智能型太阳自动跟踪系统的PLC设计.pdf

3 0 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 0年第3期 智能型太 阳自动跟踪 系统 的 P L C设计 耿欣， 林中达 东南大学 能源与环境 学院， 南京 2 1 0 0 9 6 摘要 介绍 了一种新型的极轴式智能型太阳 自动跟踪 系统。该 系统是基 于三菱 Q型 P L C构建 平台， 选取极轴式跟踪方式， 同时采用以时钟跟踪为主调 、 传感器跟踪为辅调的混合调节策略， 使用 视 日轨迹跟踪的方法 自动计算出不 同地点和时间太阳的高度 角和方位 角， 通过 P L C控制步进 电机 作为执行机构， 同时采用聚光技术， 从而提高了跟踪精度 ， 实现 了全天候 、 全 自动跟踪。 关键词 太阳自动跟踪 ； 极轴 ； P L C； 步进 电机 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 0 0 3 0 0 3 0 0 4 De s i g n o f i n t e l l i g e nt a u t o ma t i c s un t r a c ki ng s y s t e m ba s e d o n PLC GENG Xi n， L I N Zh o n g da C o l l e g e ofE n e r g y a n d E n v i r o n m e n t ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， Na n j i n g 2 1 0 0 9 6， C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a n e w t y p e o f i n t e l l i g e n t a u t o ma t i c p o l a r a x i s s u n t r a c k i n g s y s t e m． T h e s y s t e m， w h i c h i s b a s e d o n t h e Mi t s u b i s h i QP L C t o b u i l d a p l a t f o r m， s e l e c t s t h e w a y o f p o l a r a x i s t r a c k i n g a n d a c o m p o s i t e a d j u s t m e n t m o d e c o m b i n i n g c l o c k t r a c k i n g a s ma i n a d j u s t m e n t w i t h s e n s o r t r a c k ． i n g a s s e c o n d a r y a d j u s t m e n t ． B y t h e m e t h o d o f s o l a r p o s i t i o n c a l c u l a t i o n ， t h i s s y s t e m c a n a u t o m a t i c a l l y c a l c u l a t e e l e v a t i o n a n g l e a n d a z i mu t h a n g l e o f t h e s u n i n di f f e r e nt p o s i t i o n s a n d t i me s ．Me a n wh i l e i t s e l e c t s s t e p p i n g mo t o r a s t he a c t ua t o r t h o u g h PLC a s we l l a s u s i n g c o n c e n t r a t i n g t e c h n o l o g y t o i mp r o v e t r a c k i n g a c c u r a c y a n d r e a l i z e t h e a l lwe a t h e r a n d f u l l y a u t o ma t i c t r a c k i n g ． Ke y wo r d s a u t o ma t i c s u n t r a c k i n g； p o l a r a x i s ； PLC； s t e p p i n g mo t o r 0 引言 随着社会经济的发展 、 能源危机以及生态环境 的恶化 ， 太阳能作为一种清洁无污染 和可持续产生 的能源 ， 有着矿物能源不可 比拟的优越性 ， 发展前景 非常广阔 。