基于上电科PLC的太阳能采集自动跟踪系统设计

前言：

    能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题， 太阳能作为一种清洁无污染的能源， 有着巨大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家， 充分利用太阳能资源， 有着深远的能源战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池板采集太阳能的效率， 太阳能电池板接受太阳光的直射， 由此得到太阳最大光照强度， 从而最大限度的采集太阳能， 目前太阳能电池板普遍采用半自动单轴跟踪方式【和电池板固定朝南安装的方式【4】。这些方法存在的缺点是： 转换效率较低、跟踪适应能力弱、跟踪精度低。本文根据太阳运行规律， 采用上电科PLC的定位控制功能实现了太阳光采集自动跟踪，该系统跟踪能双轴跟踪，精度高，适应性强，有效地提高了太阳能利用率。

太阳运行规律说明


     为了提高太阳能电池板对光能的采集效率，需要尽可能的保持太阳光垂直照射到太阳能电池板上。从高度角方位角两个物理量是可以描述太阳的这种位置变化的， 太阳能电池板对高度角和方位角的跟踪就能保证阳光垂直照射电池板， 但是在一般情况下还需要光电传感器反馈来对跟踪的误差进行修正，以提高自动跟踪的精度。
太阳高度角α
sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω (1)
太阳方位角γ
sinγ= cosδsinω/cosα          (2)
式中： φ是当地纬度， δ是太阳赤纬角， ω是太阳时角太阳赤纬：
δ=23.45sin ( 360 (284+n)/365 )     (3)
式中： n是积日， 一月一日为1， 一月二日为2， ……太阳时角
ω=15 (12-t)                      (4)
式中： t是一天当中的时刻。
由式(1) - (4) 可计算出太阳高度角和方位角， 以此进行两个角度的双轴跟踪， 来实现太阳能采集的自动跟踪。

系统总体配置图：


    太阳能自动跟踪系统的总体结构框图如图所示。PLC是整个跟踪系统的核心，负责运算和控制。传感器模块主要包括四象限探测器，当太阳光线垂直照射四象限探测器时， 它四个象限的输出电流相等；当发生偏移时， 四个象限的电流不等， 通过四象限探测器的这种特点检测太阳光是否直射太阳能电池板。2套步进驱动系统用于在高度角和方位角两个方向上进行双轴跟踪定位。

方案实现具体说明：


     在运行状态下，通过四象限探测器将光信号转换为电信号，PLC 控制系统接收到电信号后，对四象限电流信号的大小分析，通过上述式(1) - (4) 可计算出太阳高度角和方位角，然后分别输出2路高速脉冲给步进驱动器，对采集板的方位进行调整， 以此进行两个角度的双轴跟踪，来实现太阳能采集的自动跟踪，从而达到对太阳光采集的最大效能利用。

工作流程软件设计


     如下所示，系统初次使用时进入时钟的初始化， 中断的初始化设置。刚日出时，进行初始位置校验， 即PLC发出信号控制电池板由头一天运动的反方向旋转， 直至碰到限位开关后停止， 此时的位置作为初始位置， 初始位置太阳能电池板的高度角方位角是确定的。此后由时钟提供的日出日落时间， 和PLC储存的事先计算好的日出日落时间比较， 若在日出后日落前，传感器电路由此时的光照强度判断是否为晴天，若为晴天， 进行时钟跟踪， 即把PLC里事先存储的太阳高度角方位角数据与上一次(每天日出时的为初始位置) 的高度角方位角比较得出角度差值， 转化成脉冲数后PLC控制步进电机转过相应的角度， 这以后使用传感器电路检测阳光是否垂直照射电池板， 若没有， 则把信号发送给PLC进行处理， 再使电机带动电池板旋转； 若为阴天， 则只进行时钟跟踪。一次跟踪完成后， 等待1.5分钟， 进行下一次的跟踪， 如此反复进行。

结束语


    文中设计以PLC为核心的太阳能自动跟踪系统， 能自动检测昼夜和判断天气状况。系统采用预先计算好的太阳位置进行自动跟踪， 晴天时光电传感器对可能出现的误差进行修正,，减小跟踪误差，有效地提高了太阳能利用率。