基于PLC的太阳能板自动跟踪控制系统的设计

何燕阳

摘 要：太阳能电池板若采用自动跟踪太阳，能大大提高发电量，降低发电成本。首先，本文根据晴天、多云和阴雨三种不同天气进行了追日自动跟踪方案的设计，而后根据系统功能，对跟踪控制系统的主要硬件和软件进行了设计。硬件部分包括光强检测与转换电路、太阳方位检测与转换电路、PLC控制等模块；而软件部分设计了太阳能电池板追日自动跟踪系统的主程序、追日自动跟踪子程序、数据采集子程序、光电跟踪子程序、太阳运动轨迹跟踪子程序，实现了各个硬件模块的功能。

关键词：太阳能板；自动跟踪；PLC；硬软件设计

中图分类号：TP391 文献标识号：A

Design of Automatic Tracking Control System For Solar Panels based On PLC

HE Yanyang

（Quanzhou Institute of Information Engineering. Quanzhou Fujian 362000， China ）

abstract： The use of solar panels to automatically track the sun， can greatly increase the power output and reduce electricity costs. Firstly， Based on the sunny， cloudy and rainy weather has been designed in three different automatic tracking program， then according to the system function， the major hardware and software tracking control system is designed. Hardware includes light intensity detection and switching circuit， solar orientation detection and switching circuit， PLC control modules； and the software part of the design of the main solar panel-tracking automatic tracking system， automatic tracking routine DAY， data collection routines， optical tracking subroutines， sun trajectory tracking routines to achieve the function of each hardware module.

Key words： Solar Panels； Automatic Tracking； PLC；Hardware and Software Design

0引 言

目前，人类最为普遍使用的化石能源即将枯竭，同时，化石燃料的大量使用又严重污染了人类生存环境[1]。在现有的可再生清洁能源中，太阳能最具开发潜力。且我国绝大部分地区的太阳能资源丰富充足，尤其是西藏、新疆等地区，平均辐射总量可达7 000兆焦耳/平方米，年日照时间超过3 000小时，太阳能应用前景堪称理想而且广阔[2-3]。

在利用太阳能的多种途径中，光伏发电是太阳能发电的主流。光伏发电就是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能加以利用。然而太阳能是一种时空分布不断变化的低密度能源，若太阳能电池板能自动跟踪太阳，使太阳光基本垂直入射到太阳能板上，将显著提高太阳能的接收度，进而提高光伏发电效率。如何使太阳能电池板进行追日自动跟踪即是本文研究的重点。

1追日自动跟踪方案的设计

太阳能的辐射量与天气有关，为了提高跟踪效率，追日自动跟踪系统要能根据不同的天气状况，采取不同的跟踪模式。首先通过光照强度和太阳辐射强度波动大小来判定天气状况。其次，如果天气晴朗，只进行光电跟踪；如果天气多云，则以太阳运行轨迹跟踪为主，光电跟踪微调；如果阴雨天或者晚上，则不跟踪。

为了尽可能达到实时跟踪且考虑跟踪系统的功耗，系统要每隔一定时间才执行一次自动跟踪程序，另外跟踪装置处于室外，还要同时考虑跟踪结构的抗风能力。如果风速太强，则放平太阳能电池板不再追日，即可减小电池板的受风力，从而为跟踪装置提供妥善保护。

2自动跟踪控制系统的硬件设计

自动跟踪控制系统采用高度角-方位角双轴跟踪机构，即控制太阳能电池板的高度角（垂直方向运动）进行0°～90°方向的调整，以及控制太阳能电池板的方位角（水平方向运动）进行-90°～90°的调整。调整后，太阳能电池板与太阳入射光基本垂直，能大大提高电池板的发电量。

该跟踪系统的硬件主要由太阳能电池板、光强检测及转换电路、太阳方位检测及转换电路、风速传感器、EM231模拟量扩展模块、西门子PLC、增量式编码器、两个直流电机等组成。自动跟踪控制系统的硬件总体框图如图1所示。

图1 追日自动跟踪控制系统总框图

Fig.1 General block diagram of DAY automatic tracking control system

由图1可见，该系统中，太阳能电池板将太阳光能转换为电能，在电池板上安装光强检测传感器、太阳方位探测器及其转换放大电路。转换放大后的模拟电压信号送给EM231进行模数转换，供给PLC读取，PLC进行数据采集和运算，并判断是否进行追日跟踪以及采用何种跟踪模式，进而通过驱动直流电机控制太阳能电池板进行水平旋转运动（方位角）和俯仰运动（高度角）。

特别指出的是，在太阳运行轨迹跟踪中，还需记录太阳能电池板当前的位置，因此系统采用两个增量式编码器将太阳能电池板水平和垂直方向旋转的角度信息以脉冲的形式反馈给PLC。

