基于PLC的太陽能板自動跟蹤控制系統的設計

何燕陽

摘 要：太陽能電池板若采用自動跟蹤太陽，能大大提高發電量，降低發電成本。首先，本文根據晴天、多云和陰雨三種不同天氣進行了追日自動跟蹤方案的設計，而后根據系統功能，對跟蹤控制系統的主要硬件和軟件進行了設計。硬件部分包括光強檢測與轉換電路、太陽方位檢測與轉換電路、PLC控制等模塊；而軟件部分設計了太陽能電池板追日自動跟蹤系統的主程序、追日自動跟蹤子程序、數據采集子程序、光電跟蹤子程序、太陽運動軌跡跟蹤子程序，實現了各個硬件模塊的功能。

關鍵詞：太陽能板；自動跟蹤；PLC；硬軟件設計

中圖分類號：TP391 文獻標識號：A

Design of Automatic Tracking Control System For Solar Panels based On PLC

HE Yanyang

（Quanzhou Institute of Information Engineering. Quanzhou Fujian 362000， China ）

abstract： The use of solar panels to automatically track the sun， can greatly increase the power output and reduce electricity costs. Firstly， Based on the sunny， cloudy and rainy weather has been designed in three different automatic tracking program， then according to the system function， the major hardware and software tracking control system is designed. Hardware includes light intensity detection and switching circuit， solar orientation detection and switching circuit， PLC control modules； and the software part of the design of the main solar panel-tracking automatic tracking system， automatic tracking routine DAY， data collection routines， optical tracking subroutines， sun trajectory tracking routines to achieve the function of each hardware module.

Key words： Solar Panels； Automatic Tracking； PLC；Hardware and Software Design

0引 言

目前，人類最為普遍使用的化石能源即將枯竭，同時，化石燃料的大量使用又嚴重污染了人類生存環境[1]。在現有的可再生清潔能源中，太陽能最具開發潛力。且我國絕大部分地區的太陽能資源豐富充足，尤其是西藏、新疆等地區，平均輻射總量可達7 000兆焦耳/平方米，年日照時間超過3 000小時，太陽能應用前景堪稱理想而且廣闊[2-3]。

在利用太陽能的多種途徑中，光伏發電是太陽能發電的主流。光伏發電就是利用太陽能電池板將太陽能轉化為電能加以利用。然而太陽能是一種時空分布不斷變化的低密度能源，若太陽能電池板能自動跟蹤太陽，使太陽光基本垂直入射到太陽能板上，將顯著提高太陽能的接收度，進而提高光伏發電效率。如何使太陽能電池板進行追日自動跟蹤即是本文研究的重點。

1追日自動跟蹤方案的設計

太陽能的輻射量與天氣有關，為了提高跟蹤效率，追日自動跟蹤系統要能根據不同的天氣狀況，采取不同的跟蹤模式。首先通過光照強度和太陽輻射強度波動大小來判定天氣狀況。其次，如果天氣晴朗，只進行光電跟蹤；如果天氣多云，則以太陽運行軌跡跟蹤為主，光電跟蹤微調；如果陰雨天或者晚上，則不跟蹤。

為了盡可能達到實時跟蹤且考慮跟蹤系統的功耗，系統要每隔一定時間才執行一次自動跟蹤程序，另外跟蹤裝置處于室外，還要同時考慮跟蹤結構的抗風能力。如果風速太強，則放平太陽能電池板不再追日，即可減小電池板的受風力，從而為跟蹤裝置提供妥善保護。

2自動跟蹤控制系統的硬件設計

自動跟蹤控制系統采用高度角-方位角雙軸跟蹤機構，即控制太陽能電池板的高度角（垂直方向運動）進行0°～90°方向的調整，以及控制太陽能電池板的方位角（水平方向運動）進行-90°～90°的調整。調整后，太陽能電池板與太陽入射光基本垂直，能大大提高電池板的發電量。

該跟蹤系統的硬件主要由太陽能電池板、光強檢測及轉換電路、太陽方位檢測及轉換電路、風速傳感器、EM231模擬量擴展模塊、西門子PLC、增量式編碼器、兩個直流電機等組成。自動跟蹤控制系統的硬件總體框圖如圖1所示。

圖1 追日自動跟蹤控制系統總框圖

Fig.1 General block diagram of DAY automatic tracking control system

由圖1可見，該系統中，太陽能電池板將太陽光能轉換為電能，在電池板上安裝光強檢測傳感器、太陽方位探測器及其轉換放大電路。轉換放大后的模擬電壓信號送給EM231進行模數轉換，供給PLC讀取，PLC進行數據采集和運算，并判斷是否進行追日跟蹤以及采用何種跟蹤模式，進而通過驅動直流電機控制太陽能電池板進行水平旋轉運動（方位角）和俯仰運動（高度角）。

特別指出的是，在太陽運行軌跡跟蹤中，還需記錄太陽能電池板當前的位置，因此系統采用兩個增量式編碼器將太陽能電池板水平和垂直方向旋轉的角度信息以脈沖的形式反饋給PLC。

