太阳能电池板自动跟踪系统

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2009年 11月第 1 6卷增刊控制工程Control Engineering of ChinaMar . 2 0 0 9Vol . 1 6 , S3文章编号 1671-7848 2009 S3- 0017-03收稿日期 2009-08-18; 收修定稿日期 2009- 09- 15作者简介周诗悦 1986- , 男 , 江苏建湖人 ,研究生 ,主要研究方向为电厂信息系统及其自动化等。太阳能电池板自动跟踪系统周诗悦 , 朱凯 , 刘爽东南大学能源与环境学院 , 江苏南京 210096摘要介绍一种以三菱 PLC Q 00J 为控制核心的极轴式太阳能自动跟踪系统 , 通过极轴运动抵消地球自转 , 实现太阳轨迹跟踪。系统采用时钟及光电传感器双级跟踪 , 以时钟跟踪为粗调 , 跟踪太阳理论位置防止光线偏差过大 , 以传感器跟踪为细调 , 跟踪太阳实际位置。能使太阳能电池板在晴天始终与太阳光保持垂直 , 阴雨天自动停止传感器跟踪 , 降低了系统硬件与运行成本 , 具有较高的实用价值。关键词太阳能 ; 自动跟踪 ;P LC; 极轴式中图分类号 T P 27 文献标识码 AAuto Sun Tracking SystemZHOUS hi -yue, ZHUK ai, LI US huang School of Energy andE nvironment, Southeast Universi ty, Nanj ing 210096, ChinaAbst ractA n aut o pol ar axi s sunt racki ng system wit h the core of Qs eries-Q00J made inM itsubi shi i s presented.T his system offsetsthe Earth s rotat ion by the movement of polar axis to achieve trajectory tracki ng of the sun. It combines the excellences of both clock con-trol ands ensor control . As the coarse tracking, clock control tracks the theoretical positi ono f thes un to prevent t he l arged eviati on ofthe light.A s thef ine-tuning, sensor cont rol tracks the physical l ocation of thesun. The sun auto-track er makes solar panel always verti -cal to the sun at sunny day, and it cant urn off the sensor control at cl oudy day.T he device reduces the cost, andh as great practicalvalue.Keyw ordss une nergy;a uto-tracking;P LC;p ol ar axi s1 引言能源问题关系到经济是否能够可持续发展 , 一次能源的日益枯竭已引起全世界的极大关注。目前以煤炭为主的能源结构给环境带来的压力愈加明显 , 而太阳能作可再生能源 , 与传统的火电相比具有资源丰富 , 无污染等独特的优势。按照可再生能源中长期发展规划 , 太阳能将成为可再生能源发展的重点区域 , 到 2010年 , 太阳能发电将达到30万千瓦 , 到 2020年 , 达到 180 万千瓦 , 这个数字甚至可能达到 2000万千瓦 [ 1] 。但目前太阳能发电存在很多问题 , 诸如照射能量分布密度小 ; 获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关 ; 有效利用率低等。为解决上述问题 , 太阳能自动跟踪成为研究的热点。太阳能热发电和太阳能光伏发电是目前利用太阳能发电的两种主要形式。光热是通过聚光加热介质 , 推动燃气轮机做功发电。而光伏发电则通过太阳光照射光电池板将光能直接转化为电能。