2.1光强检测电路

为了选择跟踪模式，需要判定当前的天气状况。选用硅光电池器件作为光强传感器，硅光电池中的光生电流信号IG与太阳光辐射强度成正比，通过集成运放A9转换成电压信号，再经过A10进行放大输出UG。因此，采样光强检测输出电压UG，等价于采集太阳光辐射强度信息，从而判断天气状况。光强转换电路如图2所示。

（1）

图2 光强检测与转换放大电路

Fig.2 Amplifier circuit of Light intensity detection and conversion

2.2太阳方位检测电路

采用四象限A、B、C、D光电探测器来检测太阳的方位变化，其检测与转换电路原理与光强检测与转换电路相似，都是将光生电流转换为电压信号，再将电压信号进行同相放大，输出电压信号 UA、UB、UC、UD。这四个模拟电压信号连接到EM231模拟量扩展模块的模拟量输入端进行A/D转换后，用于PLC读取，然后根据公式（2）和（3）计算出太阳方位角和高度角的偏移量，进而驱动电机进行自动跟踪[4]。

（2）

（3）

在光电跟踪模式中，当Ex′和 Ey′的绝对值超过所设定的阈值时，PLC将根据Ex′和 Ey′的符号分别驱动方位角电机和高度角电机旋转，从而使得更多的太阳光垂直照射到太阳能电池板上。

2.3风速检测模块

风速传感器选择微特WFS-1-3型，该传感器将风速信号转换成0～5V的模拟量电压UF，经模拟量扩展模块EM231进行A/D转换，送给 PLC。当风速到达一定时，为了保护跟踪装置，PLC将驱动电机将太阳能电池板放平。

2.4 A/D转换模块EM231

EM231模拟量输入扩展模块与西门子PLC用扁平电缆连接，可将光强检测输出电压UG、太阳方位检测输出电压UA、UB、UC、UD以及风速传感器输出电压UF转换为数字量，供给PLC读取。

EM231只有A+-a-、 B+-b-、 C+-c-、 D+-d-、即4路模拟量输入端，而本系统有6个模拟量电压信号，因此需要2个EM231扩展模块。EM231模拟量扩展模块的接线方法很简单，例如太阳方位检测输出电压UA的电压正极接A+、负极接a-，其他5路模拟量电压接法类似。若EM231有多余的输入端没用到，则要短接，例如D+-d-没用到，则要将D+和d-短路起来。

2.5 PLC的I/O模块

本系统采用西门子PLC的CPU型号为226CN，有24个数字量输入点和16个输出点。PLC输入分配如表1所示，PLC输出分配只以控制一块太阳能电池板为例，其他太阳能电池板的接线类似。PLC的I/O接线图如图3所示。

表1 PLC的I/O分配表

Tab.1 I/O allocation table of PLC

输入 输出

I0.0 高速计数器HSC0 A相时钟输入 Q0.0 东西方向电机正转

I0.1 高速计数器HSC0 B相时钟输入 Q0.1 东西方向电机反转

I0.2 急停按钮 Q0.2 南北方向电机正转

I0.3 高速计数器HSC4 A相时钟输入 Q0.3 南北方向电机反转

I0.4 高速计数器HSC4 B相时钟输入

I0.5 模式选择开关（手动/自动）

I0.6 自动模式下启动按钮

I0.7 东限位开关（常开）

I1.0 西限位开关（常开）

I1.1 南限位开关（常开）

I1.2 北限位开关（常开）

I1.3 向东运动按钮（常开）

I1.4 向西运动按钮（常开）

I1.5 向南运动按钮（常开）

I1.6 向北运动按钮（常开）

图3 PLC的I/O接线图

Fig.3 I/O wiring diagram of PLC

3自动跟踪控制系统的软件设计

3.1系统的主程序设计

追日自动跟踪系统主程序首先检测风速以及太阳能电池板的位置，如果检测到风速太大或者太阳能板压挤到东、西、南、北等限位开关，则要运行保护子程序，进行风速保护或者限位保护。其后，根据手动/自动模式选择开关，运行追日自动跟踪子程序或者手动控制太阳板的子程序。现给出自动模式和手动模式的含义简介如下。

自动模式：追日自动跟踪子程序通过光照强度来选择不同的跟踪模式，驱动太阳能板自动追日跟踪。

手动模式：根据控制面板上的东、西、南、北按钮来手动控制电池板的运行。

3.2 追日自动跟踪子程序设计

在系统开始运行时，系统模式选择开关一般默认为自动跟踪模式，其流程图如图4所示。

图4追日自动跟踪子程序流程图

Fig.4 Subroutine flow chart of DAY automatic tracking

在图4中，基准位置指的是太阳方位角和太阳高度角都为零的方向，太阳能电池板呈水平放置；延时时间则可根据系统的跟踪精度、跟踪效益以及光照情况等等实现设定，一般是30～60分钟。

