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范戰松
（北京和利時自動化驅動技術有限公司，100176）
摘 要 為了更好的利用太陽能，自動跟蹤系統越來越多的應用于太陽能行業中。基于可編程邏輯控制器（PLC）的太陽能電池板自動跟蹤系統，包括硬件和軟件兩部分，其中硬件包括PLC輸入輸出端口、信號處理單元、驅動部分；軟件包括PLC的控制和監控程序兩部分。太陽能電池板自動跟蹤系統使光伏電池板能實時跟蹤太陽關照，從而最大限度的獲得太陽能，有效地提高太陽能的利用率和光伏發電系統的效率，降低了光伏并網發電成本，具有理論研究意義和應用推廣價值。
關鍵詞 LM PLC 太陽能自動跟蹤系統
1 引言
開發新能源和可再生資源是全世界面臨的共同課題，在新能源中，太陽能發電已成為全球發展最快的技術。太陽能作為一種清潔無污染的能源，開發前景十分廣闊。然而由于太陽存在著間隙性，光照強度隨著時間不斷變化等問題，這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發電效率低下。據測試，在太陽能電池板陣列中，相同條件下采用自動跟蹤系統發電設備要比固定發電設備的發電量提高35%左右。
所謂太陽能跟蹤系統是能讓太陽能電池板隨時正對太陽，讓太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置，能顯著提高太陽能光伏組件的發電效率。目前市場上所使用的跟蹤系統按照驅動裝置分為單軸太陽能自動跟蹤系統和雙軸太陽能自動跟蹤系統。所謂單軸是指僅可以水平方向跟蹤太陽，在高度上根據地理和季節的變化人為的進行調節固定，這樣不僅增加了工作量，而且跟蹤精度也不夠高。雙軸跟蹤可以在水平方位和高度兩個方向跟蹤太陽軌跡，顯然雙軸跟蹤優于單軸跟蹤。
從控制手段上系統可分為傳感器跟蹤和視日運動軌跡跟蹤（程序跟蹤）。傳感器跟蹤是利用光電傳感器檢測太陽光線是否偏離電池板法線，當太陽光線偏離電池板法線時，傳感器發出偏差信號，經放大運算后控制執行機構，使跟蹤裝置從新對準太陽。這種跟蹤裝置，靈敏度高，但是遇到長時間烏云遮日則會影響運行。視日運動軌跡跟蹤，是根據太陽的實際運行軌跡，按照預定的程序調整跟蹤裝置。這種跟蹤方式能夠全天候實時跟蹤，其精度不是很高，但是符合運行情況，應用較廣泛。
從主控單元類型上可以分為PLC控制和單片機控制。單片機控制程序在出廠時由專業人員編寫開發，一般設備廠家不易再次進行開發和參數設定。而學習使用PLC比較容易，通過PLC廠家技術人員的培訓，設備使用廠家的技術人員可以很方便的學會簡單的調試和編寫，并且PLC能夠提供多種通訊接口，通訊組網也比較方便簡單。
2 系統硬件設計
本系統是以PLC主控單元的視日運動軌跡控制（程序控制）雙軸自動跟蹤系統，視日運動軌跡跟蹤就是利用PLC控制單元相應的公式和算法，計算出太陽的實時位置：太陽方位角和太陽高度角，然后發出指令給執行機構，從而驅動太陽能跟蹤裝，以達到對太陽實時跟蹤的目的。
2-1 方位角高度角示意圖：α-高度角 β-方位角
太陽在天空中的位置可以由太陽高度角和太陽方位角來確定。太陽高度角又稱太陽高度、太陽俯仰角，是指太陽光線與地表水平面得之間的夾角。太陽方位角即太陽所在的方位，是指太陽光線在地平面上的投影與當地子午線的夾角，可以近似看作是樹立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方向的夾角。太陽方位角和高度角的實時數值可以通過地理經緯度、時區參數利用公式計算出來。
主控單元是太陽能跟蹤系統的核心部件，系統選用結構緊湊。配置靈活、指令豐富的和利時LM PLC。選用的配置包括LM 3108CPU模塊和LM 3310擴展模塊。LM3108集成為數字量24DI和16DO，能滿足要求，通訊集成有RS232和RS485兩個通訊接口，RS232用于與上位文本顯示器通訊，RS485可用于組網使用。LM 3310為四通AI模塊，可用于采集風速等保護數據。配合和利時HD2400L文本顯示器使用，能夠監視運行狀態、改變參數設置，以達到控制目的。
2-2 系統控制元件選型
表2-1系統信號表
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序號 |