由于太阳能辐射到地球表面的能量密度比较低 , 无论是对于太阳能光伏发电还是太阳能热发电 , 能否经济高效利用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。实验证明在相同条件下 , 极轴式太阳能自动跟踪发电的发电量要比固定发电用太阳能电池板固定朝南安装的方式对太阳能进行采集提高 40 左右。而采用聚光技术对太阳跟踪又提出了更高的要求。本文所设计的极轴式太阳能自动跟踪装置 , 具有跟踪精度高、太阳能利用效率高、系统硬件与运行成本低等优点 , 具有很好的实用价值。2 设计思想1 跟踪原理太阳的东升西落是地球自转与公转共同作用的结果。地球对太阳的位置变化 , 引起地球表面太阳光线入射角一天之间在水平方向变化 , 同时垂直方向日变化约在 35 ° ～ 80 ° 之间冬至日最小 ,夏至日最大 , 以南京为例。要完全垂直跟踪太阳光 , 太阳能板一天之内必须作椭圆的弧形旋转。太阳能跟踪按跟踪方式机械结构主要有单轴、双轴、极轴跟踪 , 而调节方式传感、程序主要有传感器跟踪 , 时钟跟踪。DOI 10. 14107/ j .cnki .kzgc. 2009. s4. 002单轴跟踪时只在水平方位角上跟踪太阳 , 高度角只做周期性调整 , 忽略了太阳光的高度角日变化 , 显然跟踪效果较差。而双轴跟踪则在水平方位角和垂直高度角上同时跟踪 , 实现二维跟踪。双轴跟踪精度较高 , 但二维跟踪机械结构较复杂 , 不适合分布式小型太阳能装置。同时 , 二维跟踪需要两台电机 , 提高了系统的耗功。再者 , 太阳高度角 ,方位角计算较为复杂 , 不利于实现。极轴式跟踪通过计算 , 可以在保证跟踪精度的基础上 , 将太阳能板的椭圆跟踪轨迹转化为绕旋转轴极轴的旋转跟踪太阳平时角 , 以及俯仰角跟踪太阳赤纬太阳光与赤道平面的夹角 , 如图 1所示。图 1 极轴跟踪原理图如太阳能板的旋转轴极轴与地轴平行 , 其安装角即为当地纬度角 , 可以通过极轴旋转抵消地球的自转。同时为保证电池板能与太阳光垂直 , 使电池板与极轴夹角为太阳赤纬角。通过计算可以证明 , 极轴式跟踪一天之内太阳能板的俯仰角变化不大于 0. 4 ° , 故俯仰角可以周期性机械调节俯仰角 ,在最大程度的简化了系统的机械结构。时钟跟踪是根据太阳的理论位置实现的 , 太阳的方位由天文时钟惟一确定 , 即可以通过当地时间直接计算得到 , 角速度平均为 0. 25 ° /min。但在太阳能发电过程中 , 由于是开环控制 , 往往会因为计算太阳位置误差以及机械误差使电池板法线偏离光源 , 降低发电效率。传感器跟踪是利用光电传感器检测光源信号 ,调节驱动电机 , 带动电池板正反转 , 补偿偏差信号 , 机械所能达到的最佳跟踪。为了实现调节的最优 , 本系统采用时钟、传感器双级调节。以时钟跟踪为粗调 , 以传感器跟踪为细调。半小时利用时钟跟踪太阳位置一次 , 保证电池板法线与阳光偏角不至过大。在时钟跟踪的间隙 , 细调进行传感器跟踪 , 实现太阳位置的精确跟踪。考虑到多云天气辐射较弱散射较强 , 传感器很难感测。故采用可切换式双击调节 , 即晴天采用双级跟踪 , 多云天采用时钟单级调节。2 聚光技术反射聚光技术作为降低光伏发电成本的有效途径之一 , 是借助平面镜或者反光铝板等材料 , 将太阳光聚集反射到太阳能电池板上 ,使太阳能池板接受尽可能多的太阳光强 , 在一定程度上克服了太阳能量的分散性和太阳光的不均匀性 , 提高了发电效率 , 具有很好的应用前景。本系统在太阳能电池板四周布置反光铝板 , 增加电池板的入射光强 , 如图 2所示。图 2 聚光技术反射镜用反光铝板 , 其价格便宜 , 且相对平面镜来说 , 比较轻巧、不易碎 , 移动较为方便。重要的是 , 反光效果也比较好。经过计算比较 , 将铝板和太阳能电池板成 60 °角布置时 , 在增加相同的光强入射面积的情况下 ,其使用的反射铝板的面积最小 , 成本也就低。通过实验数据对比 , 在太阳能电池板四周安装 4块铝板后 , 太阳利用率提高了 200 。3 硬件设计跟踪系统由传感器、控制器三菱 Q00J 、驱动器、步进电机、跟踪机构、太阳能电池板组成 ,如图 3所示。图 3 跟踪系统的组成1 控制器 Q 系列 PLC可编程控制器是三菱公司从 A 系列 PLC 基础上发展过来的中、大型PLC系列产品。 Q系列 PLC的基本组成包括电源模块、 CPU模块、基板、 I /O 模块等。