基于LOGO!的太陽能雙軸交錯聯合跟蹤系統

陳 磊 湯占軍 郭世海 張 桐

(昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650051)

基于LOGO!的太陽能雙軸交錯聯合跟蹤系統

陳 磊 湯占軍 郭世海 張 桐

(昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650051)

為提高光伏轉化率，設計光電傳感器跟蹤與太陽運行軌跡跟蹤相結合的雙軸交錯聯合跟蹤控制系統。以LOGO! 240 RC控制器為核心搭建太陽能電池板跟蹤控制系統，并對太陽跟蹤控制算法進行優化。投運結果表明：系統功耗和電機啟停頻率均有所減少，電機壽命延長，同時光伏轉化率有明顯提高。

太陽能跟蹤系統 LOGO! 240 RC 雙軸交錯聯合跟蹤控制模式 光伏轉化率

隨著人類對能源需求的不斷增長，全球能源危機和環境問題日益突出，對新能源的開發和利用已經成為全球熱點問題。光伏發電技術作為新能源的利用方式之一，因其清潔環保、儲量巨大及使用方便等優勢而發展迅速[1]。硅的光伏轉化效率較高，但迫于價格等因素，高轉化效率的太陽能電池板未能大范圍普及使用[2]。

目前，太陽能電池板多為平板式和固定角度式安裝[3]，這種安裝方式因其較低的光伏轉化效率和較高的開發成本抑制了光伏發電的發展，而太陽跟蹤技術能有效解決這一問題[4]。現有的太陽跟蹤裝置根據控制模式可分為光電傳感器跟蹤和太陽運行軌跡跟蹤[5]。光電傳感器跟蹤裝置在陰雨天時其光電轉換器很難適應光線變化，甚至會引起執行機構誤動作；太陽運行軌跡跟蹤裝置的精度受限于算法的準確性和跟蹤策略的合理性[6]。太陽跟蹤裝置按照系統機構自由度數，可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤[7]。研究表明，太陽能接收系統有無使用太陽跟蹤技術，其光伏轉化效率最高相差36%。因此，設計可靠的高精度的太陽能跟蹤系統對提高光伏轉化效率有一定的實用價值。

為了提高太陽能跟蹤系統的精度，大多使用光電傳感器跟蹤和太陽運行軌跡跟蹤相結合的雙軸跟蹤控制方式，根據環境變化，晴天采用光電傳感器跟蹤模式，陰雨天則切換為太陽運行軌跡跟蹤模式。這兩種跟蹤模式相互配合，彌補不足，可以實現高精度全天候的太陽自動跟蹤[8]。然而在實際應用中發現，這種不間斷調節會增加系統功耗、電機啟停頻率和步距誤差，減少電機壽命。為此，筆者以LOGO! 240 RC為控制器，使用雙軸交錯聯合跟蹤系統，結合光電傳感器和太陽運行軌跡跟蹤控制方式，實現太陽能電池板的超前滯后調節。

1.1 跟蹤原理

系統在跟蹤時刻選擇太陽運行軌跡跟蹤方式，調整電池板到滯后30min的位置，存儲當前位置信息并等待30min，然后啟動光電傳感器跟蹤以校正太陽運行軌跡跟蹤產生的誤差。光電檢測模塊檢測到信號的電壓差值超過閾值時驅動直流電機旋轉，直到電壓差值小于閾值，再等待30min，進入下一次跟蹤循環，實現全天實時跟蹤。

現假設A處太陽輻射強度為R，為方便計算，在時間t內太陽輻射強度呈線性變化，即R=R0+kt，其中k為線性系數，R0為t為0時的太陽輻射強度。已知太陽運行軌跡由A到C轉動的角度為θ，則電池板法線方向輻射強度Rn為：

Rn=(R0+kt)·cosθ

(1)

對式(1)在0～T進行積分，得到電池板接收的輻射能量W為：

(2)

在跟蹤時間間隔0

1.2系統硬件

系統硬件部分主要由LOGO! 240 RC控制器、光電傳感器模塊、執行機構及太陽能電池板等組成，如圖1所示。LOGO! 240 RC控制器是控制系統的核心，負責運算和控制。光電傳感器模塊包括光電探測器、調理電路及A/D轉換電路等。執行機構包括驅動電路、直流減速電機和傳動機械裝置。

圖1 跟蹤系統硬件結構簡圖

對于光電傳感器模塊，為了提高其對光線感應的靈敏度，對感應部分使用一塊黑布進行遮光處理；感應元件采用光敏材料，呈空間弧形分布，可以根據設計要求在32個輸出中選擇對應端角作為感應部分；光敏元件是四分之一圓的光敏電阻排阻，光敏材料涂層順著弧線。LOGO! 240 RC控制器采集光電傳感器信號，經過分析處理通過驅動直流減速電機完成對太陽的跟蹤。電機驅動芯片L298N為雙H高電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，驅動電壓可達46V，直流電流4A，內部有兩個完全相同的PWM功率放大回路[9]，兩路輸出分別控制電機水平方向和俯仰方向的旋轉。

1.3系統軟件

系統軟件控制流程如圖2所示。系統首先進行初始化，讀取當前時間并判斷是否在跟蹤時間內(7∶00(Ts)～18∶00(To))。首次跟蹤時刻選定7∶00，太陽運行軌跡跟蹤模式啟動，電機旋轉到7∶30后光電檢測模塊檢測光強偏差是否超過閾值，若超過光強閾值則啟動光電傳感器跟蹤模式，休眠30min到8∶00進入下一次跟蹤，如此循環，到18∶00停止跟蹤。

