基于GE 平台的太阳能追日控制系统的设计

王俊傢，宋洪儒，李 岩

(铜陵学院电气工程学院，安徽铜陵 244000)

常规的化石能源作为基础的能源结构随着资源的不断消耗将越来越不能适应可持续发展的需求，可再生能源将会越来越受到重视，太阳能作为地球上真正取之不尽、用之不竭的清洁能源，将是未来最理想的绿色新能源。目前其利用的有效途径便是利用光伏发电技术将太阳能转化为电能［1］。太阳能追日系统以GE PAC技术为基础，采用自动控制系统准确追踪太阳位置，并进行同步追踪，以保证获得最大效率的光电转化。

1 追日控制系统组成及硬件介绍

1.1 系统组成

太阳能电池板自动跟踪系统通过实时跟踪太阳运动，使太阳光直射太阳能电池板组件，从而增加光伏阵列接收到的太阳辐射量，提高太阳能发电系统的总体发电量［2］。太阳跟踪原理系统控制原理如图1 所示。

图1 太阳跟踪原理系统控制原理图

1.2 系统转动平台结构的方案设计

所设计的太阳能电池板自动跟踪系统是双轴跟踪，其具备两个旋转自由度，采用的跟踪控制策略为主动式跟踪控制策略［3］，以步进跟踪方式实现，能够很大程度上降低跟踪系统自身能耗。采用云台作为转动平台，电机选取为两个12V 的直流电机，小型涡轮蜗杆减速机构，分别控制太阳能电池板的水平和俯仰转动。双轴控制，水平旋转360°俯仰180°，跟踪精度为－1.5° ＜a ＜+1.5°。光传感器安装在太阳能电池板上，和电池板一起运动［4］。控制太阳能电池板组件运动，保持太阳能板方向与太阳光成90°角，由此可实现太阳能电池板组件的自动跟踪功能。

太阳跟踪误差校正传感器采用四象限硅光电池［5］，使其光伏板的方向与太阳光照始终保持垂直而无偏离，PAC 控制驱动设备可使其俯仰角电机和水平角电机转动，此时确认光轴垂直于太阳光线。两块硅光电池组组成的传感器可区分光照强度的信号，其中的一个硅光电池可以接受太阳辐射，区分太阳光照的强弱，如果太阳光照很弱，晚上或阴雨天不会开启自动追日的跟踪程序，可以避免盲目跟踪造成的资源浪费。第二个硅光电池使受光面背光，可以区分太阳光照的强弱，从而判断太阳能电池组件自动追日跟踪程序的工作与否［6］。

2 追日控制系统软件实现

2.1 系统的通信配置

Genius 网络采用逻辑令牌环协议控制通信介质的分配使用，每个站设备有唯一的站地址(SBA):从0 到31，每个站获得令牌后，可发送128 字节的数据，可实现PLC 与分散I/O 之间的通信。给PLC 分配一个临时IP 地址，建立连接以后，实际IP 地址可以通过编程器下载到触摸屏的控制器中。选择对应的GBI001 模块，对其进行配置，如图2 所示，将配置下载到PLC 上。运行PLC，修改Q 寄存器的数值。相应地，IC200GBI001 的寄存器的数字量输出指示灯变亮。PAC 利用Genius 和远程I/O 之间通信成功。

图2 Genius 通信网络配置

2.2 追日系统程序设计

在追踪过程中，两个投射灯模拟光源，晨日时自动亮一盏灯，午日时亮两盏灯，晚日两盏灯同时灭。将两灯固定在一根机械摆臂上，使摆臂自西向东旋转，编写自动、手动、保护控制程序。在模拟装置中，机械摆臂比3 个固定模拟光源效果更好，机械摆臂上连接两个300W 投射灯，模拟光源，光照效率更高，避免干扰;添加了保护程序，当电机遇到限位开关时，编写程序控制其向相反方向运动或停止［7］。