三菱 Q 系列PLC的 00JCPU是主基板一体化系统 , 主基板和扩·18· 控制工程第 16卷展基板上可以控制多个输入输出点 , 适合小型设备的使用 [ 2] 。本系统使用了 QX40 DC 输入模块 ,QY41P 晶体管输出模块 , Q64AD 模 -数转换模块。QX40作为开关量输入。 QY41P 为晶体管型模块 ,能发送高速脉冲 , 可以作为步进电机的输入脉冲信号。 Q64AD 有 4 路 AD 输入 , 设置为高分辨率 ,0 ～ 5 V,对 4路传感器信号及环境信号进行采集。2 传感器太阳光传感器的光接收部件主要由四象限光伏探测器组成。四象限探测器是把 4个性能完全相同的光伏电池板 , 按照直角坐标要求排列而成的光伏探测器件 , 它们之间有个 “ 十 ” 字形沟道相隔 [ 3] , 如图 4所示。图 4 四象限光伏传感器光信号经过光学系统在探测器上成像。当光信号偏离探测器法向时 , 4个象限上的成像面积不同 , 探测器输出的电压信号幅度不同 , 比较 4个象限的输出 , 即可确定光信号的方向。由于本系统仅需一维跟踪 , 最终达到东西向信号相等 , 故以 U1 U2 - U3 U4 信号作为偏移量 , 偏移量超过偏移量限制范围便调节 , 直到偏移量落入限制范围。传感器还有一路环境信号 , 可以作为细调的开关量信号 , 当光强大于设定阀值时 , 启动细调 , 实现上述的双级调节。3 步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构 , 每接收一个脉冲电机就转过一定角度 [ 4] 。其没有角累计误差 , 故作为执行机构可保证较高的精度 , 可以采用开环控制。选择 42BYG-1. 8混合式高转矩步进电机 , 采用1/ 16的细分 , 改善了步进电机工作的旋转位移分辨率 ,减少振动 , 降低工作噪音。由于跟踪器要求有较高的保持转矩 , 对电机转速要求又不高 , 故在步进电机前增加减速器 27 , 增加电机保持转矩。4 机械结构运动机构部分主要通过类似万向节的双轴结构 , 其中 , 极轴是轴可动轴承不可动 , 通过步进电机带动极轴转动 , 连同电池板、传感器和聚光板一起转动 , 以抵消地球自转。机械结构 , 如图 5所示。图 5 机械结构俯仰角调节轴是轴不可动轴承可动 , 轴通过轴套与极轴固定 , 随极轴转动 , 而通过轴承的转动调节俯仰角 , 抵消赤纬夹角。极轴与地平面的夹角就是安装角 , 该角度由设计决定 , 加工成型后不再改变 , 如有偏差 , 可通过调节俯仰角补偿。4 软件设计软件是系统的中枢 , 软件质量优劣决定系统整体应用好坏。基于三菱 PLC编程简便性和稳定性 ,选三菱 GXD evelop 结构化梯形图语言完成系统软件框架。程序包括细调 , 粗调双级跟踪调节。细调传感器跟踪传感器信号差值大于正阈值 , 说明传感器朝向偏西 , 电机反转。差值小于负阈值 ,传感器朝向偏东 , 电机正转。至差值落入误差允许范围 , 停止转动 , 继续采样。粗调时钟跟踪实现整点或半点理论太阳位置跟踪 , 防止光线偏离过大 , 无法启动细调。采用路程记录式复位法 , 细调过程中累计正反转步数 , 计算得细调实际转动步数 , 再用细调时间内所需转动步数减实际已转步数 , 得到结果使粗调能正确跟踪太阳理论位置。在控制系统中 , 设置了 5个手动输入信号 ① 启动启动程序。② 停止当需要停止时或者出现意外情况时 ,强制停止工作。③ 运行进入运行模式 , 流程如图 6所示。图 6 运行模式流程图下转第 38页 ·19· 增刊周诗悦等太阳能电池板自动跟踪系统化 , 管理过程也变得方便 , 效果也会很明显。本设计具有的优点如下设备性能稳定、使用便捷、功能齐全、智能化控制、后期升级方便等。相比于现在的一些大城市采用的高端控制仪器而言价格也是有很大的优势 , 而在功能方面与其相比也是不相上下的 , 适合在国内的推广。5 结语本设计在 3名成员的努力下 , 在指导老师的悉心指导下终于顺利做出了实物模型。在该模型的基础上对设计方案进行了验证 , 选择 PLC作为其控制器 , 主要是因为他对使用环境的适应性强 , 而且 , 其内部定时器 , 寄存器等资源丰富 , 对于岔路口的控制容易实现。就单个路口的模糊控制而言 , 由 PLC进行控制 , 其效果要比用定周期法实用且更加能够维护交通路口的秩序 , 对于智能管理方面 , 早就有前辈研究过了 , 在此所采用的模糊算法是极大极小值查表法 , 虽然这种方法有其一定的缺陷 , 但是 , 经过团队的讨论后发现 , 在交通灯的管理方面 , 采用极大极小值查表法是很合适的。