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    舒志兵 （1965-）

    男，南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院運(yùn)動(dòng)控制研究所所長(zhǎng)，現(xiàn)任中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事測(cè)控技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制、傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)及電氣控制系統(tǒng)研究，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人、非線性多變量控制、變頻調(diào)速、交直流傳動(dòng)、伺服運(yùn)動(dòng)控制、DSP技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、數(shù)控系統(tǒng)及其機(jī)電一體化系統(tǒng)等。

    摘  要：太陽(yáng)能是一種具有開發(fā)潛能的能源，但目前太陽(yáng)能的利用率不高，理論分析證明，采用跟蹤技術(shù)可以提高37.7%的能量接收率。本文提出了基于可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，使光伏模塊能實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)光照，從而獲得最大的太陽(yáng)能。太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)構(gòu)建了由光敏元件檢測(cè)和比較, 方位角和高度角雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)組成的自動(dòng)控制裝置。

    關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；跟蹤系統(tǒng)；PLC

    Abstract: Solar energy is a king of energy with great development potential, but current solar utilization is not efficient. Proved by theory analysis, that adopting the solar tracking technology can increase 37.7% by the rate of the energy receiving. The sun—tracking system based on PLC was studied. The photo—voltaic module in the system can track the sun simultaneously, then the maximum sun energy can be obtained .The sun tracking system structures it by photodiode measuring and comparative law , azimuth and vertical corner double axle machinery follow the automatic control device.

    Key words: Solar energy; tracking system; PLC

    1 引言

    隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類所面臨的能源問題越來越突出，太陽(yáng)能作為一種清潔能源，無疑受到各國(guó)的普遍重視。如何提高太陽(yáng)能的利用效率成為研究熱點(diǎn)，太陽(yáng)跟蹤是提高利用率的一種途徑。

    太陽(yáng)能聚光伺服跟蹤光伏發(fā)電，其單機(jī)發(fā)電能力為0.3~1.5kW，將單機(jī)組成陣列可構(gòu)成大功率的發(fā)電系統(tǒng)。采用聚光太陽(yáng)電池的好處是光電轉(zhuǎn)換效率高，并且價(jià)格低（聚光太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率為18%～30%，比普通太陽(yáng)電池高的多，1cm2 的聚光電池在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下聚光度為400～600倍聚光后，輸出功率達(dá)6~10W 以上，而同等面積的平板式太陽(yáng)電池輸出功率僅12~14MW）。

    普通平板式太陽(yáng)電池的造價(jià)為45~65元/W，而聚光太陽(yáng)電池的造價(jià)要低得多，并且同功率的精確跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)比固定的光伏發(fā)電系統(tǒng)每天多發(fā)電50%。由于聚光電池的受光面只有同功率的普通光電池的幾百分之一，因此可以大大節(jié)約單晶硅的用量，即同面積的單晶硅片若制成聚光電池，發(fā)電量將提高數(shù)百倍。

    香港大學(xué)建筑系的KPcheung和scMHui教授研究了太陽(yáng)光照角度與太陽(yáng)能接收率的關(guān)系，相關(guān)理論分析表明：太陽(yáng)的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽(yáng)可使接收器的熱接收效率大大提高，進(jìn)而提高了太陽(yáng)能裝置的太陽(yáng)能利用率，拓寬了太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。

    本文提出一種新型的基于PLC的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該雙軸系統(tǒng)在自東向西追蹤太陽(yáng)的同時(shí)，使太陽(yáng)能板傾斜從而跟蹤太陽(yáng)的高度變化。它不僅能自動(dòng)根據(jù)太陽(yáng)光方向來調(diào)整太陽(yáng)能電池板朝向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽(yáng)能的利用率，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

    2 太陽(yáng)能聚光伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2.1 自動(dòng)跟蹤裝置總體結(jié)構(gòu)

    太陽(yáng)能聚光發(fā)電伺服跟蹤系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動(dòng)編程控制實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)采用PC或者PLC控制運(yùn)動(dòng)控制器從而控制兩個(gè)變速電機(jī)和相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)使得系統(tǒng)能夠跟蹤太陽(yáng)的軌跡。從而使系統(tǒng)能夠在一天中，始終以最佳的傾角和方向?qū)?zhǔn)太陽(yáng)，進(jìn)而最大限度地利用太陽(yáng)能。

    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PC或者PLC、運(yùn)動(dòng)控制器、PMSM及其驅(qū)動(dòng)器。
PC機(jī)或PLC與運(yùn)動(dòng)控制器之間的通訊由運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部做PID等相應(yīng)的信號(hào)處理和運(yùn)算后，給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出一定頻率的脈沖和方向指令，伺服驅(qū)動(dòng)器輸出三相交變的交流電流，產(chǎn)生馬達(dá)力矩使馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。位置伺服控制的硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

                          

                       圖1   位置伺服控制硬件結(jié)構(gòu)圖

    2.2 控制系統(tǒng)核心部件PLC

     可編程邏輯控制器PLC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)大的歐姆龍公司可編程PLC；用戶程序包括位邏輯計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他智能模塊進(jìn)行通訊等指令內(nèi)容，從而使能夠監(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CJ2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。圖2所示為PLC輸入/輸出硬件配置。

