範戰鬆

　　 （北京和利時自動化驅動技術有限公司
，100176）

    摘  要 為了更好的利用太陽能
，自動跟蹤係統越來越多的應用於太陽能行業中。基於可編程邏輯控製器（PLC）的太陽能電池板自動跟蹤係統
，包括硬件和軟件兩部分
，其中硬件包括PLC輸入輸出端口
、信號處理單元、驅動部分；軟件包括PLC的de控kong製zhi和he監jian控kong程cheng序xu兩liang部bu分fen。太tai陽yang能neng電dian池chi板ban自zi動dong跟gen蹤zong係xi統tong使shi光guang伏fu電dian池chi板ban能neng實shi時shi跟gen蹤zong太tai陽yang關guan照zhao，從cong而er最zui大da限xian度du的de獲huo得de太tai陽yang能neng，有you效xiao地di提ti高gao太tai陽yang能neng的de利li用yong率lv和he光guang伏fu發fa電dian係xi統tong的de效xiao率lv，降jiang低di了le光guang伏fu並bing網wang發fa電dian成cheng本ben，具ju有you理li論lun研yan究jiu意yi義yi和he應ying用yong推tui廣guang價jia值zhi。

　　關鍵詞  LM PLC  太陽能自動跟蹤係統

　　1 引言

　　開(kai)發(fa)新(xin)能(neng)源(yuan)和(he)可(ke)再(zai)生(sheng)資(zi)源(yuan)是(shi)全(quan)世(shi)界(jie)麵(mian)臨(lin)的(de)共(gong)同(tong)課(ke)題(ti)
，在(zai)新(xin)能(neng)源(yuan)中(zhong)
，太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)已(yi)成(cheng)為(wei)全(quan)球(qiu)發(fa)展(zhan)最(zui)快(kuai)的(de)技(ji)術(shu)。太(tai)陽(yang)能(neng)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)清(qing)潔(jie)無(wu)汙(wu)染(ran)的(de)能(neng)源(yuan)，開(kai)發(fa)前(qian)景(jing)十(shi)分(fen)廣(guang)闊(kuo)。然(ran)而(er)由(you)於(yu)太(tai)陽(yang)存(cun)在(zai)著(zhe)間(jian)隙(xi)性(xing)，光(guang)照(zhao)強(qiang)度(du)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)等(deng)問(wen)題(ti)
，這(zhe)對(dui)太(tai)陽(yang)能(neng)的(de)收(shou)集(ji)和(he)利(li)用(yong)裝(zhuang)置(zhi)提(ti)出(chu)了(le)更(geng)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。目(mu)前(qian)很(hen)多(duo)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)陣(zhen)列(lie)基(ji)本(ben)都(dou)是(shi)固(gu)定(ding)的(de)，不(bu)能(neng)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)太(tai)陽(yang)能(neng)資(zi)源(yuan)，發(fa)電(dian)效(xiao)率(lv)低(di)下(xia)。據(ju)測(ce)試(shi)
，在(zai)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)陣(zhen)列(lie)中(zhong)
，相(xiang)同(tong)條(tiao)件(jian)下(xia)采(cai)用(yong)自(zi)動(dong)跟(gen)蹤(zong)係(xi)統(tong)發(fa)電(dian)設(she)備(bei)要(yao)比(bi)固(gu)定(ding)發(fa)電(dian)設(she)備(bei)的(de)發(fa)電(dian)量(liang)提(ti)高(gao)35%左右。

　　所(suo)謂(wei)太(tai)陽(yang)能(neng)跟(gen)蹤(zong)係(xi)統(tong)是(shi)能(neng)讓(rang)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)隨(sui)時(shi)正(zheng)對(dui)太(tai)陽(yang)，讓(rang)太(tai)陽(yang)光(guang)的(de)光(guang)線(xian)隨(sui)時(shi)垂(chui)直(zhi)照(zhao)射(she)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)的(de)動(dong)力(li)裝(zhuang)置(zhi)

，能(neng)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)伏(fu)組(zu)件(jian)的(de)發(fa)電(dian)效(xiao)率(lv)。目(mu)前(qian)市(shi)場(chang)上(shang)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)跟(gen)蹤(zong)係(xi)統(tong)按(an)照(zhao)驅(qu)動(dong)裝(zhuang)置(zhi)分(fen)為(wei)單(dan)軸(zhou)太(tai)陽(yang)能(neng)自(zi)動(dong)跟(gen)蹤(zong)係(xi)統(tong)和(he)雙(shuang)軸(zhou)太(tai)陽(yang)能(neng)自(zi)動(dong)跟(gen)蹤(zong)係(xi)統(tong)。所(suo)謂(wei)單(dan)軸(zhou)是(shi)指(zhi)僅(jin)可(ke)以(yi)水(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)跟(gen)蹤(zong)太(tai)陽(yang)，在(zai)高(gao)度(du)上(shang)根(gen)據(ju)地(di)理(li)和(he)季(ji)節(jie)的(de)變(bian)化(hua)人(ren)為(wei)的(de)進(jin)行(xing)調(tiao)節(jie)固(gu)定(ding)，這(zhe)樣(yang)不(bu)僅(jin)增(zeng)加(jia)了(le)工(gong)作(zuo)量(liang)，而(er)且(qie)跟(gen)蹤(zong)精(jing)度(du)也(ye)不(bu)夠(gou)高(gao)。雙(shuang)軸(zhou)跟(gen)蹤(zong)可(ke)以(yi)在(zai)水(shui)平(ping)方(fang)位(wei)和(he)高(gao)度(du)兩(liang)個(ge)方(fang)向(xiang)跟(gen)蹤(zong)太(tai)陽(yang)軌(gui)跡(ji)，顯(xian)然(ran)雙(shuang)軸(zhou)跟(gen)蹤(zong)優(you)於(yu)單(dan)軸(zhou)跟(gen)蹤(zong)。

