基于PLC的太阳能单轴跟踪控制系统

摘要：为实现太阳能电池板对太阳光能的最高转换率，改变传统太阳能电池板固定安装对太阳光能利用低下的弊端。本文以光敏电阻构成跟踪器，并利用西门子的S7200系列PLC和MM440设计太阳能单轴自动跟踪系统。该太阳能单轴自动跟踪系统可实现在有太阳光照射的情况下，在任意时刻让太阳光直射太阳能电池板，同时解决了风力过大时太阳能电池板的防风问题。

关键词：太阳能 单轴跟踪 控制系统 PLC

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0009-01

1 概述

目前，光伏电池光电转换效率仍然不高而且价格昂贵，同时大型的太阳能发电站中光伏电池板基本都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。相同条件下，采用固定发电方式要比自动跟踪发电方式的发电量要低35%以上，因此非常有必要对太阳光进行自动跟踪。光伏发电自动跟踪装置是一种可以提高太阳能利用率，降低光伏发电成本的有效途径。研究精确的太阳跟踪装置，可使光伏电池板接收到更多的太阳辐射能量，增加发电量，提高人类对太阳能源的利用率。[1]

目前光跟踪技术主要是两种方法，即：视日运行轨道跟踪方法[2]、光电自动跟踪方法。光电跟踪方式又可以分为单轴跟踪和双轴跟踪，本文以选择单轴跟踪方式，整个系统的PLC硬件选择SIEMENS公司的S7-200系列CPU226（24输入/16输出），其中主机为CPU226，模拟量扩展模块EM231（4输入），EM251（4输入/1输出）。

2 工作原理

单轴自动跟踪系统主要由PLC、传感器、电机等组成。它的基本原理是：当太阳光照射到传感器上时，由惠斯顿电桥及转换电路把光敏电阻值转变为电流值（4～20mA），转化后光照越强相应的电流值越小，光照越弱相应的电流值越大，此电流值经s7-200的模拟量输入模块保存到s7-200中，由s7-200与规定值比较后控制电机转动，使聚光器随着太阳移动而移动，从而达到跟踪的目的。

2.1 机械部分

（1）其追踪太阳实时方位的方式为：电机转动使太阳能电池板对准太阳方向。（2）追踪器实现东西方向180°旋转。该运动范围可以满足在地球任意经度纬度的地区安装，可实现追踪太阳的目的。（3）追踪运动实现可以选用交流电机驱动，并安装减速机。（4）由于该太阳能发电系统长期工作在室外，需保证适应各类环境因素，如雷击，温度、湿度、抗风能力和烟雾等。

2.2 控制部份

（1）追踪器控制系统和太阳传感系统为该监控系统的核心，完成太阳当前位置的检测以及太阳能电池板朝向的控制，以保证太阳能电池板受到太阳垂直辐射。（2）传感器选用的型号是GL5516，它的暗电阻为100K，亮电阻为5-l0K。（3）当太阳光强很微弱，系统不做调节；当光强达到一定程度，并且风速低于规定数值的时候控制系统将通过调用水平调节子程序，追踪得到太阳的准确方位，使太阳能电池板与太阳光保持垂直。（4）当风速超过一定数值的时候，此时系统调用避风调节子程序。将太阳能电池板调节至顺风的方向。风速和风向信号取自风力发电系统。

2.3 跟踪器的设计

本文以光敏二极管CDS设计跟踪器，光敏二极管CDS是一种电阻值随光照强度变化而变化的感光电阻，本系统采用3个光敏电阻，其中1个光敏电阻用来检测白天黑夜；2个光敏电阻作为传感器来检测天空光线东西方向的变化，并跟踪太阳的位置。

CDS1用于判断是白天还是黑夜，另外两个光敏电阻CDS2和CDS3用于检测太阳能电池板与太阳位置东西方向的偏差。

当聚光器正对太阳时，CDS2，CDS3两个光敏电阻全部被光照射；此时两个光敏电阻对应的输出的电流信号的值小于某个规定的数值时，调节电机不运行；当聚光器偏离太阳一定角度时，CDS2或CDS3之一就会被位于两个光敏电阻之间的挡板遮盖。因为当太阳光被遮挡时，光敏电阻的阻值变大，对应的电流信号亦增大，此时此电流输出信号大于规定值。将此模拟量送给PLC，并经与规定值比较处理后发出控制指令使电机旋转，CDS4和CDS5用来判断系统调整到位，如调整到位，则电机停转，以保证系统转过一定的角度，避免系统频繁调节。

3 系统控制流程

根据整个系统的设计，对系统提出以下明确要求：（1）白天当光线强度达到要求时，CDS1对应的电流值小于规定值，此时系统可确认为白天。太阳能电池板开始自动追踪太阳光。当太阳光不够强或夜晚时，CDS1对应的电流值大于规定值，整个系统停止跟踪。（2）追踪过程中由CDS2和CDS3的状态变化确定水平向调节的开始，CDS4和CDS5的状态变化确定水平向调整的结束，最终达到单轴自动追踪太阳光的目的。（3）考虑到太阳能电池板支架的稳定性问题，当风速超过规定值时必须考虑太阳能电池板的防风问题。此时，整个系统应停止对太阳光的跟踪并使太阳能电池板根据风向信号，自动跟踪风向，使太阳能电池板与风向平行以达到防风的效果。（4）在系统的东侧和西侧分别装有接近开关SQP1和SQP2。系统调试好后，这两个接近开关应不会合上，如果合上的话则发报警并停机。

4 结语

本文采用西门子的S7200和MM440变频器构成太阳能光伏发电的单轴自动跟踪系统，实现太阳能电池板对太阳光能的最高转换率，改变传统太阳能电池板固定安装对太阳光能利用低下的弊端。该太阳能双轴自动跟踪系统可实现在有太阳光照的情况下，在任意时刻让太阳光直射太阳能电池板，并解决了风大时，太阳能电池板的防风问题。

参考文献

[1]薛建国.基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[J].长春师范学院学报，2005.（8）：26-30.

[2]王志辉.太阳自动跟踪装置计算机控制系统[J].机械制造，2008，（11）：20-22.