圖2 系統控制流程

LOGO! Soft Comfort V7.0常用編程方法有功能塊圖法和梯形圖法，梯形圖與功能塊圖之間可以切換，本系統軟件設計采用功能塊圖法，程序如圖3所示。

2 系統調試與投運

程序通過LOGO!專用數據傳輸線下載到LOGO!主機中，接通電源啟動LOGO!，系統按照程序設定開始運行。經實際驗證，系統設計滿足要求。在光伏電站上進行實驗性投運，使用兩塊參數完全相同的太陽能電池板，一塊采用固定式裝置安裝，另一塊采用跟蹤式裝置安裝，利用相關輔助測試儀器記錄兩種裝置的采樣光強，結果如圖4所示，跟蹤式裝置接收光強接近或超過550W的時間有5.5h，比固定式多2.0h，且光伏轉化效率提高了25%左右，投運結果比較理想，光伏轉化效率有明顯提升。

圖3 控制程序

圖4 兩種裝置的采樣光強對比

3 結束語

太陽能跟蹤系統的穩定性、可靠性、轉化率和電量損耗是限制太陽能跟蹤系統廣泛應用的主要問題。針對這些問題，筆者設計基于LOGO!的太陽能雙軸交錯聯合跟蹤系統。在實驗投運中，系統既解決了太陽運行軌跡跟蹤誤差累計問題，又解決了光電跟蹤易受天氣干擾而使系統誤動作的問題，系統能夠可靠穩定運行，在不增加系統功耗和電機啟停頻率的情況下提高了光伏轉化效率，且系統易維護、成本低，能有效減少電量損耗，具有較高的實用價值。

[1] 李燕斌,譚陽,王海泉,等.光伏發電逐日跟蹤控制系統設計[J].中原工學院學報,2014,25(6):11～15.

[2] 劉赟,石劍橋,郭瀚哲.獨立光伏發電跟蹤系統的設計[J].信息化研究,2013,39(5):30～34.

[3] 朱俊昊,何中杰.自主調節跟蹤的太陽能裝置及控制方法[J].機電工程,2012,29(5):545～548.

[4] 李鵬,廖錦城,蔡蘭蘭,等.雙軸太陽跟蹤系統運行控制規律的研究[J].機械制造,2010,48(6):23～26.

[5] 王金平,王軍,馮煒,等.槽式太陽能跟蹤控制系統的研制及應用[J].農業工程學報,2015,31(2):45～52.

[6] Alexandru C,Pozna C.Different Tracking Strategies for Optimizing the Energetic Efficiency of a Photovoltaic System[C].2008 IEEE International Conference on Automation,Quality and Testing,Robotics.Cluj-Napoca: IEEE,2008:434～439.

[7] 湯世松,舒志兵.雙軸伺服太陽能跟蹤系統的設計[J].自動化儀表,2011,32(2):49～52.

[8] 張璟.基于PLC的太陽能跟蹤系統[J].科教文匯,2012,(16):96,110.

[9] 陳國慶,韋抒,李捷.太陽能自動跟蹤系統的設計與實踐[J].電子世界,2012,(11):116～118.

(Continued from Page 45)

2.SchoolofElectricalEngineering&Information,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

AbstractBased on the finite element method, both torque characteristics and transmission efficiency of the permanent magnet speed governor was analyzed. Regarding the torque characteristics, the speed governor’s two starting torque curves were verified through simulation calculation and the maximum output load torque was obtained; as for the transmission efficiency, considering the fact that employing slip frequency to calculate transmission efficiency ignores the impact of copper eddy, a method of calculating the transmission efficiency basing on the eddy current power was proposed. Both simulation and calculation results show that having eddy current power based to calculate transmission efficiency is an effective method for engineering calculation.

Keywordspermanent magnet speed governor, torque characteristics, transmission efficiency, eddy current power, finite element method

(Continued from Page 49)

AbstractConsidering the difficulty in diagnosing nonlinear and non-stationary vibration signals of the diesel generator, both wavelet packet and BP (GA-BP)network optimized with genetic algorithm were used to diagnose the faults, in which, having wavelet packet employed to decompose vibration signals of the diesel generator, and to implement the single refactoring and to structure the feature vector as well as to input the feature vector into the BP network optimized so as to distinguish fault types of the diesel generator. Both experimental simulation and engineering application results show that this method adopted can diagnose fault types of the diesel generator effectively and accurately.

Keywordsdiesel generator, fault diagnosis, wavelet packet, genetic algorithm, BP network

Biax-staggeredSolarPanelTrackingSystemBasedonLOGO!

CHEN Lei, TANG Zhan-jun, GUO Shi-hai, ZHANG Tong

(CollegeofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650051,China)

In order to improve photovoltaic conversion efficiency, a biax-staggered tracking system was designed, which has photoelectric sensor tracking and sun trajectory tracking combined and LOGO! 240 RC controller cored to build solar panel tracking system, including having solar tracking control algorithm optimized. Application results show that both power consumption of system and the mortor’s start-stop frequency becomes decreased along with an extended motor’s servicing life and significantly-improved photovoltaic conversion efficiency.

solar tracking system, LOGO! 240 RC, biax-staggered tracking system, photovoltaic conversion efficiency

TH862+.7

B

1000-3932(2016)01-0080-04

2015-06-15基金項目：國家自然科學基金資助項目(KKGD201303043)；昆明理工大學教育技術基金資助項目(013115)