基于PLC的碟式太陽能跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

如何提高太陽能的利用率一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[1-5]。太陽能跟蹤系統(tǒng)使集熱器裝置始終保持與太陽光垂直，就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能，精確地跟蹤太陽，可以大大提高集熱器的接收率，進(jìn)而提高太陽能的利用率。

目前，太陽能跟蹤方法有光電跟蹤和視日運(yùn)動軌跡跟蹤兩大類[6-8]。參考文獻(xiàn)[9]提出了基于PLC的單軸跟蹤系統(tǒng)，采用光敏電阻光強(qiáng)比較法，利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而帶動集熱器跟蹤太陽，但該跟蹤方法受天氣影響大，無法在陰雨天氣正常工作，而且該跟蹤系統(tǒng)采用單軸跟蹤，只能在一個方位上對太陽進(jìn)行跟蹤。參考文獻(xiàn)[10]介紹了基于二維太陽跟蹤裝置的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用視日運(yùn)動軌跡跟蹤方法計算出太陽高度角和方位角，進(jìn)而通過PC機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，從而帶動集熱器實現(xiàn)對太陽的跟蹤。該方法成本低，但是采用視日運(yùn)動軌跡跟蹤存在累計誤差，而且自身不能消除。此外，以上光電跟蹤和視日運(yùn)動軌跡跟蹤中沒有設(shè)計時間顯示調(diào)整模塊，無法顯示實時時間和對時間進(jìn)行調(diào)整。

鑒于此，本文提出了一種基于PLC的碟式太陽能熱發(fā)電的跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計方案——混合跟蹤方法，當(dāng)太陽輻射光線達(dá)到一定閾值時，首先通過視日運(yùn)動軌跡跟蹤，然后采用光電傳感器跟蹤校正，同時本系統(tǒng)中還設(shè)計了時間顯示調(diào)整模塊，能夠顯示實時時間，同時也可以對時間進(jìn)行實時調(diào)整，并設(shè)計了伺服驅(qū)動器及電機(jī)與PLC的連接電路。

1 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
跟蹤控制系統(tǒng)由傳感器、可編程控制器（PLC）、數(shù)碼管顯示器、雙軸跟蹤裝置組成。
　其中雙軸跟蹤裝置包括方位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和高度角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。方位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、行星減速器、一級蝸輪蝸桿、回轉(zhuǎn)軸承組成；高度角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、行星減速器、螺旋升降機(jī)組成。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，由控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過減速裝置從而驅(qū)動集熱器跟蹤太陽，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角兩方位的跟蹤。跟蹤系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 光電傳感器跟蹤模塊
　本系統(tǒng)采用4個光敏電阻作為傳感器來檢測天空光線的變化，跟蹤太陽的位置，進(jìn)行誤差校正。4個完全相同的光敏電阻置于一個高壁圓筒內(nèi)，均勻分布在東南西北4個方位處，接收來自不同角度的入射光。當(dāng)東西方位或南北方位的兩個光敏電阻感受到的光強(qiáng)差值小于某個限定值時，PLC不發(fā)出讓電機(jī)動作的信號；當(dāng)光強(qiáng)差值超過一定范圍時，PLC發(fā)出信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。如圖2所示。其中CDS1和CDS2兩個光敏電阻用于檢測東西方向光線變化，調(diào)整太陽能集熱器東西方向角，即方位角；CDS3和CDS4兩個光敏電阻則用于調(diào)整太陽能集熱器南北方向角，即高度角。采樣不同位置光敏電阻上的模擬信號，經(jīng)過運(yùn)放及相應(yīng)保護(hù)電路，然后通過A／D轉(zhuǎn)換之后將信號輸送到PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)比較程序，最終從PLC發(fā)出相應(yīng)信號驅(qū)動電機(jī)動作。PLC采樣輸入端口選擇X4、X5、X6、X7端口。圖3為采樣光敏電阻CDS1電壓、進(jìn)入PLC端口X4的采樣電路，其他三路原理相同。

　由于本系統(tǒng)中需要對時間進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計了按鍵電路，設(shè)置了2個按鍵S1、S2。S1用來調(diào)整時，調(diào)整范圍是0~23，每按一次鍵時加1，可以在0~23之間循環(huán)調(diào)整。S2用來調(diào)整分，調(diào)整范圍是0~59，每按一次鍵時加1，可以在0~59之間循環(huán)調(diào)整。