2.3 梯形图程序编写

本系统程序编写包括Main 主程序和两个子程序Auto 自动和Protect 保护程序。Main 主程序中编写复位程序，紧急停止时，停止所有输出，清除信号复位，控制东西南北的电机，手动开关，两个模拟光源全部中断。(2)Auto 子程序，从主程序中可调用，实现太阳能电池组件追日的自动控制。控制云台电机，两个电机分别控制电池板的东西和南北转向以及正反转，在编写程序使电机正反转互锁，软硬件双重保护。当东西南北没有光源信号时，停止输出，清除信号复位，光伏板停止追日运动，避免盲目追日，节省能源。模拟装置摆臂下方有3 个位置传感器，模拟早中晚。当摆臂触发位置传感器，控制器接受信号，程序完成控制模拟灯开启个数，摆臂电机运动和云台电机运动。(3)Protect 子程序，可从主程序调用。东、西、南、北4 个方向的任何一限位被触发，中断手动、自动状态，向限位出发点相反方向运行脱离硬限位并持续一段时间，东西南北双线可并行，达到保护目的。

图3 程序设计流程图

图4 梯形图程序

2.4 触摸屏组态设计

本系统采用15 寸Quick Panel Control IC754CSF15CTD－FG，有多种通讯接口选项，它将Proficy Logic Developer－Machine Edition 和Proficy View－Machine Edition 软件的功能集成在一起，本设计是将其作为HMI(人机界面)与本地控制器和分布式控制应用的结合。

3 调试结果

开启电源，下载程序，通信连接成功，打开触摸屏界面。点击“Start Auto”系统自动控制系统开启。模拟光源的投射灯，晨光开启，投射灯的电机摆臂从东限位运行到中间限位;此时，另一光源自动开启，模拟中午的太阳。在此过程中，光电传感器接受到东西方向的光信号，并将信号传输到控制器，控制器执行自动程序，并输出相应的电机运动，从而控制太阳能电池板组件的追日运动;模拟光源的摆臂继续从中午的限位运动的到晚上的限位即西限位，此时灯自动关闭，在此过程中太阳能电池板自动调整角度，使模拟光源垂直照射到光伏板上，自动追日运动调试顺利。点击“Manual on”手动控制系统开启，分别点击“South move”“North move”“West move”“East move”太阳能电池板可自动向南北西东运行;分别点击“Morning light”“light”手动控制模拟光源;分别点击“Motor positive”“Motor negative”控制电机摆臂正反转;点击“Manual off”手动控制关闭。在自动运行追日过程中，光伏板触碰到东西南北任一限位时，自动保护程序开启，此时太阳能电池板向相反的方向运动几秒后，停止，保护设备。“stop”紧急按停，停止追日运动。调试运行成功。

图5 人机界面的设计

4 结论

基于GE PAC 的自动控制追日系统，采用自动控制系统准确追踪太阳位置，并进行同步追踪，以保证获得最大效率的太阳能。通过光电传感器，把接收到的光信号通过控制盒进行光信号转换成电信号，电信号经过控制器PAC 进行信号处理，由其输出相应的控制信号，通过继电器转换成电信号，从而实现机构相应的位置调整即水平和俯仰运动，实现太阳能电池追日运动设计。经过多次的设计模拟操作、运行和对比方案，最终确定高效的硬件模块和最优的程序设计方案。实验证明，该方案可以有效地提高太阳能电池板的追踪精度以及太阳能的转化效率。

［1］车孝轩.太阳能光伏系统概论［M］.武汉:武汉大学出版社，2006.

［2］王长贵.世界光伏发电技术现状和发展趋势［J］.新能源，2000(12):4－10.

［3］汪春华，王晓丽，李彬.高精度太阳能聚光双轴定时跟踪控制系统设计［J］.电子设计工程，2012(4):91－93.

［4］罗维平.基于PLC 的太阳能电池板自动跟踪系统的研究［J］.电子技术应用，2009(9):138－144.

［5］冯龙龄，邓仁亮.四象限光电跟踪技术中若干问题的探讨［J］.红外与激光工程，1996(1):16－21.

［6］赵健钊.智能型太阳能跟踪系统设计与实现［J］.电网技术，2008，32(24):93－97.

［7］Yi－ Nan Ye.Sun－Tracking Controller of Concentration PV System［J］.Department of Mechanical Engineering，National Taiwan University，2003，5(1):32－34.