基于LOGO!的太阳能双轴交错联合跟踪系统

陈 磊 汤占军 郭世海 张 桐

(昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明 650051)

基于LOGO!的太阳能双轴交错联合跟踪系统

陈 磊 汤占军 郭世海 张 桐

(昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明 650051)

为提高光伏转化率，设计光电传感器跟踪与太阳运行轨迹跟踪相结合的双轴交错联合跟踪控制系统。以LOGO! 240 RC控制器为核心搭建太阳能电池板跟踪控制系统，并对太阳跟踪控制算法进行优化。投运结果表明：系统功耗和电机启停频率均有所减少，电机寿命延长，同时光伏转化率有明显提高。

太阳能跟踪系统 LOGO! 240 RC 双轴交错联合跟踪控制模式 光伏转化率

随着人类对能源需求的不断增长，全球能源危机和环境问题日益突出，对新能源的开发和利用已经成为全球热点问题。光伏发电技术作为新能源的利用方式之一，因其清洁环保、储量巨大及使用方便等优势而发展迅速[1]。硅的光伏转化效率较高，但迫于价格等因素，高转化效率的太阳能电池板未能大范围普及使用[2]。

目前，太阳能电池板多为平板式和固定角度式安装[3]，这种安装方式因其较低的光伏转化效率和较高的开发成本抑制了光伏发电的发展，而太阳跟踪技术能有效解决这一问题[4]。现有的太阳跟踪装置根据控制模式可分为光电传感器跟踪和太阳运行轨迹跟踪[5]。光电传感器跟踪装置在阴雨天时其光电转换器很难适应光线变化，甚至会引起执行机构误动作；太阳运行轨迹跟踪装置的精度受限于算法的准确性和跟踪策略的合理性[6]。太阳跟踪装置按照系统机构自由度数，可分为单轴跟踪和双轴跟踪[7]。研究表明，太阳能接收系统有无使用太阳跟踪技术，其光伏转化效率最高相差36%。因此，设计可靠的高精度的太阳能跟踪系统对提高光伏转化效率有一定的实用价值。

为了提高太阳能跟踪系统的精度，大多使用光电传感器跟踪和太阳运行轨迹跟踪相结合的双轴跟踪控制方式，根据环境变化，晴天采用光电传感器跟踪模式，阴雨天则切换为太阳运行轨迹跟踪模式。这两种跟踪模式相互配合，弥补不足，可以实现高精度全天候的太阳自动跟踪[8]。然而在实际应用中发现，这种不间断调节会增加系统功耗、电机启停频率和步距误差，减少电机寿命。为此，笔者以LOGO! 240 RC为控制器，使用双轴交错联合跟踪系统，结合光电传感器和太阳运行轨迹跟踪控制方式，实现太阳能电池板的超前滞后调节。

1.1 跟踪原理

系统在跟踪时刻选择太阳运行轨迹跟踪方式，调整电池板到滞后30min的位置，存储当前位置信息并等待30min，然后启动光电传感器跟踪以校正太阳运行轨迹跟踪产生的误差。光电检测模块检测到信号的电压差值超过阈值时驱动直流电机旋转，直到电压差值小于阈值，再等待30min，进入下一次跟踪循环，实现全天实时跟踪。

现假设A处太阳辐射强度为R，为方便计算，在时间t内太阳辐射强度呈线性变化，即R=R0+kt，其中k为线性系数，R0为t为0时的太阳辐射强度。已知太阳运行轨迹由A到C转动的角度为θ，则电池板法线方向辐射强度Rn为：

Rn=(R0+kt)·cosθ

(1)

对式(1)在0～T进行积分，得到电池板接收的辐射能量W为：

(2)

在跟踪时间间隔0

1.2系统硬件

系统硬件部分主要由LOGO! 240 RC控制器、光电传感器模块、执行机构及太阳能电池板等组成，如图1所示。LOGO! 240 RC控制器是控制系统的核心，负责运算和控制。光电传感器模块包括光电探测器、调理电路及A/D转换电路等。执行机构包括驱动电路、直流减速电机和传动机械装置。

图1 跟踪系统硬件结构简图

对于光电传感器模块，为了提高其对光线感应的灵敏度，对感应部分使用一块黑布进行遮光处理；感应元件采用光敏材料，呈空间弧形分布，可以根据设计要求在32个输出中选择对应端角作为感应部分；光敏元件是四分之一圆的光敏电阻排阻，光敏材料涂层顺着弧线。LOGO! 240 RC控制器采集光电传感器信号，经过分析处理通过驱动直流减速电机完成对太阳的跟踪。电机驱动芯片L298N为双H高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，驱动电压可达46V，直流电流4A，内部有两个完全相同的PWM功率放大回路[9]，两路输出分别控制电机水平方向和俯仰方向的旋转。

1.3系统软件

系统软件控制流程如图2所示。系统首先进行初始化，读取当前时间并判断是否在跟踪时间内(7∶00(Ts)～18∶00(To))。首次跟踪时刻选定7∶00，太阳运行轨迹跟踪模式启动，电机旋转到7∶30后光电检测模块检测光强偏差是否超过阈值，若超过光强阈值则启动光电传感器跟踪模式，休眠30min到8∶00进入下一次跟踪，如此循环，到18∶00停止跟踪。