3.3数据采集子程序设计

数据采集子程序每次将同时采集UA、UB、UC、UD、UG、UF等6路模拟量电压信号，这6个采样值记为一组数据，延时几秒到几十秒后，再重复采样这6路模拟量电压信号，采集n次后，求得6路模拟量电压信号的平均值，并将其分别存入模拟量变量存储区VW11、VW12、VW13、VW14、VW15、VW16中，作为UA、UB、UC、UD、UG、UF的采样数据值。

这样，以平均值作为信号的采样值，将提高采样数据的可靠性。采样次数一般为5-10次，采样次数不宜过多，否则系统分析数据的开销大。

3.4光电跟踪子程序设计

太阳光照射到太阳能板上的入射光角度不同，在太阳方位探测器的四个象限上的受光面积就不一样，经转换电路后得到的模拟电压UA、UB、UC、UD也随即不同。在光电跟踪子程序中，PLC读取这四个采样值后，根据公式（2）和（3）计算偏移量 Ex′和 Ey′，就可以知道太阳能板与太阳之间的相对位置。

由于四象限光电探测器灵敏度较高，为了防止直流电机频繁启动，增加系统开销，在系统允许的精度范围内，设定了阈值e1和e2。只有偏移量超过了阈值，才驱动电机动作；否则电机不动作。

当偏移量|Ex′|< e1，方位角电机（东西方向）不动作；而当|Ex′|> e1且Ex′>0，说明太阳相对电池板偏向东边，驱动方位角电机（东西方向电机）反转，太阳能板由西朝东边转；当偏移量|Ex′|> e1且Ex′<0，驱动方位角电机正转，太阳能板由东向西转。同理，当偏移量|Ey′|< e2，高度角电机（南北方向）不动作；当偏移量|Ey′|> e2且Ey′>0，说明太阳相对电池板偏向南边，驱动高度角电机（南北方向电机）反转，太阳能板由北向南转；当偏移量|Ey′|> e2且Ey′<0，驱动高度角电机正转，太阳能板由南向北转。如此，即能保证光电跟踪结束时，太阳能电池板基本与入射光线垂直，且偏移量|Ex′|和|Ey′|均小于所设定的阈值e1和e2。

3.5太阳运动轨迹跟踪子程序设计

太阳运动轨迹跟踪子程序是根据太阳运动轨迹的天文学公式计算出跟踪系统当地、且当前时间太阳的高度角和方位角以及日出日落的时间。根据系统所记忆的太阳能板的高度角和方位角（这个操作至关重要，因为每次傍晚自动跟踪结束后，太阳能电池板都要回到基准位置，进行校准），分别与当前太阳的高度角和方位角进行比较，如果高度角差值大于零，则驱动高度角电机由南向北正转，反之，高度角电机反转；同理，如果方位角差值大于零，则驱动方位角电机由东向西正转，反之，方位角电机反转。

由于反馈太阳能板的垂直和水平的变化的角度信息，来自于增量式编码器输出的脉冲数。因此当计算出来太阳能板高度角和方位角应旋转的角度时，还应转换为脉冲数，该脉冲数则作为高速计数器HSC0和HSC4的预置值。如果跟踪装置在旋转的过程中，垂直和水平方向的增量式编码器反馈回来的脉冲数与HSC0和HSC4的预置值相等，则说明跟踪装置已经旋转到指定位置了，此时太阳运动轨迹跟踪即可明确判定为结束。

4结束语

本文对太阳能电池板追日自动跟踪控制系统进行了硬件设计和软件设计。用光敏传感器检测光照强度进而判断晴天、多云和阴雨，根据不同的天气选择不同的跟踪模式；用太阳方位检测模块实现光电跟踪；风速检测用来实现系统的风速保护功能，当风速达到一定等级时，将太阳能电池板放平，减小风力的影响；EM231采集光强、太阳方位和风速等模拟量电压信号进行A/D转换后，送给PLC；PLC控制模块设计实现了整个系统的跟踪控制功能；软件部分设计了主程序、自动跟踪子程序、数据采集子程序、光电跟踪子程序和太阳运动轨迹跟踪子程序。

通过对太阳能电池板的跟踪控制，使太阳光垂直照射到太阳能电池板上，充分接收太阳能，进而提高发电效率[5]。据测定，相同条件下，双轴自动跟踪太阳比固定安装未进行跟踪的发电量在整体上能提高35%左右[6]。因此可知，在光伏发电系统中对太阳进行自动跟踪即具有必要且重要的现实应用意义及价值。

参考文献：

[1]崔容强.太阳能光伏发电-中国低碳经济的希望[J].自然杂志，2010（3）：149-155+187-188.

[2]王长贵， 王斯成. 太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]张冬洁，王志远，刘胜利.太阳能在我国的应用及发展前景[J].洛阳工学院学报，2001，22（4）：35-37.

[4]徐静.自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2009.

[5]赵争鸣等.太阳能光伏发电及应用[M].北京：科学出版社，2005.

[6]余海.太阳能利用综述及提高其利用率的途径[J].新能源研究与利用，2004，7（3）：34-37.