太陽能電池板跟蹤控制系統改進探究

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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太陽能電池板跟蹤控制系統改進探究

趙啟純

(深圳市富通宇(通恒)科技有限公司，廣東 深圳 518109)

摘要:文章提出了太陽能電池板跟蹤控制的有效方法，該方法可手動和自動切換，靈活地進行急?？刂疲僮骱唵?、制作成本低，論述了太陽能電池板跟蹤控制系統原理、設計改進要求、硬件設計及軟件設計。

關鍵詞：太陽能電池板；跟蹤控制；步進電機

1　太陽能電池板跟蹤控制系統原理

在實際研究過程中，研究人員發現在相同地點的太陽光線是變化的，即一年四季光線的入射角不一樣。因此，工作中可以對太陽能電站的安裝位置進行查詢，了解該位置一年所吸收的熱量，以及在每個時間段內的熱量情況。通過分析計算出太陽光照射的重點位置、時間，以及太陽電池板起始工作時間。太陽能電池跟蹤系統利用雙軸跟蹤法能夠實現全方位的跟蹤。太陽能電池板的啟動時間是根據正午太陽最大高度角和太陽移動速度算出來的，比較準確。高度角指太陽光線和地平面產生的夾角。方位角指的是太陽光線的投影在南北向之間形成的夾角，根據公式計算這些夾角，從而準確地確定其位置。在這里會涉及到緯度、赤緯角、時角等，根據公式可以確定出太陽之高度角和方位角，其受到赤緯角和時角控制，而且這個控制是唯一的。當緯度一定時，通過確定時角和方位角從而得出高度角和方位角。根據所計算的對象，需要將太陽能板的旋轉軸進行調整，將其調整接至與地軸平行，這樣就可以在安裝角位置確定當地的緯度。當安裝角度發生改變時，可以根據當地緯度加以確定。從以上的分析可知，俯仰角能夠周期性機械調節，在實際運轉過程中能夠把原來的二維運動轉變為一維。采用這種方式之后能有效簡化系統地結構，降低整個系統的制作難度和運營成本。

2　太陽能電池板跟蹤控制系統的改進設計

2.1　設計要求

跟蹤速度保持在5°/20 min，返回的速度是10°/20 min，這是第一個設計要求。跟蹤的速度要準確，才能與觀測對象運行速度一致。該系統具備手動、自動調節切換功能，可以使太陽能電池板自動旋轉和手動旋轉。起點和終點的位置安裝同限位形成緊密聯系，在實際工作過程中科學合理地設置這兩點的位置才能夠保證太陽能電池板旋轉方向準確，滿足機架限位位置需求。PLC系統有掉電記憶儲存功能，可以記錄一天的旋轉跟蹤位置，更好地確定計算周期和時間。如果在一天內出現掉電現象能夠有效恢復。實際工作過程中通過觀察掉電跟蹤記錄就能夠自動跟蹤實際位置，確定這個位置之后便可以再進一步確定出準確的方位角?？刂葡到y工作過程中電源指示燈、旋轉方向指示燈以及急停按鈕是最容易出現故障的，需注意維護，其一旦出現故障就會影響系統正常運行，影響觀察準確率。按照設計要求，太陽能電池板晚上12點要能自動返回到起始位置，以滿足實際需求。

2.2　硬件設計

跟蹤系統由控制器、跟蹤機構以及步進電機組成，結構簡單，關聯性比較強。在系統中PLC控制步進電機驅動器，能有效地驅動電機旋轉，達到對太陽軌跡及時跟蹤的目的，最大限度地使用太陽能。在這些控制設備中通常選用歐姆龍CP1L—M60DR—A型控制器。因為太陽跟蹤系統屬于小型控制系統，CP1L系統可以根據小系統運行加以控制，不斷優化PLC系統，且成本控制效果明顯。CP1L系統具備的優勢：

(1)最大160點I/O擴展能力，能夠保障系統快速運行。

(2)系統最大程序容量為10 Byte起步，當該系統被投入使用時，可實現數據容量32 kByte需求。

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

在硬件設計的過程中為了保證效果可以采取混合式步進電機驅動器。混合式步進電機驅動器利用PWM來驅動。該驅動電機本身有0.5～2 A的相電流，細分數是2、4、8、16、32以及64這六檔。6檔設置能夠滿足實際驅動要求。步進電機本身是一種比較復雜的系統，在實際工作過程中能夠把電脈沖信號轉化成角位移。步進電機按照結構的不同可以分成反應式、永磁式以及混合式三種形式?；旌鲜骄褪菍⑶懊嫣岬降膬煞N結構混合成一種結構。正是因為這樣，混合式結構具備了前兩者系統的優勢。在實際設計過程中需要對混合式步進電機進行細分，其主要目的是要改變步進電機工作旋轉位移，有效提升分辨率、減少震動。硬件設計要求較高，為了滿足實際性能，跟蹤器需要保持一定轉矩。通常情況下由于電機轉速要求不高，在應用過程中需添置減速器來保證電機轉矩，從而有效保證系統的穩定性。

2.3　軟件設計

軟件在系統中占據重要地位。軟件質量決定著系統的整體應用效果，高質量軟件能保障系統正常運行。軟件可以選擇語句表或者是梯形圖進行編程。在程序中有大量數據需要上傳和下載，在使用這些數據時需要做好設置，一般在PLC位置設定對應區。系統運行時其中的內存數據會被監控和測試，打印程序清單時，還需要做好文檔保存管理工作。程序中還有定時啟動、定時復位及手動功能。根據PLC內部時鐘運行選擇相應的啟動跟蹤程序。定時啟動和定時復位選擇查表法，依據氣象臺數據顯示得知。根據一年之中太陽所處的角度數據得出每一天中的日出時間、日落時間等，再將其放在十六進制中進行處理，保存在PLC內存中，以更好地保障復位時間和電機啟動控制。使用查表法，可以根據每天時間設定要求，進行復位和啟動，既避免出現以往的問題，又控制了誤差，方法簡單，控制方便。例如：在整個系統控制流程圖中，某天的啟動開關等待核對時間是2月1日7點34分，這個是啟動時間，啟動之后出現了斷電故障，在進行發送脈沖個數需求時需要對太陽能電池板進行修復，然后根據不同的數據進行操作。

3　結束語

本文提出了太陽能電池板跟蹤控制的有效方法，從而提升電池板發電功率，太陽能電板定時啟動選用查表法實現。該方法可以手動和自動切換，靈活地進行急停控制，操作簡單，制作成本低，使用價值高。

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運營探討

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：TM912

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0119-02

作者簡介：趙啟純(1965-)， 四川西充人，碩士，高級技師，2010年參加中國科學院研究生院工程碩士研究生學習， 現已獲得香港理工大學軟件科技理學碩士，研究方向： 電源與電子技術、自動化控制及人工智能技術。

收稿日期：2014-12-11