基于PLC的太阳能跟踪系统

2 0 1 2. 0 6 （ 上 旬 刊 ）（ 下转第 110 页 ）摘 要 太阳能光伏发电跟踪控制系统使用两种跟踪控制方式 ， 其一为光控 ， 即使用光传感 器 ， 根 据 天 空 不 同 区 域 光线强弱区别 ， 判断太阳位置 ， 然后驱动电机转动支架进行追踪 。 其二为时控 ， 根据当地经纬坐标和时间 ， 利用天文学计算公式 ， 计算太阳所处天空的坐标 ， 然后驱动电机转动支架进行追踪 。 本文设计的追日装置是由三菱 PLC、 太阳能电池板 、 追日跟踪传感器 、 水平和俯仰运动机构和直流电动机等组成 。 采用光控跟踪方式 ， 在日照环境下 ， 通过 PLC 编程 ， 实现 PLC 采集追日跟踪传感器信息 ， 追日跟踪传感器比较各方位日照强度 ， 控制作为执行机构的直流电机正向或反向旋转 ， 带动太阳能电池板转动 ， 使追日跟踪传感器正对太阳光源 ， 从而实现实时跟踪的目的 。 本装置高效 、 简易 ， 能应用于太阳能领域 ， 以提高太阳能的转换效率 。关键词 太阳能 光伏发电 PLC 追日系统The Solar Tracking System Based on PLC // Zhang JingAbstract The tracking and control systemfor solar energy ph-otovoltaic powerutilizes two tracking and control styles,namely,light sensorand time control.Adopting the tracking style of lightcontrol,werealize the purpose of solar tracking with our solar tr-acking instrument,composedof PLC,solarpanels,asolar trackingsensor,runninggearsand a DC motor.Thisinstrument is efficientand simple, and can be applied to solar energy field to improvethe transformation effectivenessof solar energy.Key words solar energy;photovoltaic power generation;PLC;solar tracking systemAuthor s address Hubei University of Technology,430068,Wuhan,Hubei,China1 引言随着社会生产的不断发展， 对能源的需求不断增长， 全球能源危机日益突出 。 传统能源， 尤其是煤 、 石油 、 天然气等传统能源的不合理使用， 不仅在 21 世纪濒临枯竭， 能源危机还会造成全球环境问题 。 因此， 新能源利用一个全球性的热点 。当前，太阳能是世界各国都在积极关注和大力发展的新能源， 因为太阳能在地球上资源丰富 、 分布相对均衡， 并且太阳能的利用过程不产生废物 、 对环境的污染小， 是真正意义上的环保 。 利用太阳能作为能源的太阳能光伏发电技术是当今最有潜力的一种新型发电技术，它将对缓解世界能源危机和较小温室效应起到至关重要的作用 。太阳能光伏发电是目前发展最为迅速，并且前景最为看好的可再生能源产业之一 。 在地球上， 太阳光照的角度时刻都在变化， 为确保最佳的太阳能发电效率， 必须使得太阳能电池板时刻都能正对太阳 。要想实现高效率的太阳能发电，必须确保太阳能光伏电池方阵能时刻正对着太阳 。 因此需要设计太阳能跟踪装置， 该装置能对太阳光线实施随时跟踪， 使得太阳光线能随时保持垂直照射在光伏电池方阵上 。光伏发电是利用太阳能光伏电池将太阳光能直接转化为电能 。 太阳能光伏电池阵列的发电量与阳光入射角角度有关 ,当光线与光伏电池阵列平面垂直时， 光伏电池阵列的发电量最大 。 