1.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
　執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和雙軸跟蹤裝置，其中雙軸跟蹤裝置有高度角運(yùn)動裝置和方位角運(yùn)動裝置。伺服驅(qū)動器接收控制器的輸出脈沖，根據(jù)輸出脈沖的個數(shù)和脈沖頻率來決定伺服電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度以及伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而通過電機(jī)來驅(qū)動雙軸跟蹤裝置調(diào)節(jié)太陽能聚光器在方位角方向的偏差和高度角方向的偏差，使太陽能聚光器始終與太陽光線垂直。圖5為伺服驅(qū)動器及電機(jī)與PLC的連接電路示意圖。

2 跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
　系統(tǒng)的控制作用主要由控制器PLC來完成，主要完成兩個任務(wù)：（1）計算太陽的運(yùn)行軌跡，求出太陽的角度差，發(fā)出初步調(diào)整信號；（2）處理傳感器偏差信號，發(fā)出誤差校正信號。其主程序流程圖如圖6所示。
系統(tǒng)在剛啟動時，跟蹤裝置處于跟蹤的起始位置，當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)啟動、程序初始化設(shè)備和相關(guān)參數(shù)后，首先是讀取時間，如果在日出前或日落后，則系統(tǒng)等一段時間后再讀取時間，當(dāng)讀取的時間在日出和日落之間，系統(tǒng)通過輻射表采集輻射強(qiáng)度，以判斷是否陰天、有云或其他遮蓋，如果采集到的輻射小于系統(tǒng)設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)等待一定時間后再繼續(xù)采集；當(dāng)采集到的輻射大于系統(tǒng)的設(shè)定閾值，則系統(tǒng)通過讀取的時間和當(dāng)?shù)氐牡乩韰?shù)計算太陽的高度角和方位角，并將計算的結(jié)果與前一次的計算結(jié)果相減，得到角度差，然后根據(jù)角度差計算出PLC需要發(fā)出的脈沖數(shù)，再送給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，完成初步跟蹤。

　在本系統(tǒng)中，設(shè)定PLC每發(fā)出1個脈沖伺服電機(jī)轉(zhuǎn)0.9°，在方位角方向上的減速箱的傳動比為1：93 600，高度角方向上的減速箱傳動比為1：512。則當(dāng)太陽方位角和高度角變化0.9°時，PLC向兩臺伺服電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)分別為93 600個和512個。角度差的正負(fù)決定電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)系統(tǒng)完成初步跟蹤后，自動進(jìn)入傳感器跟蹤校正誤差，如果有偏差信號輸出，計算出相應(yīng)伺服電機(jī)所需轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)，然后分別送給兩臺伺服電機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步跟蹤，校正誤差。考慮到角度變化的精度影響和電機(jī)反應(yīng)速度，延遲5 min后再讀取時間，進(jìn)行下一個周期的跟蹤。
　本文基于PLC控制理論，提出了一種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的混合跟蹤方法，結(jié)合了光電跟蹤和視日運(yùn)動軌跡跟蹤的優(yōu)點，對太陽能跟蹤系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計，可以實現(xiàn)太陽能跟蹤裝置的全天候?qū)θ崭櫍谟布到y(tǒng)的設(shè)計中增加了時間顯示調(diào)整模塊，能對時間進(jìn)行實時顯示和調(diào)整。
參考文獻(xiàn)
[1] 戴訓(xùn)江，晁勤.基于PLC的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].能源工程，2007（6）：30-33.
[2] 徐東亮，任超.太陽自動跟蹤裝置控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械工程與自動化，2008（2）：140-142.
[3] 陳維，李戩.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].能源工程，2003（3）：18-21.
[4] 湯世松，舒志兵.基于PLC的太陽能聚光伺服跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計[J].機(jī)床與液壓，2009，37（8）：340-342.
[5] 孫茵茵，鮑劍斌，王凡.太陽自動跟蹤器的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2005（7）：157-159.
[6] 鄭小年，黃巧燕.太陽跟蹤方法及應(yīng)用[J].能源技術(shù)，2004，24（4）：149-151.
[7] ABDALLAH S， NIJMEH S. Two axes sun tracking system with PLC control[J]. Energy Conversion Management， 2004，45（11）1931-1939.
[8] JEFFREY S G. Apphcation of the compatibility factor to the design of segmented and cascaded thermoelectric generators[J]. Appl.Phys.Lett，2004，84（13）：2436-2438.
[9] HELWA N H， BANGAT A B G， ELSHENAWY E T. Maximum Collectable Solar Eeergy by Different Solar Tracking systems[J]. Solar Energy，1991，46（4）：211-217.
[10] 張利明，杜春旭.基于8051單片機(jī)的碟式太陽能跟蹤控制系統(tǒng)[J].太陽能，2007（6）：30-34.