太阳能电池板跟踪控制系统改进探究

赵启纯

(深圳市富通宇(通恒)科技有限公司，广东 深圳 518109)



太阳能电池板跟踪控制系统改进探究

赵启纯

(深圳市富通宇(通恒)科技有限公司，广东 深圳 518109)

摘要:文章提出了太阳能电池板跟踪控制的有效方法，该方法可手动和自动切换，灵活地进行急停控制，操作简单、制作成本低，论述了太阳能电池板跟踪控制系统原理、设计改进要求、硬件设计及软件设计。

关键词：太阳能电池板；跟踪控制；步进电机

1　太阳能电池板跟踪控制系统原理

在实际研究过程中，研究人员发现在相同地点的太阳光线是变化的，即一年四季光线的入射角不一样。因此，工作中可以对太阳能电站的安装位置进行查询，了解该位置一年所吸收的热量，以及在每个时间段内的热量情况。通过分析计算出太阳光照射的重点位置、时间，以及太阳电池板起始工作时间。太阳能电池跟踪系统利用双轴跟踪法能够实现全方位的跟踪。太阳能电池板的启动时间是根据正午太阳最大高度角和太阳移动速度算出来的，比较准确。高度角指太阳光线和地平面产生的夹角。方位角指的是太阳光线的投影在南北向之间形成的夹角，根据公式计算这些夹角，从而准确地确定其位置。在这里会涉及到纬度、赤纬角、时角等，根据公式可以确定出太阳之高度角和方位角，其受到赤纬角和时角控制，而且这个控制是唯一的。当纬度一定时，通过确定时角和方位角从而得出高度角和方位角。根据所计算的对象，需要将太阳能板的旋转轴进行调整，将其调整接至与地轴平行，这样就可以在安装角位置确定当地的纬度。当安装角度发生改变时，可以根据当地纬度加以确定。从以上的分析可知，俯仰角能够周期性机械调节，在实际运转过程中能够把原来的二维运动转变为一维。采用这种方式之后能有效简化系统地结构，降低整个系统的制作难度和运营成本。

2　太阳能电池板跟踪控制系统的改进设计

2.1　设计要求

跟踪速度保持在5°/20 min，返回的速度是10°/20 min，这是第一个设计要求。跟踪的速度要准确，才能与观测对象运行速度一致。该系统具备手动、自动调节切换功能，可以使太阳能电池板自动旋转和手动旋转。起点和终点的位置安装同限位形成紧密联系，在实际工作过程中科学合理地设置这两点的位置才能够保证太阳能电池板旋转方向准确，满足机架限位位置需求。PLC系统有掉电记忆储存功能，可以记录一天的旋转跟踪位置，更好地确定计算周期和时间。如果在一天内出现掉电现象能够有效恢复。实际工作过程中通过观察掉电跟踪记录就能够自动跟踪实际位置，确定这个位置之后便可以再进一步确定出准确的方位角。控制系统工作过程中电源指示灯、旋转方向指示灯以及急停按钮是最容易出现故障的，需注意维护，其一旦出现故障就会影响系统正常运行，影响观察准确率。按照设计要求，太阳能电池板晚上12点要能自动返回到起始位置，以满足实际需求。

2.2　硬件设计

跟踪系统由控制器、跟踪机构以及步进电机组成，结构简单，关联性比较强。在系统中PLC控制步进电机驱动器，能有效地驱动电机旋转，达到对太阳轨迹及时跟踪的目的，最大限度地使用太阳能。在这些控制设备中通常选用欧姆龙CP1L—M60DR—A型控制器。因为太阳跟踪系统属于小型控制系统，CP1L系统可以根据小系统运行加以控制，不断优化PLC系统，且成本控制效果明显。CP1L系统具备的优势：

(1)最大160点I/O扩展能力，能够保障系统快速运行。

(2)系统最大程序容量为10 Byte起步，当该系统被投入使用时，可实现数据容量32 kByte需求。

(3)高速计数相位差方式表示为50 kHz×2轴，单相的表示为100 kHz×4轴，能够满足最大2个串行通讯接口需求，可以任意选择。

在硬件设计的过程中为了保证效果可以采取混合式步进电机驱动器。混合式步进电机驱动器利用PWM来驱动。该驱动电机本身有0.5～2 A的相电流，细分数是2、4、8、16、32以及64这六档。6档设置能够满足实际驱动要求。步进电机本身是一种比较复杂的系统，在实际工作过程中能够把电脉冲信号转化成角位移。步进电机按照结构的不同可以分成反应式、永磁式以及混合式三种形式。混合式就是将前面提到的两种结构混合成一种结构。正是因为这样，混合式结构具备了前两者系统的优势。在实际设计过程中需要对混合式步进电机进行细分，其主要目的是要改变步进电机工作旋转位移，有效提升分辨率、减少震动。硬件设计要求较高，为了满足实际性能，跟踪器需要保持一定转矩。通常情况下由于电机转速要求不高，在应用过程中需添置减速器来保证电机转矩，从而有效保证系统的稳定性。

2.3　软件设计

软件在系统中占据重要地位。软件质量决定着系统的整体应用效果，高质量软件能保障系统正常运行。软件可以选择语句表或者是梯形图进行编程。在程序中有大量数据需要上传和下载，在使用这些数据时需要做好设置，一般在PLC位置设定对应区。系统运行时其中的内存数据会被监控和测试，打印程序清单时，还需要做好文档保存管理工作。程序中还有定时启动、定时复位及手动功能。根据PLC内部时钟运行选择相应的启动跟踪程序。定时启动和定时复位选择查表法，依据气象台数据显示得知。根据一年之中太阳所处的角度数据得出每一天中的日出时间、日落时间等，再将其放在十六进制中进行处理，保存在PLC内存中，以更好地保障复位时间和电机启动控制。使用查表法，可以根据每天时间设定要求，进行复位和启动，既避免出现以往的问题，又控制了误差，方法简单，控制方便。例如：在整个系统控制流程图中，某天的启动开关等待核对时间是2月1日7点34分，这个是启动时间，启动之后出现了断电故障，在进行发送脉冲个数需求时需要对太阳能电池板进行修复，然后根据不同的数据进行操作。

3　结束语

本文提出了太阳能电池板跟踪控制的有效方法，从而提升电池板发电功率，太阳能电板定时启动选用查表法实现。该方法可以手动和自动切换，灵活地进行急停控制，操作简单，制作成本低，使用价值高。

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运营探讨

Research on Improvement of Tracking Control System for Solar Cell

ZHAO Qi-chun

(Shenzhen Futongyu (Tongheng) Technology Co., Ltd., Shenzhen 518109, China)

Abstract:An effective method for tracking and controlling solar cell is proposed in this article, which combines manual and automatic switch and can conduct flexible emergency stop. The method is simple and with low costs. Operating principle, improvement considerations, hardware design and software design of the tracking control system for solar cell are discussed in this article.

Key words:solar cell; tracking control; step motor

中图分类号：TM912

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0119-02

作者简介：赵启纯(1965-)， 四川西充人，硕士，高级技师，2010年参加中国科学院研究生院工程硕士研究生学习， 现已获得香港理工大学软件科技理学硕士，研究方向： 电源与电子技术、自动化控制及人工智能技术。

收稿日期：2014-12-11