基于PLC的太阳能单轴跟踪系统的设计

基于 PLC 的太阳能单轴跟踪系统的设计一、引言跟踪式太阳能接收器或光伏模块系统能增加对太阳能的接收 , 提高其日用功率和年输出功率。 据研究 , 单轴太阳能跟踪系统比固定式系统的功率输出可增加 25;双轴太阳能跟踪系统比固定式系统的功率输出可增加 41, 跟踪式太阳能系统比固定式系统复杂 , 价格昂贵。 单轴太阳能跟踪系统只能自东向西跟踪太阳 , 双轴太阳能跟踪系统能在自东向西跟踪太阳的同时 , 也能跟踪太阳的高度变化。有人提出基于单片机和实时时钟芯片的太阳能双轴机械跟踪系统的设计 ,能有效地提高太阳能利用率。本文的设计是基于可编程逻辑控制器 PLC 的单轴机械跟踪定位系统 , 并借助 VisuaBasic 6.0 开发的应用程序完成控制操作、数据采集等功能。二、系统硬件设计（ 1）可编程逻辑控制器 PLC可编程逻辑控制器 PLC Programmable LogicController 是太阳能跟踪系统的核心部件 , 系统采用结构紧凑、 配置灵活和指令集强大的 SIEMENS 公司 S7- 200 系列的 PLC; 用户程序包括位逻辑、计数器、定时器等复杂的数学运算以及与其他智能模块进行通讯等指令内容 , 从而使 S7- 200 能够监视输入状态 , 改变输出状态 ,以达到控制的目的。另外 , 选用 S7- 200 不仅能用于独立的太阳能设备跟踪系统控制 , 特别是对于串、 并联的大型光伏太阳能阵列的跟踪系统控制 , 能发挥 PLC现场总线的控制优势进行集中控制。 S7 - 200 CPU 226 的数字输入 /输 出 口 为 24/16; 可扩展 7 个模块 , 248 路数字 I/O, 35 路模拟 I/O; 有 PID 控制器 ; 有 2 个 RS- 485 通信 /编程模块和 16 k 用户程序可在线编程。（ 2）传感器和信号处理单元设计采用的是光敏电阻光强比较法。利用在光照时光敏电阻阻值发生变化的原理 , 将 2 个完全相同的光敏电阻分别置于一块电池板东西边沿处的下方。 如果太阳光垂直照射太阳能电池板时 , 2 个光敏电阻接收到的光照强度相同 , 它们的阻值完全相等 , 此时电动机不转动 ; 当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时 , 接收光强多的光敏电阻阻值减小 , 驱动电动机转动 , 直至 2 个光敏电阻上的光照强度相同。光敏电阻光强比较法的优点在于控制精确 , 电路设计比较容易实现。当太阳辐射强度增加时 , 光电电阻阻值减小 ,1 k 可变电阻的压降增加 , 从而产生与太阳光辐射强度有直接关系的电压信号。 2 个传感器的输出信号与 PLC 模拟输入端口连接 , 并对这 2 个模拟信号进行比较运算 , 从而输出正确的信号 , 以驱动太阳追踪系统的电磁和机械机构。（ 3）光伏模块和电磁机械运动原理光伏模块采用新疆新能源股份有限公司的光伏产品 REW385, 在标准试验条件下 太阳光强度为 1 000 W/m3, 太阳板温度为 25 ℃ , 空气质量为 1.5 的技术参数为 峰值功率 Pmax 为 85 W, 最佳工作电压为 7.5 V。 系统有自动和手动 2 种控制方式 , S1、 S2 为控制按钮 , 用于手动操作 , PLC 输出的 Q0 或 Q1 分别连接到2 个继电器线圈 , 以控制太阳板的正反 2 个运动方向。 在自动运行模式下 , PLC首先比较来自信号处理单元的两个模拟输入的值 , 然后决定输出 Q0 或者 Q1。电源电路采用开关电源设计 , 具有高效率、 低损耗的特点。 采用的开关控制芯片 L4960, 能提供 5.1～ 40 V 的输出电压和 2.5 A 输出电流。 通过调整电阻 R3 和 R4,产生 12～ 24 V 直流电压 , 24 VDC 用于 PLC 电源 , 44 V DC 直接取自整流桥侧供给直流电机。 如果用于光伏逆变系统的跟踪系统 ,220 V AC 可以直接取自光伏逆变电源。三、系统软件（ 1） PLC 控制和监控程序S7- 200 的编程软件是 STEP7-Micro/WIN, 用于 PLC 的程序编辑 , 支持 LAD梯形图 , FBD功能模块 和 STL语句表 3 种编辑模式。监控 PLC 输入与输出子程序是将 PLC 输入与输出状态复制到内存的特定位置 , 称为标记区域 , PC 监控程序能直接从内存区域随时读取输入和输出状态。采样数据存储是一个在线采集存储过程 , 通过 RAM 数据存储内部的特殊矩阵 , 每隔 1 h 读取 1 次光敏电阻的值。数据采集在白天进行 , 晚上停止。 采集的时间 小时和分钟 存储在不同的矩阵 ,然后在 PC 机的屏幕上显示出来。 当 RAM 内存满时 , 将不再存储数据 , 直到复位操作将存储数据清除。（ 2） PC 监控和数据处理程序采用面向对象的高级编程语言 Visual Basic6.0 实现以下功能 自动检测 PC 机 RS232 串口和 PLC 端口的连接状态 ;通过系统监控 , 决定光伏模块的实际位置和运动方向 , 显示光敏电阻的读数以及内存溢出标记 ;通过程序界面发出强制性前向和反向运动指令 , 控制 PLC 操作。如果出现系统位置异常 , 可强迫太阳板按照操作要求恢复初始位置 ;显示存储在 PLC 内存中的设置 , 如前向和反向运动极限、光线暗度极限、 前向和反向停止极限 , 可直接对这些参数设置进行修改。四、结论本设计的 PLC 控制和监控系统比独立式固定发电设备昂贵和复杂 , 用于只供夜晚照明用电的场合 , 显得不够经济 , 但如果能成功地用于控制大型串 /并联连接的光伏模块的发电系统 , 可有效地增加全年的功率输出 , 从而能在整体上降低成本。 因此 , 所开发的基于 PLC 控制的太阳能跟踪系统宜用于大型光伏发电系统。 该跟踪系统具有良好的经济效益和商业价值。