图2 系统控制流程

LOGO! Soft Comfort V7.0常用编程方法有功能块图法和梯形图法，梯形图与功能块图之间可以切换，本系统软件设计采用功能块图法，程序如图3所示。

2 系统调试与投运

程序通过LOGO!专用数据传输线下载到LOGO!主机中，接通电源启动LOGO!，系统按照程序设定开始运行。经实际验证，系统设计满足要求。在光伏电站上进行实验性投运，使用两块参数完全相同的太阳能电池板，一块采用固定式装置安装，另一块采用跟踪式装置安装，利用相关辅助测试仪器记录两种装置的采样光强，结果如图4所示，跟踪式装置接收光强接近或超过550W的时间有5.5h，比固定式多2.0h，且光伏转化效率提高了25%左右，投运结果比较理想，光伏转化效率有明显提升。

图3 控制程序

图4 两种装置的采样光强对比

3 结束语

太阳能跟踪系统的稳定性、可靠性、转化率和电量损耗是限制太阳能跟踪系统广泛应用的主要问题。针对这些问题，笔者设计基于LOGO!的太阳能双轴交错联合跟踪系统。在实验投运中，系统既解决了太阳运行轨迹跟踪误差累计问题，又解决了光电跟踪易受天气干扰而使系统误动作的问题，系统能够可靠稳定运行，在不增加系统功耗和电机启停频率的情况下提高了光伏转化效率，且系统易维护、成本低，能有效减少电量损耗，具有较高的实用价值。

[1] 李燕斌,谭阳,王海泉,等.光伏发电逐日跟踪控制系统设计[J].中原工学院学报,2014,25(6):11～15.

[2] 刘赟,石剑桥,郭瀚哲.独立光伏发电跟踪系统的设计[J].信息化研究,2013,39(5):30～34.

[3] 朱俊昊,何中杰.自主调节跟踪的太阳能装置及控制方法[J].机电工程,2012,29(5):545～548.

[4] 李鹏,廖锦城,蔡兰兰,等.双轴太阳跟踪系统运行控制规律的研究[J].机械制造,2010,48(6):23～26.

[5] 王金平,王军,冯炜,等.槽式太阳能跟踪控制系统的研制及应用[J].农业工程学报,2015,31(2):45～52.

[6] Alexandru C,Pozna C.Different Tracking Strategies for Optimizing the Energetic Efficiency of a Photovoltaic System[C].2008 IEEE International Conference on Automation,Quality and Testing,Robotics.Cluj-Napoca: IEEE,2008:434～439.

[7] 汤世松,舒志兵.双轴伺服太阳能跟踪系统的设计[J].自动化仪表,2011,32(2):49～52.

[8] 张璟.基于PLC的太阳能跟踪系统[J].科教文汇,2012,(16):96,110.

[9] 陈国庆,韦抒,李捷.太阳能自动跟踪系统的设计与实践[J].电子世界,2012,(11):116～118.

(Continued from Page 45)

2.SchoolofElectricalEngineering&Information,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

AbstractBased on the finite element method, both torque characteristics and transmission efficiency of the permanent magnet speed governor was analyzed. Regarding the torque characteristics, the speed governor’s two starting torque curves were verified through simulation calculation and the maximum output load torque was obtained; as for the transmission efficiency, considering the fact that employing slip frequency to calculate transmission efficiency ignores the impact of copper eddy, a method of calculating the transmission efficiency basing on the eddy current power was proposed. Both simulation and calculation results show that having eddy current power based to calculate transmission efficiency is an effective method for engineering calculation.

Keywordspermanent magnet speed governor, torque characteristics, transmission efficiency, eddy current power, finite element method

(Continued from Page 49)

AbstractConsidering the difficulty in diagnosing nonlinear and non-stationary vibration signals of the diesel generator, both wavelet packet and BP (GA-BP)network optimized with genetic algorithm were used to diagnose the faults, in which, having wavelet packet employed to decompose vibration signals of the diesel generator, and to implement the single refactoring and to structure the feature vector as well as to input the feature vector into the BP network optimized so as to distinguish fault types of the diesel generator. Both experimental simulation and engineering application results show that this method adopted can diagnose fault types of the diesel generator effectively and accurately.

Keywordsdiesel generator, fault diagnosis, wavelet packet, genetic algorithm, BP network

Biax-staggeredSolarPanelTrackingSystemBasedonLOGO!

CHEN Lei, TANG Zhan-jun, GUO Shi-hai, ZHANG Tong

(CollegeofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650051,China)

In order to improve photovoltaic conversion efficiency, a biax-staggered tracking system was designed, which has photoelectric sensor tracking and sun trajectory tracking combined and LOGO! 240 RC controller cored to build solar panel tracking system, including having solar tracking control algorithm optimized. Application results show that both power consumption of system and the mortor’s start-stop frequency becomes decreased along with an extended motor’s servicing life and significantly-improved photovoltaic conversion efficiency.

solar tracking system, LOGO! 240 RC, biax-staggered tracking system, photovoltaic conversion efficiency

TH862+.7

B

1000-3932(2016)01-0080-04

2015-06-15基金项目：国家自然科学基金资助项目(KKGD201303043)；昆明理工大学教育技术基金资助项目(013115)