° ＜a ＜+1.5°。光傳感器安裝在太陽能電池板上，和電池板一起運動［4］。控制太陽能電池板組件運動，保持太陽能板方向與太陽光成90°角，由此可實現太陽能電池板組件的自動跟蹤功能。

太陽跟蹤誤差校正傳感器采用四象限硅光電池［5］，使其光伏板的方向與太陽光照始終保持垂直而無偏離，PAC 控制驅動設備可使其俯仰角電機和水平角電機轉動，此時確認光軸垂直于太陽光線。兩塊硅光電池組組成的傳感器可區分光照強度的信號，其中的一個硅光電池可以接受太陽輻射，區分太陽光照的強弱，如果太陽光照很弱，晚上或陰雨天不會開啟自動追日的跟蹤程序，可以避免盲目跟蹤造成的資源浪費。第二個硅光電池使受光面背光，可以區分太陽光照的強弱，從而判斷太陽能電池組件自動追日跟蹤程序的工作與否［6］。

2 追日控制系統軟件實現

2.1 系統的通信配置

Genius 網絡采用邏輯令牌環協議控制通信介質的分配使用，每個站設備有唯一的站地址(SBA):從0 到31，每個站獲得令牌后，可發送128 字節的數據，可實現PLC 與分散I/O 之間的通信。給PLC 分配一個臨時IP 地址，建立連接以后，實際IP 地址可以通過編程器下載到觸摸屏的控制器中。選擇對應的GBI001 模塊，對其進行配置，如圖2 所示，將配置下載到PLC 上。運行PLC，修改Q 寄存器的數值。相應地，IC200GBI001 的寄存器的數字量輸出指示燈變亮。PAC 利用Genius 和遠程I/O 之間通信成功。

圖2 Genius 通信網絡配置

2.2 追日系統程序設計

在追蹤過程中，兩個投射燈模擬光源，晨日時自動亮一盞燈，午日時亮兩盞燈，晚日兩盞燈同時滅。將兩燈固定在一根機械擺臂上，使擺臂自西向東旋轉，編寫自動、手動、保護控制程序。在模擬裝置中，機械擺臂比3 個固定模擬光源效果更好，機械擺臂上連接兩個300W 投射燈，模擬光源，光照效率更高，避免干擾;添加了保護程序，當電機遇到限位開關時，編寫程序控制其向相反方向運動或停止［7］。

2.3 梯形圖程序編寫

本系統程序編寫包括Main 主程序和兩個子程序Auto 自動和Protect 保護程序。Main 主程序中編寫復位程序，緊急停止時，停止所有輸出，清除信號復位，控制東西南北的電機，手動開關，兩個模擬光源全部中斷。(2)Auto 子程序，從主程序中可調用，實現太陽能電池組件追日的自動控制?？刂圃婆_電機，兩個電機分別控制電池板的東西和南北轉向以及正反轉，在編寫程序使電機正反轉互鎖，軟硬件雙重保護。當東西南北沒有光源信號時，停止輸出，清除信號復位，光伏板停止追日運動，避免盲目追日，節省能源。模擬裝置擺臂下方有3 個位置傳感器，模擬早中晚。當擺臂觸發位置傳感器，控制器接受信號，程序完成控制模擬燈開啟個數，擺臂電機運動和云臺電機運動。(3)Protect 子程序，可從主程序調用。東、西、南、北4 個方向的任何一限位被觸發，中斷手動、自動狀態，向限位出發點相反方向運行脫離硬限位并持續一段時間，東西南北雙線可并行，達到保護目的。

圖3 程序設計流程圖

圖4 梯形圖程序

2.4 觸摸屏組態設計

本系統采用15 寸Quick Panel Control IC754CSF15CTD－FG，有多種通訊接口選項，它將Proficy Logic Developer－Machine Edition 和Proficy View－Machine Edition 軟件的功能集成在一起，本設計是將其作為HMI(人機界面)與本地控制器和分布式控制應用的結合。

3 調試結果

開啟電源，下載程序，通信連接成功，打開觸摸屏界面。點擊“Start Auto”系統自動控制系統開啟。模擬光源的投射燈，晨光開啟，投射燈的電機擺臂從東限位運行到中間限位;此時，另一光源自動開啟，模擬中午的太陽。在此過程中，光電傳感器接受到東西方向的光信號，并將信號傳輸到控制器，控制器執行自動程序，并輸出相應的電機運動，從而控制太陽能電池板組件的追日運動;模擬光源的擺臂繼續從中午的限位運動的到晚上的限位即西限位，此時燈自動關閉，在此過程中太陽能電池板自動調整角度，使模擬光源垂直照射到光伏板上，自動追日運動調試順利。點擊“Manual on”手動控制系統開啟，分別點擊“South move”“North move”“West move”“East move”太陽能電池板可自動向南北西東運行;分別點擊“Morning light”“light”手動控制模擬光源;分別點擊“Motor positive”“Motor negative”控制電機擺臂正反轉;點擊“Manual off”手動控制關閉。在自動運行追日過程中，光伏板觸碰到東西南北任一限位時，自動保護程序開啟，此時太陽能電池板向相反的方向運動幾秒后，停止，保護設備。“stop”緊急按停，停止追日運動。調試運行成功。

圖5 人機界面的設計

4 結論

基于GE PAC 的自動控制追日系統，采用自動控制系統準確追蹤太陽位置，并進行同步追蹤，以保證獲得最大效率的太陽能。通過光電傳感器，把接收到的光信號通過控制盒進行光信號轉換成電信號，電信號經過控制器PAC 進行信號處理，由其輸出相應的控制信號，通過繼電器轉換成電信號，從而實現機構相應的位置調整即水平和俯仰運動，實現太陽能電池追日運動設計。經過多次的設計模擬操作、運行和對比方案，最終確定高效的硬件模塊和最優的程序設計方案。實驗證明，該方案可以有效地提高太陽能電池板的追蹤精度以及太陽能的轉化效率。

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