基于PLC的太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的光敏探測(cè)頭（傳感器）是用來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)光強(qiáng)的。當(dāng)有偏差發(fā)生時(shí)，偏差信號(hào)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(yùn)算、比較和發(fā)出指令，使電動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)整個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)，調(diào)整偏差，保證太陽(yáng)能電池方陣正對(duì)太陽(yáng)光，達(dá)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(tǒng)配有自動(dòng)保護(hù)線路，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到8級(jí)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，切斷跟蹤太陽(yáng)系統(tǒng)，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(tǒng)，恢復(fù)跟蹤過(guò)程。固定光強(qiáng)、跟蹤光強(qiáng)、電瓶溫度和自然風(fēng)速等由微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)蓄電池充電和放電進(jìn)行分級(jí)控制。
　　系統(tǒng)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)繼電器線圈，以控制太陽(yáng)板的正反2個(gè)運(yùn)動(dòng)方向。在自動(dòng)運(yùn)行模式下， PLC首先比較來(lái)自信號(hào)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(tǒng)的控制核心，是系統(tǒng)研究工作的重點(diǎn)。系統(tǒng)采用歐姆龍（OMRON）公司近年推出的α系列PLC，該機(jī)型為介于大型機(jī)與小型機(jī)之間的中小型機(jī)，最大控制I/O點(diǎn)數(shù)為1184點(diǎn)。在應(yīng)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(xiàn)與上位機(jī)遠(yuǎn)程通訊。由于采用了RS-422接口，采取平衡式發(fā)送，因此數(shù)據(jù)傳輸率高，而且串?dāng)_小，傳輸距離可達(dá)500 m。特別對(duì)串并聯(lián)的并網(wǎng)光伏太陽(yáng)能電池陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮PLC現(xiàn)場(chǎng)總線控制的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行集中控制。經(jīng)過(guò)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用集成標(biāo)準(zhǔn)線路，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(jié)構(gòu)，即控制信號(hào)限位和驅(qū)動(dòng)電機(jī)限位，保證了設(shè)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(cè)和信號(hào)處理單元
　　太陽(yáng)的方位隨著觀測(cè)位置和觀測(cè)時(shí)間的不同而不同，因此，欲跟蹤太陽(yáng)就必須先對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行檢測(cè)定位。檢測(cè)太陽(yáng)光光強(qiáng)的方法有定時(shí)法、坐標(biāo)法、太陽(yáng)能電池板光強(qiáng)比較法和光敏電阻光強(qiáng)比較法[4]。對(duì)這4種控制方法進(jìn)行了對(duì)比后認(rèn)為：定時(shí)法電路雖然簡(jiǎn)單，但由于季節(jié)的影響，系統(tǒng)的控制精度較差；坐標(biāo)法控制精度較高，但控制電路復(fù)雜；光強(qiáng)比較法使系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率不能達(dá)到最佳；光敏電阻比較法電路實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單，對(duì)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(xiàn)的光敏電阻光強(qiáng)比較法作為本研究系統(tǒng)的檢測(cè)方案。光敏探測(cè)頭（傳感器）是太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)的光信號(hào)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(qiáng)度相同，它們的阻值完全相等，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至2個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同。控制靈敏度的高低直接影響跟蹤精度。光敏電阻光強(qiáng)比較法的優(yōu)點(diǎn)在于控制精確，電路設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，選用質(zhì)量輕、美觀、耐腐蝕的鋁合金材料，光電接收管經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算、定位，以保證其檢測(cè)靈敏度。
　　圖3所示是太陽(yáng)光電定位裝置中光電檢測(cè)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(cè)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(cè)板的外圓。圓柱體的上方中央開(kāi)1個(gè)與檢測(cè)用的光電二極管直徑相同的洞，以便光線通過(guò)。將整個(gè)光電檢測(cè)裝置安裝在太陽(yáng)能光電池板上，光電二極管的檢測(cè)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)受到光線的照射）也安裝1個(gè)光電二極管，其朝向與圓柱體內(nèi)的光電二極管朝向相同，用于檢測(cè)環(huán)境亮度，并與圓柱體內(nèi)的每個(gè)光電二級(jí)管及運(yùn)放(可用LM324集成電路中的1個(gè))構(gòu)成一個(gè)比較電路。這樣當(dāng)圓柱體內(nèi)的光電二極管沒(méi)有受光線照射時(shí)，運(yùn)放將輸出低電平，此電平可接到輸入端進(jìn)行檢測(cè)。圓柱體內(nèi)的每個(gè)光電二級(jí)管各用1個(gè)PLC的輸入端，共9個(gè)。這樣就可以檢測(cè)太陽(yáng)光線的朝向，決定哪個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，向哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，為了增大光電二極管的檢測(cè)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(nèi)圈的相應(yīng)位置的光電二極管并聯(lián)。