　　從控製手段上係統可分為傳感器跟蹤和視日運動軌跡跟蹤（程序跟蹤）。chuanganqigenzongshiliyongguangdianchuanganqijiancetaiyangguangxianshifoupianlidianchibanfaxian，dangtaiyangguangxianpianlidianchibanfaxianshi，chuanganqifachupianchaxinhao，jingfangdayunsuanhoukongzhizhixingjigou，shigenzongzhuangzhicongxinduizhuntaiyang。zhezhonggenzongzhuangzhi，lingmindugao，danshiyudaochangshijianwuyunzherizehuiyingxiangyunxing。shiriyundongguijigenzong

，shigenjutaiyangdeshijiyunxingguiji，anzhaoyudingdechengxutiaozhenggenzongzhuangzhi。zhezhonggenzongfangshinenggouquantianhoushishigenzong
，qijingdubushihengao，danshifuheyunxingqingkuang，yingyongjiaoguangfan。

　　從主控單元類型上可以分為PLC控製和單片機控製。單片機控製程序在出廠時由專業人員編寫開發
，一般設備廠家不易再次進行開發和參數設定。而學習使用PLC比較容易，通過PLC廠家技術人員的培訓，設備使用廠家的技術人員可以很方便的學會簡單的調試和編寫
，並且PLC能夠提供多種通訊接口，通訊組網也比較方便簡單。

　　2 係統硬件設計

　　本係統是以PLC主控單元的視日運動軌跡控製（程序控製）雙軸自動跟蹤係統，視日運動軌跡跟蹤就是利用PLC控製單元相應的公式和算法，計算出太陽的實時位置：太陽方位角和太陽高度角，然後發出指令給執行機構，從而驅動太陽能跟蹤裝
，以達到對太陽實時跟蹤的目的。

　　2-1  方位角高度角示意圖：α-高度角  β-方位角

　　太陽在天空中的位置可以由太陽高度角和太陽方位角來確定。太陽高度角又稱太陽高度
、太tai陽yang俯fu仰yang角jiao
，是shi指zhi太tai陽yang光guang線xian與yu地di表biao水shui平ping麵mian得de之zhi間jian的de夾jia角jiao。太tai陽yang方fang位wei角jiao即ji太tai陽yang所suo在zai的de方fang位wei，是shi指zhi太tai陽yang光guang線xian在zai地di平ping麵mian上shang的de投tou影ying與yu當dang地di子zi午wu線xian的de夾jia角jiao
，可ke以yi近jin似si看kan作zuo是shi樹shu立li在zai地di麵mian上shang的de直zhi線xian在zai陽yang光guang下xia的de陰yin影ying與yu正zheng南nan方fang向xiang的de夾jia角jiao。太tai陽yang方fang位wei角jiao和he高gao度du角jiao的de實shi時shi數shu值zhi可ke以yi通tong過guo地di理li經jing緯wei度du
、時區參數利用公式計算出來。

　　主控單元是太陽能跟蹤係統的核心部件，係統選用結構緊湊。配置靈活、指令豐富的和利時LM PLC。選用的配置包括LM 3108CPU模塊和LM 3310擴展模塊。LM3108集成為數字量24DI和16DO，能滿足要求
，通訊集成有RS232和RS485兩個通訊接口，RS232用於與上位文本顯示器通訊
，RS485可用於組網使用。LM 3310為四通AI模塊
，可用於采集風速等保護數據。配合和利時HD2400L文本顯示器使用，能夠監視運行狀態、改變參數設置，以達到控製目的。

　　2-2 係統控製元件選型

　　表2-1係統信號表

序號	信號類型	輸入輸出信號說明
1	DI	高度角原點限位
2	DI	高度角上限位
3	DI	高度角下限位
4	DI	方位角原點限位
5	DI	高度角東限位
6	DI	高度角西限位
7	AI	風速傳感器
8	DO×2	高度角正/反轉
9	DO×2	方位角正/反轉

　　
    本文所設計跟蹤調整裝置其結構如下圖所示：它主要由底座
、立軸、橫軸、兩台旋轉電機
、傳動齒輪等組成。其中旋轉電機1驅動橫軸，支撐太陽能電池板繞橫軸運動
，跟蹤高度角運行。旋轉電機2驅動水平軸
，以跟蹤方位角變化。