2.1光強檢測電路

為了選擇跟蹤模式，需要判定當前的天氣狀況。選用硅光電池器件作為光強傳感器，硅光電池中的光生電流信號IG與太陽光輻射強度成正比，通過集成運放A9轉換成電壓信號，再經過A10進行放大輸出UG。因此，采樣光強檢測輸出電壓UG，等價于采集太陽光輻射強度信息，從而判斷天氣狀況。光強轉換電路如圖2所示。

（1）

圖2 光強檢測與轉換放大電路

Fig.2 Amplifier circuit of Light intensity detection and conversion

2.2太陽方位檢測電路

采用四象限A、B、C、D光電探測器來檢測太陽的方位變化，其檢測與轉換電路原理與光強檢測與轉換電路相似，都是將光生電流轉換為電壓信號，再將電壓信號進行同相放大，輸出電壓信號 UA、UB、UC、UD。這四個模擬電壓信號連接到EM231模擬量擴展模塊的模擬量輸入端進行A/D轉換后，用于PLC讀取，然后根據公式（2）和（3）計算出太陽方位角和高度角的偏移量，進而驅動電機進行自動跟蹤[4]。

（2）

（3）

在光電跟蹤模式中，當Ex′和 Ey′的絕對值超過所設定的閾值時，PLC將根據Ex′和 Ey′的符號分別驅動方位角電機和高度角電機旋轉，從而使得更多的太陽光垂直照射到太陽能電池板上。

2.3風速檢測模塊

風速傳感器選擇微特WFS-1-3型，該傳感器將風速信號轉換成0～5V的模擬量電壓UF，經模擬量擴展模塊EM231進行A/D轉換，送給 PLC。當風速到達一定時，為了保護跟蹤裝置，PLC將驅動電機將太陽能電池板放平。

2.4 A/D轉換模塊EM231

EM231模擬量輸入擴展模塊與西門子PLC用扁平電纜連接，可將光強檢測輸出電壓UG、太陽方位檢測輸出電壓UA、UB、UC、UD以及風速傳感器輸出電壓UF轉換為數字量，供給PLC讀取。

EM231只有A+-a-、 B+-b-、 C+-c-、 D+-d-、即4路模擬量輸入端，而本系統有6個模擬量電壓信號，因此需要2個EM231擴展模塊。EM231模擬量擴展模塊的接線方法很簡單，例如太陽方位檢測輸出電壓UA的電壓正極接A+、負極接a-，其他5路模擬量電壓接法類似。若EM231有多余的輸入端沒用到，則要短接，例如D+-d-沒用到，則要將D+和d-短路起來。

2.5 PLC的I/O模塊

本系統采用西門子PLC的CPU型號為226CN，有24個數字量輸入點和16個輸出點。PLC輸入分配如表1所示，PLC輸出分配只以控制一塊太陽能電池板為例，其他太陽能電池板的接線類似。PLC的I/O接線圖如圖3所示。

表1 PLC的I/O分配表

Tab.1 I/O allocation table of PLC

輸入 輸出

I0.0 高速計數器HSC0 A相時鐘輸入 Q0.0 東西方向電機正轉

I0.1 高速計數器HSC0 B相時鐘輸入 Q0.1 東西方向電機反轉

I0.2 急停按鈕 Q0.2 南北方向電機正轉

I0.3 高速計數器HSC4 A相時鐘輸入 Q0.3 南北方向電機反轉

I0.4 高速計數器HSC4 B相時鐘輸入

I0.5 模式選擇開關（手動/自動）

I0.6 自動模式下啟動按鈕

I0.7 東限位開關（常開）

I1.0 西限位開關（常開）

I1.1 南限位開關（常開）

I1.2 北限位開關（常開）

I1.3 向東運動按鈕（常開）

I1.4 向西運動按鈕（常開）

I1.5 向南運動按鈕（常開）

I1.6 向北運動按鈕（常開）

圖3 PLC的I/O接線圖

Fig.3 I/O wiring diagram of PLC

3自動跟蹤控制系統的軟件設計

3.1系統的主程序設計

追日自動跟蹤系統主程序首先檢測風速以及太陽能電池板的位置，如果檢測到風速太大或者太陽能板壓擠到東、西、南、北等限位開關，則要運行保護子程序，進行風速保護或者限位保護。其后，根據手動/自動模式選擇開關，運行追日自動跟蹤子程序或者手動控制太陽板的子程序?，F給出自動模式和手動模式的含義簡介如下。

自動模式：追日自動跟蹤子程序通過光照強度來選擇不同的跟蹤模式，驅動太陽能板自動追日跟蹤。

手動模式：根據控制面板上的東、西、南、北按鈕來手動控制電池板的運行。

3.2 追日自動跟蹤子程序設計

在系統開始運行時，系統模式選擇開關一般默認為自動跟蹤模式，其流程圖如圖4所示。

圖4追日自動跟蹤子程序流程圖

Fig.4 Subroutine flow chart of DAY automatic tracking

在圖4中，基準位置指的是太陽方位角和太陽高度角都為零的方向，太陽能電池板呈水平放置；延時時間則可根據系統的跟蹤精度、跟蹤效益以及光照情況等等實現設定，一般是30～60分鐘。

