基于S7-200提高光伏發電系統效率研究

王穎齡, 王 磊, 高 健, 莊建軍

(南京大學 電子科學與工程學院， 江蘇 南京 210093)

基于S7-200提高光伏發電系統效率研究

王穎齡, 王 磊, 高 健, 莊建軍

(南京大學 電子科學與工程學院， 江蘇 南京 210093)

在研究光伏發電的背景基礎上，設計出一種提高光電轉換效率的光伏跟蹤系統。該系統以西門子S7-200為主控制器，使光伏電池陣列能跟蹤光源的移動、運動到與光源正對的位置，從而使光伏電池方陣獲取最大的有效光照面積，達到提高光伏輸出效率的目的。

光生伏特效應；光伏跟蹤；光電轉換效率

相比于現在主流的火力發電和煤氣燃油發電,太陽能不僅沒有資源會耗盡的問題,更是清潔無污染的能源。因此有效利用太陽能進行光能發電值得研究。由于地球的自轉,相對固定的太陽能發電裝置,其太陽光線照射的角度時時刻刻均在變化,不能充分利用太陽能[1-2]。本文在研究光伏發電背景的基礎上,提出一種獲得較高光電轉化效率的方案。光伏發電系統中的光伏跟蹤控制器PLC分析各方向光照強度后,控制光伏電池方陣運動到對準光源的位置以獲取最大的有效光照面積,從而獲得最大的光電轉換效率[3-4]。

1 光伏發電系統硬件設計

1.1 系統的結構框圖

光源移動機構使光源像連續移動,能模擬日光的運動軌跡。光伏電池移動機構能使光伏電池進行水平和俯仰方向運動[5-6]。光敏傳感器采集光源的光強度,通過光線傳感控制器將不同位置的光強信號傳輸給以西門子S7-200為主控制器的PLC。PLC連接控制電路使光伏電池板能運動到正對光源的位置。光伏電池方陣將收集的光能轉換為電能,通過控制器對蓄電池進行充放電。系統示意圖見圖1[7-8]。

圖1 光伏發電系統示意圖

1.2 系統硬件結構簡介

1.2.1 方位傳感器

四象限方位傳感探頭利用陰影原理設計而成,將4個同樣的光敏電阻器件對稱固定在遮光筒的內壁,其分布見圖2。由于光敏傳感器的特性是隨著光照強度的增強其阻值相應減小,其輸出的電氣信號降低(光敏電阻采樣原理見圖3)。如果一個光敏傳感器被照射,而正對的另一個光敏傳感器處在陰影中,則這對光敏傳感器將會產生一個電壓差信號,從而將光信號的差異轉換成電信號傳遞給處理器,處理器通過邏輯運算驅動垂直或水平電機的轉動,減小光線信號的差異,直至2個方位接受光照強度達到平衡。

圖2 四象限方位傳感探頭原理

圖3 光敏電阻采樣原理電路

在四象限方位傳感器探頭外側的東西方向各設了一個輔助光敏傳感器,其目的是防止陰天或遮擋干擾而誤動作[9]。

1.2.2 光伏跟蹤系統PLC控制器

PLC控制器是光能發電系統的關鍵部位,它能夠根據能源在各種不可控條件下的變化進行實時調整,它掌握著整個系統的機能管理。

控制器的主要作用體現為實時監測輸入電壓和電流,并進行計算,判斷是否工作在最大功率點[10]。如果工作狀態未能達到最大功率點,則控制光源和光伏移動機構運動,調整光伏電池與投射燈的相對位置,使其達到功率最大位置。光伏跟蹤系統使用西門子S7-200作為主控制器,該PLC具有24個輸入、16個繼電器輸出。跟蹤光線傳感器輸出采用2個EM231模擬量擴展模塊進行采集,該模塊具有四通道12位高精度模擬量輸入接口。PLC連接電路見圖4。PLC處在控制狀態時,按下啟動按鈕則PLC運行程序。擺桿上的投射燈由東向西方向或由西向東方向移動,光線傳感器中四象限的光敏電阻感受不同的光強度,通過光線傳感控制盒中的電路將+5V電平或0V電平通過6個通道分別輸出到PLC的SP0.0、SP0.1、SP0.2、SP0.3、SP0.4和SP0.5輸入端,分別對應為光伏電池組件向東、向西、向北、向南、向左和向右偏移的信號。如果PLC的SP0.1接收到+5V電平,光伏電池組件向西偏轉；如果PLC的SP0.2或SP0.3接收到+5V電平,則光伏電池組件向北或向南偏轉。

2 光伏跟蹤系統軟件設計

光伏跟蹤系統處理器實時采集光敏傳感器傳遞過來的電壓信號,通過模數轉換,將各方位的光信號轉換成數字信號,從而對各方位的光線信號進行比較、運算,再通過限位開關采集各方位的限位信號,將運算后的邏輯結果通過驅動器輸出,從而驅動水平、垂直方位的電機運轉,實現各方位光線信號的平衡,使光伏電池板正對光源,提高光伏發電的利用率,其程序流程圖如圖5所示[11]。

