基于PLC的太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的研究

　　太陽能光伏發(fā)電設(shè)備自動跟蹤系統(tǒng)的光敏探測頭（傳感器）是用來檢測太陽光強(qiáng)的。當(dāng)有偏差發(fā)生時，偏差信號經(jīng)過跟蹤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，使電動執(zhí)行器動作，驅(qū)動機(jī)械部分轉(zhuǎn)動推動整個裝置旋轉(zhuǎn)，調(diào)整偏差，保證太陽能電池方陣正對太陽光，達(dá)到自動跟蹤太陽的目的。太陽能電池方陣在陽光的照射下光伏發(fā)電，通過控制器向蓄電池充電。系統(tǒng)配有自動保護(hù)線路，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到8級時自動啟動，切斷跟蹤太陽系統(tǒng)，使電池方陣快速收平，在風(fēng)力降下來時延時10 min，解除防風(fēng)系統(tǒng)，恢復(fù)跟蹤過程。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，并對蓄電池充電和放電進(jìn)行分級控制。
　　系統(tǒng)有自動和手動2種控制方式，SB1和SB2為控制按鈕，用于手動操作，PLC輸出的Q0或Q1分別連接到2個繼電器線圈，以控制太陽板的正反2個運(yùn)動方向。在自動運(yùn)行模式下， PLC首先比較來自信號處理單元的2個模擬輸入的值，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個編程口和1個RS232C口。該CPU具有豐富的指令功能，編程十分方便；開關(guān)量輸入輸出模塊分別選用C200H-ID212和C200H-OC225；通過在CPU中插入通訊板C200HW-COM06-E(該板具有1個RS232C和1個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。特別對串并聯(lián)的并網(wǎng)光伏太陽能電池陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮PLC現(xiàn)場總線控制的優(yōu)勢，進(jìn)行集中控制。經(jīng)過研究和優(yōu)化設(shè)計，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、自動返回功能。限位裝置具有東、西、上、下4個方位的極限限位功能。采用雙重限位控制結(jié)構(gòu)，即控制信號限位和驅(qū)動電機(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 傳感器檢測和信號處理單元
　　太陽的方位隨著觀測位置和觀測時間的不同而不同，因此，欲跟蹤太陽就必須先對太陽進(jìn)行檢測定位。檢測太陽光光強(qiáng)的方法有定時法、坐標(biāo)法、太陽能電池板光強(qiáng)比較法和光敏電阻光強(qiáng)比較法[4]。對這4種控制方法進(jìn)行了對比后認(rèn)為：定時法電路雖然簡單，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)最簡單，對太陽能的利用率最大。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)的檢測方案。光敏探測頭（傳感器）是太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)的光信號接收器，它是利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將2個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，一半可接收光，一半在下邊）。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，2個光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度相同，它們的阻值完全相等，此時電動機(jī)不轉(zhuǎn)動。當(dāng)太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，直至2個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)計比較容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過實(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)過嚴(yán)格的計算、定位，以保證其檢測靈敏度。
　　圖3所示是太陽光電定位裝置中光電檢測電路的俯視圖，共由9個光電三極管組成。正中央1個，旁邊8個圍成一圈。將此檢測板用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑略大于檢測板的外圓。圓柱體的上方中央開1個與檢測用的光電二極管直徑相同的洞，以便光線通過。將整個光電檢測裝置安裝在太陽能光電池板上，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（確保會受到光線的照射）也安裝1個光電二極管，其朝向與圓柱體內(nèi)的光電二極管朝向相同，用于檢測環(huán)境亮度，并與圓柱體內(nèi)的每個光電二級管及運(yùn)放(可用LM324集成電路中的1個)構(gòu)成一個比較電路。這樣當(dāng)圓柱體內(nèi)的光電二極管沒有受光線照射時，運(yùn)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(nèi)的每個光電二級管各用1個PLC的輸入端，共9個。這樣就可以檢測太陽光線的朝向，決定哪個電機(jī)轉(zhuǎn)動，向哪個方向轉(zhuǎn)動。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(nèi)圈的相應(yīng)位置的光電二極管并聯(lián)。