基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统的研究

　　太阳能光伏发电设备自动跟踪系统的光敏探测头（传感器）是用来检测太阳光强的。当有偏差发生时，偏差信号经过跟踪PLC主控单元（控制器）,采用模拟差压比较原理进行运算、比较和发出指令，使电动执行器动作，驱动机械部分转动推动整个装置旋转，调整偏差，保证太阳能电池方阵正对太阳光，达到自动跟踪太阳的目的。太阳能电池方阵在阳光的照射下光伏发电，通过控制器向蓄电池充电。系统配有自动保护线路，当风力达到8级时自动启动，切断跟踪太阳系统，使电池方阵快速收平，在风力降下来时延时10 min，解除防风系统，恢复跟踪过程。固定光强、跟踪光强、电瓶温度和自然风速等由微机进行数据采集，并对蓄电池充电和放电进行分级控制。
　　系统有自动和手动2种控制方式，SB1和SB2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2个模拟输入的值，然后决定输出Q0或者Q1。
1.1 可编程逻辑控制器PLC单元
　　跟踪控制器采用可编程逻辑控制器PLC，它是太阳能电池板跟踪系统的控制核心，是系统研究工作的重点。系统采用欧姆龙（OMRON）公司近年推出的α系列PLC，该机型为介于大型机与小型机之间的中小型机，最大控制I/O点数为1184点。在应用中，中央处理器单元（CPU）采用C200HX-CPU43-E，它自带1个编程口和1个RS232C口。该CPU具有丰富的指令功能，编程十分方便；开关量输入输出模块分别选用C200H-ID212和C200H-OC225；通过在CPU中插入通讯板C200HW-COM06-E(该板具有1个RS232C和1个RS-422/485）实现与上位机远程通讯。由于采用了RS-422接口，采取平衡式发送，因此数据传输率高，而且串扰小，传输距离可达500 m。特别对串并联的并网光伏太阳能电池阵列的跟踪系统控制，能发挥PLC现场总线控制的优势，进行集中控制。经过研究和优化设计，应用集成标准线路，采用模拟差压比较原理，控制器具有跟踪精度高、范围宽、自动返回功能。限位装置具有东、西、上、下4个方位的极限限位功能。采用双重限位控制结构，即控制信号限位和驱动电机限位，保证了设备可靠地工作。图2所示为PLC输入/输出硬件配置图。

1.2 传感器检测和信号处理单元
　　太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同，因此，欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。检测太阳光光强的方法有定时法、坐标法、太阳能电池板光强比较法和光敏电阻光强比较法[4]。对这4种控制方法进行了对比后认为：定时法电路虽然简单，但由于季节的影响，系统的控制精度较差；坐标法控制精度较高，但控制电路复杂；光强比较法使系统的太阳能利用率不能达到最佳；光敏电阻比较法电路实现最简单，对太阳能的利用率最大。基于此，选择控制精度高和电路易于实现的光敏电阻光强比较法作为本研究系统的检测方案。光敏探测头（传感器）是太阳能电池板跟踪系统的光信号接收器，它是利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将2个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方（光与电池板垂直时，一半可接收光，一半在下边）。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。控制灵敏度的高低直接影响跟踪精度。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。经过实验研究，选用质量轻、美观、耐腐蚀的铝合金材料，光电接收管经过严格的计算、定位，以保证其检测灵敏度。
　　图3所示是太阳光电定位装置中光电检测电路的俯视图，共由9个光电三极管组成。正中央1个，旁边8个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径略大于检测板的外圆。圆柱体的上方中央开1个与检测用的光电二极管直径相同的洞，以便光线通过。将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上，光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方（确保会受到光线的照射）也安装1个光电二极管，其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同，用于检测环境亮度，并与圆柱体内的每个光电二级管及运放(可用LM324集成电路中的1个)构成一个比较电路。这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时，运放将输出低电平，此电平可接到输入端进行检测。圆柱体内的每个光电二级管各用1个PLC的输入端，共9个。这样就可以检测太阳光线的朝向，决定哪个电机转动，向哪个方向转动。另外，为了增大光电二极管的检测范围，视实际情况需要，也可再增加1圈紧密排列的光电二极管，外圈的光电二极管与内圈的相应位置的光电二极管并联。