基于PLC的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統的研究

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電設備自動(dòng)跟蹤系統的光敏探測頭（傳感器）是用來(lái)檢測太陽(yáng)光強的。當有偏差發(fā)生時(shí)，偏差信號經(jīng)過(guò)跟蹤PLC主控單元（控制器）,采用模擬差壓比較原理進(jìn)行運算、比較和發(fā)出指令，使電動(dòng)執行器動(dòng)作，驅動(dòng)機械部分轉動(dòng)推動(dòng)整個(gè)裝置旋轉，調整偏差，保證太陽(yáng)能電池方陣正對太陽(yáng)光，達到自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的目的。太陽(yáng)能電池方陣在陽(yáng)光的照射下光伏發(fā)電，通過(guò)控制器向蓄電池充電。系統配有自動(dòng)保護線(xiàn)路，當風(fēng)力達到8級時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，切斷跟蹤太陽(yáng)系統，使電池方陣快速收平，在風(fēng)力降下來(lái)時(shí)延時(shí)10 min，解除防風(fēng)系統，恢復跟蹤過(guò)程。固定光強、跟蹤光強、電瓶溫度和自然風(fēng)速等由微機進(jìn)行數據采集，并對蓄電池充電和放電進(jìn)行分級控制。
　　系統有自動(dòng)和手動(dòng)2種控制方式，SB1和SB2為控制按鈕，用于手動(dòng)操作，PLC輸出的Q0或Q1分別連接到2個(gè)繼電器線(xiàn)圈，以控制太陽(yáng)板的正反2個(gè)運動(dòng)方向。在自動(dòng)運行模式下， PLC首先比較來(lái)自信號處理單元的2個(gè)模擬輸入的值，然后決定輸出Q0或者Q1。
1.1 可編程邏輯控制器PLC單元
　　跟蹤控制器采用可編程邏輯控制器PLC，它是太陽(yáng)能電池板跟蹤系統的控制核心，是系統研究工作的重點(diǎn)。系統采用歐姆龍（OMRON）公司近年推出的α系列PLC，該機型為介于大型機與小型機之間的中小型機，最大控制I/O點(diǎn)數為1184點(diǎn)。在應用中，中央處理器單元（CPU）采用C200HX-CPU43-E，它自帶1個(gè)編程口和1個(gè)RS232C口。該CPU具有豐富的指令功能，編程十分方便；開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊分別選用C200H-ID212和C200H-OC225；通過(guò)在CPU中插入通訊板C200HW-COM06-E(該板具有1個(gè)RS232C和1個(gè)RS-422/485）實(shí)現與上位機遠程通訊。由于采用了RS-422接口，采取平衡式發(fā)送，因此數據傳輸率高，而且串擾小，傳輸距離可達500 m。特別對串并聯(lián)的并網(wǎng)光伏太陽(yáng)能電池陣列的跟蹤系統控制，能發(fā)揮PLC現場(chǎng)總線(xiàn)控制的優(yōu)勢，進(jìn)行集中控制。經(jīng)過(guò)研究和優(yōu)化設計，應用集成標準線(xiàn)路，采用模擬差壓比較原理，控制器具有跟蹤精度高、范圍寬、自動(dòng)返回功能。限位裝置具有東、西、上、下4個(gè)方位的極限限位功能。采用雙重限位控制結構，即控制信號限位和驅動(dòng)電機限位，保證了設備可靠地工作。圖2所示為PLC輸入/輸出硬件配置圖。

1.2 傳感器檢測和信號處理單元
　　太陽(yáng)的方位隨著(zhù)觀(guān)測位置和觀(guān)測時(shí)間的不同而不同，因此，欲跟蹤太陽(yáng)就必須先對太陽(yáng)進(jìn)行檢測定位。檢測太陽(yáng)光光強的方法有定時(shí)法、坐標法、太陽(yáng)能電池板光強比較法和光敏電阻光強比較法[4]。對這4種控制方法進(jìn)行了對比后認為：定時(shí)法電路雖然簡(jiǎn)單，但由于季節的影響，系統的控制精度較差；坐標法控制精度較高，但控制電路復雜；光強比較法使系統的太陽(yáng)能利用率不能達到最佳；光敏電阻比較法電路實(shí)現最簡(jiǎn)單，對太陽(yáng)能的利用率最大。基于此，選擇控制精度高和電路易于實(shí)現的光敏電阻光強比較法作為本研究系統的檢測方案。光敏探測頭（傳感器）是太陽(yáng)能電池板跟蹤系統的光信號接收器，它是利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將2個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方（光與電池板垂直時(shí)，一半可接收光，一半在下邊）。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，2個(gè)光敏電阻接收到的光照強度相同，它們的阻值完全相等，此時(shí)電動(dòng)機不轉動(dòng)。當太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強多的光敏電阻阻值減小，驅動(dòng)電動(dòng)機轉動(dòng)，直至2個(gè)光敏電阻上的光照強度相同?？刂旗`敏度的高低直接影響跟蹤精度。光敏電阻光強比較法的優(yōu)點(diǎn)在于控制精確，電路設計比較容易實(shí)現。經(jīng)過(guò)實(shí)驗研究，選用質(zhì)量輕、美觀(guān)、耐腐蝕的鋁合金材料，光電接收管經(jīng)過(guò)嚴格的計算、定位，以保證其檢測靈敏度。
　　圖3所示是太陽(yáng)光電定位裝置中光電檢測電路的俯視圖，共由9個(gè)光電三極管組成。正中央1個(gè)，旁邊8個(gè)圍成一圈。將此檢測板用一不透光的下方開(kāi)口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑略大于檢測板的外圓。圓柱體的上方中央開(kāi)1個(gè)與檢測用的光電二極管直徑相同的洞，以便光線(xiàn)通過(guò)。將整個(gè)光電檢測裝置安裝在太陽(yáng)能光電池板上，光電二極管的檢測面與電池板平行。在圓柱體的外面不受圓柱體遮擋的地方（確保會(huì )受到光線(xiàn)的照射）也安裝1個(gè)光電二極管，其朝向與圓柱體內的光電二極管朝向相同，用于檢測環(huán)境亮度，并與圓柱體內的每個(gè)光電二級管及運放(可用LM324集成電路中的1個(gè))構成一個(gè)比較電路。這樣當圓柱體內的光電二極管沒(méi)有受光線(xiàn)照射時(shí)，運放將輸出低電平，此電平可接到輸入端進(jìn)行檢測。圓柱體內的每個(gè)光電二級管各用1個(gè)PLC的輸入端，共9個(gè)。這樣就可以檢測太陽(yáng)光線(xiàn)的朝向，決定哪個(gè)電機轉動(dòng)，向哪個(gè)方向轉動(dòng)。另外，為了增大光電二極管的檢測范圍，視實(shí)際情況需要，也可再增加1圈緊密排列的光電二極管，外圈的光電二極管與內圈的相應位置的光電二極管并聯(lián)。