但是太 阳能存在着密度低 、 间歇性、 空间分布变化快的缺点 ， 因此提高太 阳能的利用效 率成为研究热点 ， 太 阳跟踪系统为解决这一难题提 供一种新途径。与传统 的固定发 电设备相 比， 在相 同条件下 ， 自动跟踪发 电设备 的发 电量提高 3 5 ％ ， 成本下降 2 5 ％_ l J ， 同时太 阳能跟踪装置的精度直接 影响设备利用太阳能的效率。 目前太阳跟踪的方式有多种 ， 但是存在精度不 高、 适应性不强 、 成本高等问题， 在综合考虑以上问题 后， 该文设计了极轴式太 阳能 自动跟踪装置， 该系统 具有二维调节和四象限传感作用 ， 利用极轴跟踪和聚 收稿 日期 2 0 0 90 91 5 作者简介 耿欣 1 9 8 5 ， 男 ， 江苏徐州 人， 硕士研究生 ， 研究领 域 为数据库在电厂中的应用。 光光伏发电原理 ， 实现了高度角手动和极轴转动 自动 的调节 ， 使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直 ， 既 保证了跟踪精度， 也提高了经济效益， 具有很好的实 用价值 ， 对于实现大型太阳能发电具有深远意义。 1 系统设计思想 1 ． 1跟踪原 理 由于四季变更和昼夜交替 ， 对太 阳的跟踪应该 是在水平方位角和垂直高度角 2个方向进行。单轴 跟踪时只在方位角上 自西 向东跟踪太阳， 只做周期 性调整， 但太阳高度角同一时间的 日变换平均只有 0 ． 3 。 ， 只需周期性调整 ， 但太阳高度角一天 的变换可 达 8 0 。 以南京夏 至为例 ， 故单 轴调节精度较低。 而双轴跟踪则在方位角和高度角上同时跟踪 ， 实现 二维跟踪。但二维跟踪机械结构较复杂 ， 需要 2台 电机 ， 因此不够经济。为了解决成本与精度的矛盾 ， 采用了两维极轴跟踪方式 俯仰角手动和极轴转动 自动的调节 。 太阳的东升西落是地球 自转与公转共同作用的 2 0 1 0年第 3期 工业仪表与 自动化装置 3 1 结果 。如图 1所示 ， 设计一根极轴使之与地轴平行 ， 其安装角 即为当地纬度角 ， 俯仰 角 等于赤纬夹 角 ， 此角度 日变化不足 0 ． 4 。 ， 可周期性手动机械调 节。再通过极轴旋转就可抵消地球 的 自转 ， 实现精 确跟踪 ， 也使二维跟踪变为 了一维 问题。通过使用 三菱高性能 P L C计算 出高度 角和赤 纬角这 2个关 键角度 ， 来实现 P L C控制太 阳能电池板对太 阳光的 跟踪。太阳能电池板在不同的纬度 ， 不同的时间 ， 其 安装角与高度角和赤纬角如图 2所示 。 图 1 极轴原理图 e e a s t 图 2 太 阳安装 角原理 图 1 ． 2 控 制原理 图 3是太阳能 自动跟踪装置 的控制原理框 图， 将该系统设计成两维跟踪 系统 ， 同时在方位角和高 度角 2个方 向上实现时钟跟踪和传感器跟踪 ] ， 由 传感器信号、 时钟信号、 信号处理及 P L C、 方位角及 高度角调整机构组成。传感器把接收到的光信号转 换成电信号， 电信号经过信号处理及 P L C后， 由 P L C输出相应的控制信号驱动步进 电机 ， 从而实现 机构相应的位置调整。 由图 3可知 ， 该系统采用时钟跟踪和传感器跟 踪相结合的混合控 制方式 ， 克服 了在阴天多云的情 况下使用传感器跟踪控制不稳 ， 而在晴天时始终跟 踪累计误差大的缺点。交替时钟跟踪和传感器跟踪 的混合控制系统 ，将抵消两者偏差信号 ， 提供最准 确的控制信号， 所以能够得到最佳的控制效果 ， 而且 能够实现全天候高精度跟踪 。 圃控 制 器 ★ 一一 太阳轨迹计算信号 驱 步 太阳 U 动 进 能电 --1 -◆ 传感器 传感器运算信号 山 电 电 路 机 池板 图 3 太 阳跟踪 系统 控制原理 图 1 ． 3多面镜聚光技术 目前， 提高太阳能电池板效率 的途径有 2种 一 是通过太阳能光强的跟踪 ， 使得太 阳光入射角始终保 持与太阳能电池板的垂直 ； 二是通过太 阳光在平面镜 上的二次反射 ， 增加太阳能在 电池板上的光强。因 此 ， 该系统在高精度跟踪 同时， 还采用了反射聚光技 术 ， 从而进一步调高太阳能利用效率 ， 同时一定程度 上克服 了太阳能量的分散性和太 阳光的不均匀性， 避 免因此产生的太阳能电池板的局部过热、 温度过高。 在太阳能电池板 四周布置反光铝板 ， 增加电池 板的入射光强。如图 4所示 ， 反射镜用反光铝板 ， 价 格便宜， 且相对平面镜来说 ， 比较轻巧 、 不易碎 ， 移动 方便 ， 同时反光效果也比较好。经过计算 比较 ， 将铝 板和太 阳能电池板成 6 0 。 布置时 ， 在增加相 同的光 强入射面积的情况下 ， 其使用的反射铝板的面积最 小 ， 成本也就低。实验证明， 加入反光铝板后每块太 阳能电池板利用率提高近 2 0 0 ％。 