基于歐姆龍plc作為控制器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能伺服跟蹤調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)

引言

開發(fā)新能源和可再生能源是全世界面臨的共同課題，太陽(yáng)能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。在新能源中，光伏發(fā)電是最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源技術(shù)，受到全世界的普遍重視。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的主要方式之一，因其資源潛力大、可持續(xù)利用等特點(diǎn)，成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)。但光伏發(fā)電成本過(guò)高是長(zhǎng)期制約其高速發(fā)展的主要問(wèn)題，其解決途徑之一便是提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，使平板光伏組件受光面時(shí)刻正對(duì)太陽(yáng)，相同的輻照條件下吸收比固定安裝光伏組件更多的太陽(yáng)輻射能量，從而達(dá)到降低光伏發(fā)電成本的目的。

相關(guān)理論分析表明：太陽(yáng)的雙軸跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差41.34%，精確的跟蹤太陽(yáng)可使接收器的熱接收效率大大提高，拓寬了太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。該雙軸裝置按預(yù)定的位置調(diào)整太陽(yáng)能電池板朝向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無(wú)人值守的情況，有效地提高了太陽(yáng)能裝置的太陽(yáng)能利用率，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

太陽(yáng)能伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）太陽(yáng)跟蹤方式選擇

按照不同的分類方法，太陽(yáng)跟蹤方式通常有傳感器跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤（程序控制），還有單軸跟蹤和雙軸跟蹤。

傳感器跟蹤［3］是利用光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)光是否偏離電池板法線，當(dāng)太陽(yáng)光偏離電池板法線時(shí)，傳感器發(fā)出偏差信號(hào)，經(jīng)放大、運(yùn)算后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使跟蹤裝置重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光。這種跟蹤方式的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高；缺點(diǎn)是受天氣影響大，陰雨天則無(wú)法對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤（程序控制），是根據(jù)太陽(yáng)的實(shí)際運(yùn)行軌跡按預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤裝置跟蹤太陽(yáng)。這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，其精度不高，但是符合實(shí)際運(yùn)行情況，應(yīng)用較廣泛。

單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽(yáng)，高度角作季節(jié)性調(diào)整。雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個(gè)方向跟蹤太陽(yáng)軌跡．顯然雙軸跟蹤的效果優(yōu)于單軸跟蹤。

目前，以雙軸跟蹤為基礎(chǔ)的傳感器雙軸跟蹤或程序控制雙軸跟蹤方式被普遍采用．在美國(guó)加州建造的發(fā)電功率約為300～600mw的太陽(yáng)能斯特林電廠中，所有太陽(yáng)能集熱器都采用雙軸跟蹤系統(tǒng)。

（2）視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤設(shè)計(jì)

太陽(yáng)每天東升西落，站在地球表面的人會(huì)觀測(cè)到太陽(yáng)很有規(guī)律的在天球上運(yùn)動(dòng)。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤就是利用plc控制單元根據(jù)相應(yīng)的公式和參數(shù)計(jì)算出白天時(shí)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置，然后發(fā)出指令給伺服電機(jī)去驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)跟蹤裝置，以達(dá)到對(duì)太陽(yáng)實(shí)時(shí)跟蹤的目的。太陽(yáng)在天球上的位置可由太陽(yáng)高度角αs和太陽(yáng)方位角γs來(lái)確定。太陽(yáng)高度角αs又稱太陽(yáng)高度、太陽(yáng)俯仰角，是指太陽(yáng)光線與地表水平面之間的夾角

在太陽(yáng)軌跡公式（1），（2），（3）中，涉及到3個(gè)天文地理坐標(biāo)，即太陽(yáng)赤緯角δ、緯度角δ和時(shí)角ω。太陽(yáng)能光伏發(fā)電地點(diǎn)的地理經(jīng)緯度通過(guò)gps等精密導(dǎo)航儀器可以方便獲得。而赤緯角和時(shí)角的計(jì)算需要通過(guò)時(shí)間確定，由于太陽(yáng)在一年中的時(shí)角運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時(shí)間采用平太陽(yáng)時(shí)，即太陽(yáng)沿著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率，在工程計(jì)算中，就會(huì)存在時(shí)差問(wèn)題（真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)之差），因此必須采用真太陽(yáng)時(shí)（t0），否則在實(shí)際計(jì)算中無(wú)法到達(dá)精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽(yáng)時(shí)（t0），可以根據(jù)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校正時(shí)差值，我國(guó)區(qū)域的時(shí)差確定如下：

式中t為北京時(shí)間。另外n為1年中的日期序號(hào)，從1月1號(hào)開始起數(shù)，n＝1，每往后加一天，n＝n＋1，比如我們?cè)诖溯斎?65（天），就相當(dāng)于今年的6月12日，輸入286（天），就相當(dāng)于今年的10月13日，其他以此類推。

其中，當(dāng)太陽(yáng)在正南方向時(shí)，（3）式中的方位角γs=0°，正南以西γs》0°，正南以東γs《0°。為了有效跟蹤太陽(yáng)的位置，除了要計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置外，還需要知道具體某天的日出時(shí)角ω1、日落時(shí)角ω2。由于日出日落時(shí)太陽(yáng)高度角αs=0°，由（1）式可計(jì)算出：

計(jì)算出日出時(shí)角，日落時(shí)角后，由（7）式可得出日出時(shí)間t1和日落時(shí)間t2。

（3）控制系統(tǒng)核心部件plc

可編程邏輯控制器plc［6］是太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活和指令集強(qiáng)大的歐姆龍公司cp1h-x系列的plc；用戶程序包括浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、定時(shí)器、脈沖指令輸出等復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及特殊功能寄存器等指令內(nèi)容，從而使cx－programmer能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)，以達(dá)到控制的目的。另外，選用cp1h不僅能用于獨(dú)立的太陽(yáng)能設(shè)備跟蹤系統(tǒng)控制，特別是對(duì)于串、并聯(lián)的大型光伏太陽(yáng)能陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮plc現(xiàn)場(chǎng)總線的控制優(yōu)勢(shì)進(jìn)行集中控制。