                     
                       圖2   PLC輸入/輸出硬件配置

    2.3 光電檢測(cè)模塊

    光電檢測(cè)模塊主要由一個(gè)四象限光敏二極管探測(cè)器組成。四象限光敏二極管CU301是在同一芯片上制成4個(gè)二極管單片(它們之間有十字溝槽間隔)。單元的性能參數(shù)基本相同，一致性較好。4個(gè)二極管單元相當(dāng)于直角坐標(biāo)系中的4個(gè)象限，每個(gè)象限的二極管有自己的輸出。當(dāng)照射在4個(gè)象限光敏二極管上的光斑圖像位于十字形劃線的中心時(shí)，代表4個(gè)象限的光敏二極管各自的輸出相等，經(jīng)過運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)處理后，輸出為零。當(dāng)光斑產(chǎn)生相對(duì)于十字形劃線的任何位移時(shí)，都會(huì)使4個(gè)象限光敏二極管的輸出隨之變化，運(yùn)算放大器的輸出也隨之產(chǎn)生相對(duì)位移方向上的正負(fù)變化，從而可以確定物體在二維方向上的位移。

    為減小環(huán)境光的干擾和提高檢測(cè)單元的敏感度，4象限光敏二極管探測(cè)器可以放置在一個(gè)長(zhǎng)方形桶狀內(nèi)，采用透光性比較好的材料給長(zhǎng)方形的桶做一個(gè)蓋子，以防止由于遮光或覆蓋灰塵而發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)。其中VD1、VD2正極分別接在CU301的“2”、“3”端，VD3、VD4正極分別接在CU301的“1”、“4”端。這樣X軸、Y軸的輸出信號(hào)即可顯示出光斑是否在中心位置，當(dāng)控制器檢測(cè)到光斑在中心位置上時(shí)即發(fā)出中斷信號(hào)。

    2.4 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

     根據(jù)傳感器工作原理分析，控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)一下幾個(gè)功能：

    （1）電機(jī)控制：M1電動(dòng)機(jī)的控制（方位角方向的控制），M2電動(dòng)機(jī)的控制（高度角方向的控制）。

    （2）開關(guān)輸入量：手動(dòng)開關(guān)輸入量，接近開關(guān)輸入量。

    （3）指示燈控制：為了方便觀察實(shí)驗(yàn)過程，需配置一些調(diào)試指示燈。

    PLC嵌入在系統(tǒng)控制兩電機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，相反地驅(qū)動(dòng)器也引導(dǎo)跟蹤器追隨著太陽(yáng)的軌跡從升起至落下。在一天的整個(gè)過程中，跟蹤器獲得最優(yōu)的傾斜角和方位角，電池板接收到最大太陽(yáng)日輻射量。

    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。

    控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)取決于兩方面：（1）電氣控制部分和驅(qū)動(dòng)部分。（2）傳感器和檢錯(cuò)系統(tǒng)。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度~55度。

    對(duì)于檢錯(cuò)系統(tǒng)，傳感器被用于檢測(cè)方位角，系統(tǒng)包含控制程序的檢錯(cuò)方法，比如檢測(cè)風(fēng)速。作為一個(gè)選擇，我們建立了傳感器系統(tǒng)直接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跟蹤器的運(yùn)行狀態(tài)，包括獲得方位角和垂直角。反饋到驅(qū)動(dòng)部分，閉環(huán)就形成了。它不同于其它跟蹤器。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。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    跟蹤模式的判斷過程完全由軟件實(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。電池參數(shù)由電壓傳感器采集。還可以根據(jù)需要，增加溫度傳感器、光強(qiáng)傳感器、風(fēng)力傳感器等多種傳感裝置。圖3為主程序框圖。

                       
 
                                圖3   主程序框圖

                     

                                  圖4   子程序框圖

    監(jiān)控PLC輸入與輸出子程序是將PLC輸入與輸出狀態(tài)復(fù)制到內(nèi)存的特定位置，稱為標(biāo)記區(qū)域，PC監(jiān)控程序能直接從內(nèi)存區(qū)域隨時(shí)讀取輸入和輸出狀態(tài)。圖4為子程序框圖。

    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)，采樣電壓不再變化，據(jù)此，程序?qū)⒆詣?dòng)反轉(zhuǎn)電池板，以保護(hù)電機(jī)不受損害。

     采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一個(gè)在線采集存儲(chǔ)過程，通過RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)部的特殊矩陣，每隔1h讀取1次光敏電阻的值。

    數(shù)據(jù)采集在白天進(jìn)行。晚上停止。采集的時(shí)間(小時(shí)和分鐘)存儲(chǔ)在不同的矩陣，然后在PC機(jī)的屏幕上顯示出來。當(dāng)RAM內(nèi)存滿時(shí)，將不再存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，直到復(fù)位操作將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)清除。

    4 結(jié)論

    本文介紹了太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)晝夜，并應(yīng)用了太陽(yáng)輻射與環(huán)境亮度的比較，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，則可從電池板直接獲取電能，而無需另外輸入能量。

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                                                              ——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》