太 阳光 ’ 1 r 1 9 o ． o o m ， ， ＼ ● 、 ／ t ， ＼ ， ， 。＼ Y I ．7 3 2 X 爵 r 瑟 ． J X 太 l 能 2 X 电池板 图 4 反射聚光原理 图 2系统硬件设计 系统 由四象限传感器 、 三菱 P L C控制器 、 驱 动 器 、 步进电机 、 跟踪机构 、 太 阳能 电池板等组成 。系 2 0 1 0年第 3 期 工业仪表与 自动化装 置 3 3 角， 抵消赤纬夹角。极轴与地平面的夹角就是安装 角， 该角度由设计决定 ， 加工成型后不再改变 ， 如有 偏差 ， 可通过调节俯仰角补偿。由此实现太 阳能 自 动跟踪系统的机械传动。 3 系统软件设计 整个系统是在 P L C的协调控制下完成 ， 调节过 程中包括时钟跟踪 、 传感器跟踪双级跟踪调节 。软 件运行流程如图 7所示 。 塑 王 电机 回转 复位 并初始 化参 数 l垦坚盟 塑 l ● 高 运 行 时 间 到 ≥ ＼／ Y 3 0 ．整点或 分 ≥] ＼ ． ／ l l l 时 钟 跟 踪 I l i F ． J 环境 设定值 ． 一 ＼／ Y 纛 『 竺 竺 葫面 Y 五 图 7 程序 流程 图 值小于负阈值 ， 电机正转 。 范围， 停止转动 ， 继续采样。 3 ． 1 功能 实现 时钟跟 踪 实 现 整点或半点理论太阳 位置跟踪 ， 防止光线 偏离过大 ， 无 法启 动 细调 ， 采用路程 记 录 式复位 法， 细 调过程 中累计 正反转 步数 ， 计算得到细调实际转 动步数 ， 再用 细调时 间内所需转动步数减 I 去实 际已转步数 ， 得 『 到结果使粗调能够正 l 确跟 踪 太 阳理 论 位 置 。 传感器 跟 踪 传 感器信号差值大于正 阈值 ， 电机 反转。差 直至差值落入误差允许 在控制系统中， 主要实现的功能如下 1 通过 P L C系统监控 ， 决定 电池板 的实 际位 置和运动方向， 显示输出电压偏差信号， 控制控制步 进电机及发送脉冲次数。 2 显示存储在 P L C内存 中的设置 ， 如正转反 转脉冲数 、 偏差阈值和环境阈值 以及限位开关状态 等， 都可直接对这些参数设置进行修改， 便于系统维 护和优化。 3 在实际运行中， 由于风压 ， 冲击等其他扰动 的原因会出现调节信号在临界点抖动 ， 正负偏差交 替出现 ， 调节作用无法停止 ， 设备会 出现抖 动的现 象 ， 该系统设计了通过 P L C记录步进 电机方 向信号 在一定时间内的改变 次数 ， 如果次数大于设定值则 中断程序约 3 s ， 以使设备稳定后再继续运行 。 4 为了保证意外断 电再启动时不会 出现时钟 粗调的起始位置错误 ， 故一旦断电采用强制复位手 段使设备能够准确达到要求位置。 3 ． 2控制流程 i 启动 启动程序并初始化参数。 2 停止 当需要停止或者 出现意外情况时，强 制停止机构运行。 3 运行 进入运行模 式 ， 机构 自动复位至起始 位置 ， 当检测到 日出时间已到 ， 系统进人 自动跟踪过 程， 如果环境信号大于 阈值 ， 首先进行 时钟跟踪 ， 至 整点或半点进行传感器跟踪 ， 交替运行 ， 周期 为 3 0 mi n ， 当系统检测 日落时间已到 ， 系统等待 4 h ， 自动 复位到初始位置。 4 测试 测试模式实现传感器跟踪单独调节。 5 复位 太 阳能 电池板 回转到初始位置 ， 由限 位开关触发信号停止。 4 结束语 该文介绍了采用传感器跟踪和太阳轨迹时钟跟 踪相结合的设计 ， 并以三菱 Q型 P L C为核心开发的 智能型太阳能 自动跟踪系统 ， 其具有全天候 、 全 自动 、 跟踪精度高等优点 ， 达到 了高倍 聚光 、 实时跟踪 的 目 的。虽然只是太阳能光伏发电成套系统的一部分 ， 但 其应用了聚光技术和极轴式混合控制调节的思想 ， 可 以成功地用于光伏或光热发电系统 ， 有效地增加全年 功率输出， 从而能在整体上降低成本， 对提高光 电转 化效率和总体效益有着现实意义， 对于大型分布式太 阳能发电具有很好的开发应用前景和市场应用价值。 参考文献 [ 1 ] 陈 维， 李 戬． 太阳能利用中的跟踪控制方式的研究 [ J ] ． 能源工程， 2 0 0 3 3 1 8 2 1 ． [ 2 ] 王尚文． 混合双轴太阳自动跟踪装置的研究[ J j ． 可再 生能源 ， 2 0 0 7 ， 2 5 6 1 01 3 ． [ 3 ] 罗运俊 ， 何 梓年 ， 王长 贵． 太 阳能利 用技术 [ M] ． 北 京 化学工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 冯龙龄， 邓仁亮． 四象限光电跟踪技术中若干问题的 探讨 [ J ] ． 红外与激光工程 ， 1 9 9 6 ， 2 5 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