　　2-3 跟蹤係統機械結構示意圖

　　在一天的整個過程中，跟蹤器能夠獲得最優的高度角和方位角
，電池板能夠接收到最大太陽日輻射量。係統用一套公式由PLC計(ji)算(suan)出(chu)實(shi)際(ji)時(shi)刻(ke)太(tai)陽(yang)所(suo)在(zai)的(de)高(gao)度(du)角(jiao)和(he)方(fang)位(wei)角(jiao)，根(gen)據(ju)實(shi)時(shi)太(tai)陽(yang)高(gao)度(du)角(jiao)和(he)方(fang)位(wei)角(jiao)與(yu)跟(gen)蹤(zong)裝(zhuang)置(zhi)實(shi)際(ji)的(de)高(gao)度(du)角(jiao)和(he)方(fang)位(wei)角(jiao)的(de)差(cha)值(zhi)，以(yi)及(ji)驅(qu)動(dong)裝(zhuang)置(zhi)的(de)運(yun)轉(zhuan)速(su)度(du)
，計(ji)算(suan)出(chu)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)的(de)跟(gen)蹤(zong)運(yun)行(xing)時(shi)間(jian)。最(zui)後(hou)通(tong)過(guo)程(cheng)序(xu)執(zhi)行(xing)驅(qu)動(dong)電(dian)機(ji)達(da)到(dao)要(yao)求(qiu)的(de)位(wei)置(zhi)
，實(shi)現(xian)對(dui)高(gao)度(du)角(jiao)和(he)方(fang)位(wei)角(jiao)的(de)跟(gen)蹤(zong)。

　　3 係統軟件設計

　　genzongmoshidepanduanguochengwanquanyouruanjianshixian，linghuodugao，keyizhenduibutongdiquhebutongdeqihoujinxingtiaozheng，congertigaoguangfudianzhandefadianxiaolv。haikeyigenjuxuyaozengjiaguangqiangchuanganqi、風力傳感器等多傳感裝置，提高安全性和更高的控製要。

　　通過程序控製
，可以自動判斷是否滿足運行條件從而達到自動啟動運行裝置、自動停止、返(fan)回(hui)初(chu)始(shi)狀(zhuang)態(tai)等(deng)控(kong)製(zhi)。增(zeng)加(jia)風(feng)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)用(yong)於(yu)對(dui)係(xi)統(tong)的(de)保(bao)護(hu)作(zuo)用(yong)，當(dang)風(feng)力(li)大(da)於(yu)一(yi)定(ding)數(shu)值(zhi)時(shi)

，係(xi)統(tong)停(ting)止(zhi)工(gong)作(zuo)

，複(fu)位(wei)到(dao)原(yuan)點(dian)
，風(feng)速(su)滿(man)足(zu)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)時(shi)，係(xi)統(tong)自(zi)動(dong)開(kai)始(shi)工(gong)作(zuo)。太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)有(you)兩(liang)個(ge)自(zi)由(you)度(du)，控(kong)製(zhi)機(ji)構(gou)對(dui)高(gao)度(du)角(jiao)和(he)方(fang)位(wei)角(jiao)兩(liang)個(ge)方(fang)向(xiang)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)。當(dang)電(dian)池(chi)板(ban)轉(zhuan)到(dao)盡(jin)頭(tou)時(shi)，由(you)於(yu)跟(gen)蹤(zong)裝(zhuang)置(zhi)裝(zhuang)了(le)限(xian)位(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，到(dao)限(xian)位(wei)觸(chu)點(dian)時(shi)自(zi)動(dong)切(qie)斷(duan)輸(shu)出(chu)，電(dian)機(ji)停(ting)止(zhi)工(gong)作(zuo)。

　　  圖3-1控製係統流程圖

　　4 結論

　　本文介紹了基於和利時LM PLC控製的雙軸太陽能自動跟蹤係統
，係統采用視日運動軌跡跟蹤方法設計，實現自動檢測運行條件
，達到實時跟蹤太陽的效果。以和利時PLC作為主控單元
，由PLC程序通過算法計算出太陽實時位置與係統位置的角度差，再由旋轉電機的運行速度計算出運行時間。通過PLC程序的邏輯控製關係，驅動電機轉動
，達到自動跟蹤太陽位置的功能。因此使得該自動跟蹤係統的準確性高、可靠性強，即使在天氣變化比較複雜的情況下係統也能正常工作
，提高太陽能的利用效率。因為PLC具有很強的可編程性
，客戶可以根據自己的要求來修改編寫控製程序，達到最佳的控製效果。對於串、並聯的大型光伏太陽能陣列係統的控製，可以通過LM PLC的通訊，組成通訊網絡進行集中控製。由此可見基於和利時LM PLC開發的太陽能自動跟蹤係統具有精度高、能實時跟蹤太陽變化
、通訊組網方便等特點，能夠滿足客戶的需求。

　　參考文獻

　　[ 1 ]  和利時LM PLC硬件手冊

　　[ 2 ]  王雪文.太陽能電池板自動跟蹤係統設計[J].西北大學學報

　　[ 3 ]  陳維.太陽能利用中的跟蹤控製方式研究[J].能源工程