为了使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直 ,可采用光线自动跟踪的方式 ,这样可以大大提高光伏电池阵列的发电量 。常用的太阳能跟踪方法有视日跟踪和光电跟踪 。 两种跟踪方式各有特点， 常常一起使用 。 视日跟踪是根据光伏发电设备所处地方的经纬度和当日的日期等信息计算得出的太阳在当日不同时刻所有角度位置信息存储到单片机等电脑软件中， 通过电脑计算太阳位置实现的跟踪方式 。 光电跟踪是通过光电传感装置采集阳光信号，将得到的电压信号通过模数转换，使用单片机或 PLC 等控制设备来驱动光伏电池方阵实现实时追踪太阳 。本太阳能跟踪系统采用光控跟踪控制方式，由太阳能电池板组件和追日跟踪传感器 、 水平和俯仰运动机构 、 直流电动机和支架组成 。 系统的核心部件是追日跟踪传感器和可编程控制器 。2 太阳能跟踪系统的控制要求本次设计流程是光敏传感器在不同光照下产生不同的电流， 形成信号差发出指令给 PLC， PLC 根据给予的输入信号，经过程序运算得出输出结果控制太阳能电池板的运动方向， 使之追踪光源 。3 太阳能跟踪系统的硬件设计本光伏发电跟踪系统包括 底座 、 追日跟踪传感器 、 水平和俯仰运动机构 、 电池板支架 、 控制模块等组成 。太阳能跟踪器水平电机固定在底座上，主轴及其支撑轴承相对于底座可以转动，光伏电池方阵相对于支架也可以转动， 从而实现光伏电池方阵的水平和俯仰运动， 俯仰电机安装在支架上面， 俯仰电机的输出轴连接在光伏电池上 。4 太阳能跟踪系统的 PLC 控制程序设计基于 ＰＬＣ 的太阳能跟踪系统张 璟（ 湖北工业大学 湖北 武汉 ４３００６８ ）中图分类号 TK11 文献标识码 A 文章编号 1672- 7894（ 2012） 16- 0096- 02表 1 输入输出地址分配表I/O 外部设备 I/O 外部设备 I/O 外部设备X0 停止按钮 X11 北限位开关 Y1 北移X10 启动按钮 X12 南限位开关 Y2 南移X4 向北信号 X13 西限位开关 Y3 西移X5 向南信号 X14 东限位开关 Y4 东移X6 向西信号 X11 北限位开关 X7 向东信号 X12 南限位开关 理工９６2 0 1 2. 0 6 （ 上 旬 刊 ）（ 上接第 96 页 ）4.1 PLC 输入输出点分配4.2 太阳能跟踪系统的 PLC 控制程序4.2.1 启动追日至系统平衡程序按下启动按钮 X10， 太阳能跟踪系统开始工作， 追日跟踪传感器采集太阳光线， 为达到太阳光垂直太阳能电池板，东 、 西 、 南 、 北四个方向不断寻找一个平衡点， 从而将方位命令传递给 PLC， PLC 则对应出向东 X7、 向西 X6、 向南 X5、 向北 X4 四个输入信号， 驱动两台电机运动至太阳能电池板与太阳光线垂直， 即实现太阳光实时跟踪 。向东 、 向西 、 向南 、 向北移动命令分别存入 M4、 M3、 M2、M1 四个辅助继电器 。 当太阳能电池板与太阳光线垂直， 追日跟踪传感器无移动信号输出则停止追日 。4.2.2 追日系统 南北限位保护程序当两台电机接受 PLC 工作命令， 拖动俯仰机构运动时，遇到极限开关则实施自我保护程序 。 每当到达极限处， 则反方向运行 10 秒后停止 。 当电动机运行至北限位开关， 立即停止北移， 开始南移， 10 秒后， 系统停止工作； 当电动机运行至南限位开关， 立即停止南移， 开始北移， 10 秒后， 系统停止工作 。4.2.3 追日系统 东西限位保护程序当电动机运行至西限位开关处， 立即停止西移， 开始东移， 10 秒后， 系统停止工作， 保护电机安全； 当电动机运行至东限位开关处， 立即停止东移， 开始西移， 10 秒后， 系统停止工作 。4.2.4 太阳光自动追踪程序四个方向的移动信号分别被存入到八个辅助继电器中，再由辅助继电器实现间接控制输出机构带动两台电机运动 。