基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统的研究

太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外最具发展前景的新能源之一。光伏（PV）发电技术在国外已得到深入研究和推广,我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段[1]。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下[2]。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。根据据实验，在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35 %左右[3]。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。
　　本文研究的是一种新型的可编程逻辑控制器PLC的太阳光自动跟踪系统，不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板的朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值和市场应用前景。
1 自动跟踪系统的组成及工作原理
　　太阳能电池板自动跟踪控制系统由PLC主控单元、传感器和信号处理单元、光伏模块、电磁机械运动控制模块和电源模块组成。系统的组成框图如图1所示。

太阳能光伏发电设备自动跟踪系统的光敏探测头（传感器）是用来检测太阳光强的。当有偏差发生时，偏差信号经过跟踪PLC主控单元（控制器）,采用模拟差压比较原理进行运算、比较和发出指令，使电动执行器动作，驱动机械部分转动推动整个装置旋转，调整偏差，保证太阳能电池方阵正对太阳光，达到自动跟踪太阳的目的。太阳能电池方阵在阳光的照射下光伏发电，通过控制器向蓄电池充电。系统配有自动保护线路，当风力达到8级时自动启动，切断跟踪太阳系统，使电池方阵快速收平，在风力降下来时延时10 min，解除防风系统，恢复跟踪过程。固定光强、跟踪光强、电瓶温度和自然风速等由微机进行数据采集，并对蓄电池充电和放电进行分级控制。
　　系统有自动和手动2种控制方式，SB1和SB2为控制按钮，用于手动操作，PLC输出的Q0或Q1分别连接到2个继电器线圈，以控制太阳板的正反2个运动方向。在自动运行模式下， PLC首先比较来自信号处理单元的2个模拟输入的值，然后决定输出Q0或者Q1。
1.1 可编程逻辑控制器PLC单元
　　跟踪控制器采用可编程逻辑控制器PLC，它是太阳能电池板跟踪系统的控制核心，是系统研究工作的重点。系统采用欧姆龙（OMRON）公司近年推出的α系列PLC，该机型为介于大型机与小型机之间的中小型机，最大控制I/O点数为1184点。在应用中，中央处理器单元（CPU）采用C200HX-CPU43-E，它自带1个编程口和1个RS232C口。该CPU具有丰富的指令功能，编程十分方便；开关量输入输出模块分别选用C200H-ID212和C200H-OC225；通过在CPU中插入通讯板C200HW-COM06-E(该板具有1个RS232C和1个RS-422/485）实现与上位机远程通讯。由于采用了RS-422接口，采取平衡式发送，因此数据传输率高，而且串扰小，传输距离可达500 m。特别对串并联的并网光伏太阳能电池阵列的跟踪系统控制，能发挥PLC现场总线控制的优势，进行集中控制。经过研究和优化设计，应用集成标准线路，采用模拟差压比较原理，控制器具有跟踪精度高、范围宽、自动返回功能。限位装置具有东、西、上、下4个方位的极限限位功能。采用双重限位控制结构，即控制信号限位和驱动电机限位，保证了设备可靠地工作。图2所示为PLC输入/输出硬件配置图。

1.2 传感器检测和信号处理单元
太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同，因此，欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。检测太阳光光强的方法有定时法、坐标法、太阳能电池板光强比较法和光敏电阻光强比较法[4]。对这4种控制方法进行了对比后认为：定时法电路虽然简单，但由于季节的影响，系统的控制精度较差；坐标法控制精度较高，但控制电路复杂；光强比较法使系统的太阳能利用率不能达到最佳；光敏电阻比较法电路实现最简单，对太阳能的利用率最大。基于此，选择控制精度高和电路易于实现的光敏电阻光强比较法作为本研究系统的检测方案。光敏探测头（传感器）是太阳能电池板跟踪系统的光信号接收器，它是利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将2个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方（光与电池板垂直时，一半可接收光，一半在下边）。如果太阳光垂直照射太阳能电