由于硬件与时间的制约 , 对于网络化管理这块没能完美的实现 , 所使用的仅仅是 CC-Link 模拟 ,上位机还没投入管理使用 , 网络连接这块还需要用到三菱的另外 2款网络总线系统 , 这样工业现场与管理者才能建立 1个交流的平台 , 在后期条件允许的情况下 , 将尝试用上位机连接 , 用上位机实现真正的办公室总控。在未来的设计中可将交通诱导与交通灯进行结合。交通诱导对交通的管理可以起到一个很好的辅助作用 , 交通灯类似于宪法 , 从原则上要求大家遵从 , 服从与否就是对错的评判标准 ; 但是交通诱导却类似于舆论 , 并不一定要遵从 , 但是可作参考意见保留 , 不按照其提示的做并代表就是错误的。在一定的交通诱导前提下 , 也能很好地改变交通道路上的运行压力。设计使用交通诱导可在实现交通路口的网络化管理后在每个路口利用大型显示器提示下一路口的车辆通行情况 , 这样 , 驾驶员可根据提示提前选择自己要走的道路 , 而不是赶到路口后发现堵在那里 , 进退两难 , 使得秩序更加混乱。参考文献 [ 1] 郁汗琪 .电气控制与可编程序控制器应用技术 [ M]. 南京东南大学出版社 , 2003.[ 2] 张卫华 ,石琴 , 刘强 .公交优先信号交叉口延误计算与配时优化方法 [ J] . 华中科技大学学报 , 2004.[ 3] 乔维德 .基于 plc 的交叉口交通灯的模糊控制 [ J]. 微计算机信息 , 2007, 23 6-1 91- 92.[ 4] 李艳、樊晓平 . 基于模糊控制城市交叉路口群信号控制及仿真[ J] . 交通运输工程学报 , 2003, 3 2 117- 119. 上接第 19页机构先复位至起始点 , 如果已经到达 8点初始化跟踪时钟到理论太阳位置 , 如果环境信号大于阈值进行细调 , 至整点或半点停止细调进行粗调 , 粗调到位后继续细调 , 直至到达下午 4 点 , 停止跟踪 , 系统等待 4 h, 复位 , 等待第 2天重新运行。④ 测试测试模式仅进行传感器跟踪 , 细调 ,作演示测试之用。⑤ 复位强制太阳能电池板回转到初始角度。在实际应用中 , 由于风压 , 冲击等其他扰动的原因会出现长时间在临界点抖动 , 正负偏差交替出现 , 调节作用无法停止 , 设备抖动的现象 , 设计了记下步进电机方向信号在一定时间内的改变次数 ,如果次数大于一定值则中断程序约 3 s, 以使设备稳定后再继续运行。5 结语该系统具有二维调节和四象限传感作用 , 利用极轴跟踪和聚光光伏发电原理 , 实现了俯仰角手动和极轴转动自动的调节 , 使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直 , 既保证了跟踪精度 , 也提高了经济效益。由于 PLC可靠性高 , 抗干扰能力强 , 适合于工业控制场合。本系统可改造用作大规模太阳能发电 , 此跟踪技术亦可用于光热发电 , 因此应用潜力巨大。参考文献 [ 1] 吴红山 .太阳能的应用现状及发展前景 [ J] . 科技信息学术研究 , 08, 07 72-74.[ 2] 龚仲华 ,史建成 ,孙毅 . 三菱 FX /Q 系列 PLC 应用技术 [ M] . 北京人民邮电出版社 , 2009.[ 3] 许守平 ,李斌 , 马胜红 . 槽式太阳能热发电跟踪控制系统的研究 [ J] . 计算机测量与控制 , 2008, 16 11 1635 -1637.[ 4] 陈旭平 ,熊德敏 ,胡联红 . 步进电动机在太阳能跟踪器上的应用[ J] . 今日科技 , 2008, 08 46-47.[ 5] 饶鹏 , 孙胜利 , 叶虎勇 . 两维程控太阳跟踪器控系统制的研制[ J] . 控制工程 , 2004, 11 6 542 -545.[ 6] 王尚文 , 高伟 , 黄树红 . 混合双轴太阳自动跟踪装置的研究[ J] . 可再生能源 , 2007, 12 25 11-13.[ 7] 吕文华 ,贺晓雷 ,于贺军 , 李建英等 . 全自动太阳跟踪器的研制和应用 [ J] . 光学精密工程 , 2008, 12 16 2544-2550.[ 8] 刘玉辉 ,韩振铎 .一种基于 CPL D 的交通灯控制系统设计 [ J] .电子技术 , 2009, 14 09 31-32.[ 9] 全秀娥 .基于 CPLD 的交通灯设计 [ J] . 中国科技信息 , 2007, 21 13 33-34.·38· 控制工程第 16卷