4.2.5 追日系统限位保护程序当系统平衡后出现向东 、 向西 、 向南 、 向北四个信号的任何一个， 系统追日重新开启 。5 结论在采用相同光伏电池方阵的情况下，选用实时自动跟踪要比固定发电设备的跟踪产生的发电量高 35，因此实施太阳实时跟踪是提高发电效率的重要手段 。根据光伏发电系统中的太阳光跟踪装置的工作要求，实验中采用三菱 PLC,在日照环境下， 通过 PLC 编程， 实现PLC 采集追日跟踪传感器信息，追日跟踪传感器比较各方位日照强度，控制作为执行机构的直流电机正向或反向旋转， 带动太阳能电池板转动， 使追日跟踪传感器正对太阳光源， 从而实现实时跟踪的目的 。本太阳跟踪装置具有高效 、 简易的特点， 能应用于太阳能领域， 以提高太阳能的转换效率 。参考文献[1] 王长贵 .太阳能光伏发电实用技术 [M].第 2 版 .北京 化学工业出版社 ,2009.[2] 张兴磊 .一种太阳自动跟踪系统的设计 [J].青岛农业大学学报 自然科学版 ,20084.[3] Shah A,Tomes P,T schamer R,et al. Photovoltaic TechnologyTheCase for Thin- Film Solar Cells[J].Science,1999.编辑 胡俊龙表 2 辅助继电器继电器 功能 继电器 功能 继电器 功能M0 系统启动 M5 南移 M10 东移M1 北移 M6 南移 M11 西移M2 南移 M7 北移 M12 西移M3 西移 M8 北移 M13 限位保护M4 东移 M9 东移 M10 东移书， 学生通过阅读互动式教学指导书和教师的适量精讲， 让学生了解本堂课的内容结构及重点，并获得一些带有启发性的问题 。 为了便于交流， 根据教学内容将每个班的学生按5- 8 人为一组分成若干小组， 进行讨论， 在组内充分讨论的基础上， 每个小组推选一名代表在大班上交流， 小组其他成员还可以补充 。 在大班交流时， 同学们互相提问， 质疑争辩， 听取老师适当引导， 结果学生对所学内容的理解更清楚， 更深入， 更难忘 。 课外可要求学生写小论文或读书报告， 课内与课外相结合， 师生之间密切配合， 必然取得好的教学效果 。2.3 将数学建模融入数学教学过程中“ 知识点式 ” 的教学模式， 单纯形式的数学训练是在学生完全处于一种被动情况下进行的，在学生身上体现的更多的是模仿与强迫记忆 。 将数学建模融入高等数学教学过程中是解决这一问题的好办法 。 数学建模简单地说是建立数学模型的过程，把错综复杂的实际问题抽象为简单合理的数学结构， 要做到这一点， 必须要掌握数学工具， 这样纯数学理论就与实际相结合 。 在高等数学教学过程中， 适当地引入数学建模的思想或内容，促使学生更有效地掌握高等数学概念与公式，让学生感觉到高等数学有实实在在的用途， 激发学生对学习高等数学的兴趣， 进而让学生保持较长时间学习高等数学的动力， 从而提高教学质量 。3 教无定法， 教无止境教学是一门综合性艺术， 贵在得法， 贵在模式 。 同样的教学内容， 同样的教学理念， 同样的教师， 不同的教学方法与教学模式， 教学效果会大不相同， 可见教学方法与模式的重要性， 改革传统教学模式的必要性 。 但是， 教无定法， 教无止境 。 没有最好， 只有更好， 不同的教学环境和教学对象， 应采用不同的教学模式， 在教学实践中学会随机应变， 不断地创新教学模式， 以期达到理想的教学效果 。★ 基金项目 江西省高校教改课题 JXJG- 10- 4- 22参考文献[1] 刘元骏 .高等数学实施分层次教学的探索 [A]// 大学数学课程报告论坛组委会 . 大学数学课程报告论坛 2008 论文集 [C].北京 高等教育出版社 ,2008189- 192.[2] 李大潜 .将数学建模思想融入数学类主干课程 [J].中国大学数学 ,200619- 11.[3] 李忠 ,周建莹 .关于高等数学改革的一些尝试 [J].数学通报 ,1999239- 40.编辑 胡俊龙理工１１０