3.3數據采集子程序設計

數據采集子程序每次將同時采集UA、UB、UC、UD、UG、UF等6路模擬量電壓信號，這6個采樣值記為一組數據，延時幾秒到幾十秒后，再重復采樣這6路模擬量電壓信號，采集n次后，求得6路模擬量電壓信號的平均值，并將其分別存入模擬量變量存儲區VW11、VW12、VW13、VW14、VW15、VW16中，作為UA、UB、UC、UD、UG、UF的采樣數據值。

這樣，以平均值作為信號的采樣值，將提高采樣數據的可靠性。采樣次數一般為5-10次，采樣次數不宜過多，否則系統分析數據的開銷大。

3.4光電跟蹤子程序設計

太陽光照射到太陽能板上的入射光角度不同，在太陽方位探測器的四個象限上的受光面積就不一樣，經轉換電路后得到的模擬電壓UA、UB、UC、UD也隨即不同。在光電跟蹤子程序中，PLC讀取這四個采樣值后，根據公式（2）和（3）計算偏移量 Ex′和 Ey′，就可以知道太陽能板與太陽之間的相對位置。

由于四象限光電探測器靈敏度較高，為了防止直流電機頻繁啟動，增加系統開銷，在系統允許的精度范圍內，設定了閾值e1和e2。只有偏移量超過了閾值，才驅動電機動作；否則電機不動作。

當偏移量|Ex′|< e1，方位角電機（東西方向）不動作；而當|Ex′|> e1且Ex′>0，說明太陽相對電池板偏向東邊，驅動方位角電機（東西方向電機）反轉，太陽能板由西朝東邊轉；當偏移量|Ex′|> e1且Ex′<0，驅動方位角電機正轉，太陽能板由東向西轉。同理，當偏移量|Ey′|< e2，高度角電機（南北方向）不動作；當偏移量|Ey′|> e2且Ey′>0，說明太陽相對電池板偏向南邊，驅動高度角電機（南北方向電機）反轉，太陽能板由北向南轉；當偏移量|Ey′|> e2且Ey′<0，驅動高度角電機正轉，太陽能板由南向北轉。如此，即能保證光電跟蹤結束時，太陽能電池板基本與入射光線垂直，且偏移量|Ex′|和|Ey′|均小于所設定的閾值e1和e2。

3.5太陽運動軌跡跟蹤子程序設計

太陽運動軌跡跟蹤子程序是根據太陽運動軌跡的天文學公式計算出跟蹤系統當地、且當前時間太陽的高度角和方位角以及日出日落的時間。根據系統所記憶的太陽能板的高度角和方位角（這個操作至關重要，因為每次傍晚自動跟蹤結束后，太陽能電池板都要回到基準位置，進行校準），分別與當前太陽的高度角和方位角進行比較，如果高度角差值大于零，則驅動高度角電機由南向北正轉，反之，高度角電機反轉；同理，如果方位角差值大于零，則驅動方位角電機由東向西正轉，反之，方位角電機反轉。

由于反饋太陽能板的垂直和水平的變化的角度信息，來自于增量式編碼器輸出的脈沖數。因此當計算出來太陽能板高度角和方位角應旋轉的角度時，還應轉換為脈沖數，該脈沖數則作為高速計數器HSC0和HSC4的預置值。如果跟蹤裝置在旋轉的過程中，垂直和水平方向的增量式編碼器反饋回來的脈沖數與HSC0和HSC4的預置值相等，則說明跟蹤裝置已經旋轉到指定位置了，此時太陽運動軌跡跟蹤即可明確判定為結束。

4結束語

本文對太陽能電池板追日自動跟蹤控制系統進行了硬件設計和軟件設計。用光敏傳感器檢測光照強度進而判斷晴天、多云和陰雨，根據不同的天氣選擇不同的跟蹤模式；用太陽方位檢測模塊實現光電跟蹤；風速檢測用來實現系統的風速保護功能，當風速達到一定等級時，將太陽能電池板放平，減小風力的影響；EM231采集光強、太陽方位和風速等模擬量電壓信號進行A/D轉換后，送給PLC；PLC控制模塊設計實現了整個系統的跟蹤控制功能；軟件部分設計了主程序、自動跟蹤子程序、數據采集子程序、光電跟蹤子程序和太陽運動軌跡跟蹤子程序。

通過對太陽能電池板的跟蹤控制，使太陽光垂直照射到太陽能電池板上，充分接收太陽能，進而提高發電效率[5]。據測定，相同條件下，雙軸自動跟蹤太陽比固定安裝未進行跟蹤的發電量在整體上能提高35%左右[6]。因此可知，在光伏發電系統中對太陽進行自動跟蹤即具有必要且重要的現實應用意義及價值。

參考文獻：

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