高精度双轴伺服太阳能跟踪系统的设计应用

得出日出时间t1和日落时间t2。

(3)控制系统核心部件plc

可编程逻辑控制器plc[6]是太阳能跟踪系统的核心部件，系统采用结构紧凑、配置灵活和指令集强大的欧姆龙公司cp1h-x系列的plc；用户程序包括浮点数运算、定时器、脉冲指令输出等复杂的数学运算以及特殊功能寄存器等指令内容，从而使cx－programmer能够监视输入状态，改变输出状态，以达到控制的目的。另外，选用cp1h不仅能用于独立的太阳能设备跟踪系统控制，特别是对于串、并联的大型光伏太阳能阵列的跟踪系统控制，能发挥plc现场总线的控制优势进行集中控制。

(4)风速传感器模块

为了保护跟踪装置组件不被大风吹坏，设计了大风响应中断子程序。风速达到13m／s时，风速传感器输出脉冲信号，程序进入高速脉冲中断响应子程序，太阳电池板自动放平，停止跟踪，大风过后5分钟快速恢复自动跟踪[7]。风速传感器可以对多个太阳电池方阵进行群控，而且具有可靠性高，抗干扰能力强，使用方便，适合恶劣环境工作等特点。

(5)控制系统硬件电路的设计

实现x-y二维聚光发电伺服跟踪系统控制硬件结构基本配置如下：上位机采用欧姆龙plc、欧姆龙电机及其驱动器。

图1 跟踪系统结构图

在一天的整个过程中，跟踪器获得最优的俯仰角和方位角，电池板接收到最大太阳日辐射量。系统由一台欧姆龙伺服电机和减速机构成方位角转动机构，一台欧姆龙伺服电机和直线导轨构成高度角转动机构。光伏跟踪系统设计采用了开环程序控制方式，避免了偶尔云层遮挡太阳能伺服跟踪系统造成的干扰。首先用一套公式通过上位机plc算 出在给定时间太阳的位置，即实际时刻太阳所在高度角和方位角，再计算出跟踪装置被要求的位置，这个位置乘以相关比例系数得到高度角和方位角电机所需的脉冲数，最后通过电机转动装置达到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪[8]。跟踪系统结构图如图1所示。

利用逆变器能够将光伏电池产生的直流电转变为交流电，进而直接输送到电网上。在白天有日照的情况下，光伏电池会将大部分的能量输送到电网上，而到了晚上光伏电池装置会自动与电网断开。

本文所设计跟踪调整装置其结构如图2所示。它主要由底座、立轴、横轴、两台伺服电机、传动齿轮副、丝杆导轨等组成。其中伺服电机a驱动传动齿轮副，使传动齿轮副驱动立轴，令其跟踪太阳方位角的变化；伺服电机b驱动丝杠导轨，支撑太阳能电池板绕横轴作俯仰动作，以跟踪太阳高度角的变化。

图2 光伏跟踪系统演示模型

控制系统的实现取决于两方面：

①电机控制部分和驱动部分；

②风速传感器。对于电气控制部分和驱动部分，我们选择相对领域有优势厂商的部件，尤其考虑到运行温度范围和环境。运行温度范围是－25℃到55℃。

[next]

跟踪器的运行状态可传送给监测台。不仅监测还可远程控制达到稳定。在系统的扩展和配置设计中，应遵循以下原则：

①尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下基础。

②系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

③硬件结构应结合应用软件方案一起考虑。

④系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。

系统软件设计

跟踪模式的判断过程完全由软件实现, 灵活度很高, 可以针对不同的地区和不同的气候进行调整,尽量提高光伏电站的发电效率。还可以根据需要,增加光强传感器、风力传感器等多种传感装置。图3为跟踪控制系统程序流程图。

图3 跟踪控制系统程序流程图

风速传感器响应中断子程序是有大风来时，plc接受到风速传感器的高速脉冲，达到规定的脉冲数响应中断，太阳电池板放平以保护电池板组件。图4为大风中断子程序框图。

太阳能电池板有两个自由度, 控制机构将分别对x、y 两方向进行调整。当电池板转到尽头时,由于跟踪装置装了限位触感器，到限位触点时自动切断脉冲输出，电机停止动作，起硬件保护作用。

图4 大风中断子程序流程图

结论

本文介绍了双轴伺服太阳能自动跟踪系统能自动检测昼夜，实时跟踪太阳。以欧姆龙plc作为控制器，计算出太阳的实时位置转化为脉冲发送给伺服驱动器，驱动电机转动跟踪装置跟踪太阳，因此使得该自动跟踪系统的准确性高、可靠性强。即使是在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常工作，提高太阳能的利用效率[9]。如果应用于太阳能电池板，则可将电池板输出的直流电逆变为交流电，直接获取电能，而无需另外输入能量。

作者简介

舒志兵（1965年-） 男南京工业大学运动控制研究所所长，中国人工智能学会智能检测与运动控制技术专委会秘书长，主要从事交流伺服系统、dsp技术、现场总线、数