信號類型 |
輸入輸出信號說明 |
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1 |
DI |
高度角原點限位 |
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2 |
DI |
高度角上限位 |
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3 |
DI |
高度角下限位 |
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4 |
DI |
方位角原點限位 |
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5 |
DI |
高度角東限位 |
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6 |
DI |
高度角西限位 |
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7 |
AI |
風速傳感器 |
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8 |
DO×2 |
高度角正/反轉 |
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9 |
DO×2 |
方位角正/反轉 |
本文所設計跟蹤調整裝置其結構如下圖所示：它主要由底座、立軸、橫軸、兩臺旋轉電機、傳動齒輪等組成。其中旋轉電機1驅動橫軸，支撐太陽能電池板繞橫軸運動，跟蹤高度角運行。旋轉電機2驅動水平軸，以跟蹤方位角變化。
2-3 跟蹤系統機械結構示意圖
在一天的整個過程中，跟蹤器能夠獲得最優的高度角和方位角，電池板能夠接收到最大太陽日輻射量。系統用一套公式由PLC計算出實際時刻太陽所在的高度角和方位角，根據實時太陽高度角和方位角與跟蹤裝置實際的高度角和方位角的差值，以及驅動裝置的運轉速度，計算出執行機構的跟蹤運行時間。最后通過程序執行驅動電機達到要求的位置，實現對高度角和方位角的跟蹤。
3 系統軟件設計
跟蹤模式的判斷過程完全由軟件實現，靈活度高，可以針對不同地區和不同的氣候進行調整，從而提高光伏電站的發電效率。還可以根據需要增加光強傳感器、風力傳感器等多傳感裝置，提高安全性和更高的控制要。
通過程序控制，可以自動判斷是否滿足運行條件從而達到自動啟動運行裝置、自動停止、返回初始狀態等控制。增加風力傳感器用于對系統的保護作用，當風力大于一定數值時，系統停止工作，復位到原點，風速滿足工作條件時，系統自動開始工作。太陽能電池板有兩個自由度，控制機構對高度角和方位角兩個方向進行調整。當電池板轉到盡頭時，由于跟蹤裝置裝了限位傳感器，到限位觸點時自動切斷輸出，電機停止工作。
圖3-1控制系統流程圖
4 結論
本文介紹了基于和利時LM PLC控制的雙軸太陽能自動跟蹤系統，系統采用視日運動軌跡跟蹤方法設計，實現自動檢測運行條件，達到實時跟蹤太陽的效果。以和利時PLC作為主控單元，由PLC程序通過算法計算出太陽實時位置與系統位置的角度差，再由旋轉電機的運行速度計算出運行時間。通過PLC程序的邏輯控制關系，驅動電機轉動，達到自動跟蹤太陽位置的功能。因此使得該自動跟蹤系統的準確性高、可靠性強，即使在天氣變化比較復雜的情況下系統也能正常工作，提高太陽能的利用效率。因為PLC具有很強的可編程性，客戶可以根據自己的要求來修改編寫控制程序，達到最佳的控制效果。對于串、并聯的大型光伏太陽能陣列系統的控制，可以通過LM PLC的通訊，組成通訊網絡進行集中控制。由此可見基于和利時LM PLC開發的太陽能自動跟蹤系統具有精度高、能實時跟蹤太陽變化、通訊組網方便等特點，能夠滿足客戶的需求。
參考文獻
[ 1 ] 和利時LM PLC硬件手冊
[ 2 ] 王雪文.太陽能電池板自動跟蹤系統設計[J].西北大學學報
[ 3 ] 陳維.太陽能利用中的跟蹤控制方式研究[J].能源工程
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