（4）風(fēng)速傳感器模塊

為了保護(hù)跟蹤裝置組件不被大風(fēng)吹壞，設(shè)計(jì)了大風(fēng)響應(yīng)中斷子程序。風(fēng)速達(dá)到13m／s時(shí)，風(fēng)速傳感器輸出脈沖信號(hào)，程序進(jìn)入高速脈沖中斷響應(yīng)子程序，太陽(yáng)電池板自動(dòng)放平，停止跟蹤，大風(fēng)過(guò)后5分鐘快速恢復(fù)自動(dòng)跟蹤［7］。風(fēng)速傳感器可以對(duì)多個(gè)太陽(yáng)電池方陣進(jìn)行群控，而且具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，適合惡劣環(huán)境工作等特點(diǎn)。

（5）控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)x-y二維聚光發(fā)電伺服跟蹤系統(tǒng)控制硬件結(jié)構(gòu)基本配置如下：上位機(jī)采用歐姆龍plc、歐姆龍電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。

在一天的整個(gè)過(guò)程中，跟蹤器獲得最優(yōu)的俯仰角和方位角，電池板接收到最大太陽(yáng)日輻射量。系統(tǒng)由一臺(tái)歐姆龍伺服電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)成方位角轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一臺(tái)歐姆龍伺服電機(jī)和直線導(dǎo)軌構(gòu)成高度角轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。光伏跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了開環(huán)程序控制方式，避免了偶爾云層遮擋太陽(yáng)能伺服跟蹤系統(tǒng)造成的干擾。首先用一套公式通過(guò)上位機(jī)plc算出在給定時(shí)間太陽(yáng)的位置，即實(shí)際時(shí)刻太陽(yáng)所在高度角和方位角，再計(jì)算出跟蹤裝置被要求的位置，這個(gè)位置乘以相關(guān)比例系數(shù)得到高度角和方位角電機(jī)所需的脈沖數(shù)，最后通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置達(dá)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤。跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

利用逆變器能夠?qū)⒐夥姵禺a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，進(jìn)而直接輸送到電網(wǎng)上。在白天有日照的情況下，光伏電池會(huì)將大部分的能量輸送到電網(wǎng)上，而到了晚上光伏電池裝置會(huì)自動(dòng)與電網(wǎng)斷開。

本文所設(shè)計(jì)跟蹤調(diào)整裝置其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要由底座、立軸、橫軸、兩臺(tái)伺服電機(jī)、傳動(dòng)齒輪副、絲桿導(dǎo)軌等組成。其中伺服電機(jī)a驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪副，使傳動(dòng)齒輪副驅(qū)動(dòng)立軸，令其跟蹤太陽(yáng)方位角的變化；伺服電機(jī)b驅(qū)動(dòng)絲杠導(dǎo)軌，支撐太陽(yáng)能電池板繞橫軸作俯仰動(dòng)作，以跟蹤太陽(yáng)高度角的變化。

控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)取決于兩方面：

①電機(jī)控制部分和驅(qū)動(dòng)部分；

②風(fēng)速傳感器。對(duì)于電氣控制部分和驅(qū)動(dòng)部分，我們選擇相對(duì)領(lǐng)域有優(yōu)勢(shì)廠商的部件，尤其考慮到運(yùn)行溫度范圍和環(huán)境。運(yùn)行溫度范圍是－25℃到55℃。

跟蹤器的運(yùn)行狀態(tài)可傳送給監(jiān)測(cè)臺(tái)。不僅監(jiān)測(cè)還可遠(yuǎn)程控制達(dá)到穩(wěn)定。在系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循以下原則：

①盡可能選擇典型電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下基礎(chǔ)。

②系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開發(fā)。

③硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一起考慮。

④系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

跟蹤模式的判斷過(guò)程完全由軟件實(shí)現(xiàn)， 靈活度很高， 可以針對(duì)不同的地區(qū)和不同的氣候進(jìn)行調(diào)整，盡量提高光伏電站的發(fā)電效率。還可以根據(jù)需要，增加光強(qiáng)傳感器、風(fēng)力傳感器等多種傳感裝置。圖3為跟蹤控制系統(tǒng)程序流程圖。

風(fēng)速傳感器響應(yīng)中斷子程序是有大風(fēng)來(lái)時(shí)，plc接受到風(fēng)速傳感器的高速脈沖，達(dá)到規(guī)定的脈沖數(shù)響應(yīng)中斷，太陽(yáng)電池板放平以保護(hù)電池板組件。圖4為大風(fēng)中斷子程序框圖。

太陽(yáng)能電池板有兩個(gè)自由度， 控制機(jī)構(gòu)將分別對(duì)x、y 兩方向進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)電池板轉(zhuǎn)到盡頭時(shí)，由于跟蹤裝置裝了限位觸感器，到限位觸點(diǎn)時(shí)自動(dòng)切斷脈沖輸出，電機(jī)停止動(dòng)作，起硬件保護(hù)作用。

結(jié)論

本文介紹了雙軸伺服太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)晝夜，實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)。以歐姆龍plc作為控制器，計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置轉(zhuǎn)化為脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤裝置跟蹤太陽(yáng)，因此使得該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性高、可靠性強(qiáng)。即使是在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，系統(tǒng)也能正常工作，提高太陽(yáng)能的利用效率。如果應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板，則可將電池板輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，直接獲取電能，而無(wú)需另外輸入能量。