3 數據采集及分析

將光伏電池板隨意調整到一個位置,開啟投射燈,然后啟動PLC控制器,在PLC控制過程中,光伏電池板與投射燈擺桿做水平和俯仰方向運動,經過一段時間后,光伏電池板與投射燈運動到了相互正對的方向,記錄此過程的光伏輸出電流、電壓、功率的數據變化，見表1。

圖4 PLC的連接電路

圖5 光伏跟蹤系統程序流程圖

表1 光伏跟蹤過程數據采集

繪制的光伏輸出電流I、電壓V、功率P與時間t的相關函數見圖6—圖8。

圖6 光伏輸出電流隨時間的變化

圖7 光伏輸出電壓隨時間的變化

圖8 光伏輸出功率隨時間的變化

由表1中數據可以得到：I0=0.213 A,Imax=0.313 A,ΔI=0.100 A,ΔI/I0=47%；U0=6.72 V,Umax=9.64 V,ΔU=2.92 V,ΔU/U0=43%；P0=1.43 W,Pmax=3.02 W,ΔP=1.59 W,ΔP/P0=111%。

可知光伏輸出電流從初始0.213A逐漸增大到0.313A,增幅約47%；光伏輸出電壓從初始6.72V逐漸增大到9.64V,增幅約43%；光伏輸出功率從初始1.43W逐漸增大到3.02W,增幅約111%。通過PLC控制光伏電池板運動跟蹤光源運動的光伏控制系統,確實能夠達到提高光伏發電的效率的目的。

4 總結

以上光伏發電系統的研究中,提出了通過光伏跟蹤提高光伏發電效率的方法。光伏跟蹤系統中,光伏跟蹤系統處理器PLC采集光敏感器傳遞過來的電壓信號,對各方位的光線信號進行比較、運算,再通過限位開關采集各方位的限位信號,將運算后的邏輯結果通過驅動器輸出,從而驅動水平、垂直方位的電機運轉,實現各方位光線信號的平衡,使光伏電池板運動正對光源的位置,獲得最大的有效光照面積,從而提高光伏發電的利用率[12]。

)

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[8] 楊達亮,盧子廣,杭乃善,等. 電力電子技術實驗改革與實踐創新平臺建設[J]. 實驗技術與管理,2013,30(8)：171-174.

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論文“摘要”的編寫

(1) 論文摘要以提供論文的內容梗概為宗旨,應簡明、確切地記述論文的重要內容，一般以200～300字為宜。

(2) 論文摘要的基本要素：目的、方法、結果、結論及其他。 目的：研究、研制、調查的前提、目的和任務所涉及的主題范圍。 方法：所用的原理、理論、條件、對象、材料、工藝、結構、手段、裝備、程序等。 結果：實驗和研究的數據、結果、被確定的關系、觀察結果、得到的效果、性能等。 結論：結果的分析、研究、比較、評價、應用，提出的問題，今后的課題，假設，啟發，建議，預測等。 其他：不屬于研究、研制、調查的主要目的，但就其見識和情報價值而言，也是重要的信息。

(3) 論文摘要用第三人稱書寫，應采用“對……進行了研究”“報告了……”“介紹了……”“論述了……”等的記述方式，不要使用“本文”“作者”“我們”等作為主語。

《實驗技術與管理》編輯部 編錄

Research on improving efficiency of photovoltaic power generation system based on S7-200

Wang Yingling, Wang Lei, Gao Jian, Zhuang Jianjun

(College of Electronic Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Based on the research of the background of photovoltaic power generation, a photovoltaic tracking system for improving photoelectric transformation efficiency is designed. This system takes Siemens S7-200 as the primary controller, enabling the photovoltaic array to track the movement of the light source, and making the movement to an opposite position of the light source so that the photovoltaic cell array can obtain the maximum effective light area so to achieve the purpose of improving the efficiency of the photovoltaic output.

photovoltaic effect; photovoltaic tracking; photoelectric transformation efficiency

2016-10-24

國家科技支撐計劃課題“兆瓦級非并網風電海水淡化系統研發及先導性示范”(2013BAB08B04)；江蘇省高等教育教改研究立項課題(2015JSJG165，2015JSJG069)； 2016年度電子信息類專業教指委研究課題重點項目(2016-Z1)；2016年國家級大學生創新訓練計劃項目；2015年、2016年教育部產學合作專業綜合改革項目

王穎齡(1996—)，女，湖北武漢，本科生，研究方向為電路與系統

E-mail：814725061@qq.com

高健(1976—)，男，江蘇徐州，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為基于FPGA的圖像處理、物聯網嵌入式系統設計.

E-mail：jiangao@nju.edu.cn

TM615

A

1002-4956(2017)4-0051-05