久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

   

    舒志兵 （1965-）

    男，南京工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院運動控制研究所所長，現(xiàn)任中國人工智能學(xué)會智能檢測與運動控制專業(yè)委員會秘書長。長期從事測控技術(shù)、運動控制、傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)及電氣控制系統(tǒng)研究，主要研究方向為機器人、非線性多變量控制、變頻調(diào)速、交直流傳動、伺服運動控制、DSP技術(shù)、現(xiàn)場總線、數(shù)控系統(tǒng)及其機電一體化系統(tǒng)等。

    摘  要：太陽能是一種具有開發(fā)潛能的能源，但目前太陽能的利用率不高，理論分析證明，采用跟蹤技術(shù)可以提高37.7%的能量接收率。本文提出了基于可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)的太陽能跟蹤系統(tǒng)，使光伏模塊能實時跟蹤太陽光照，從而獲得最大的太陽能。太陽能跟蹤系統(tǒng)構(gòu)建了由光敏元件檢測和比較, 方位角和高度角雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)組成的自動控制裝置。

    關(guān)鍵詞：太陽能；跟蹤系統(tǒng)；PLC

    Abstract: Solar energy is a king of energy with great development potential, but current solar utilization is not efficient. Proved by theory analysis, that adopting the solar tracking technology can increase 37.7% by the rate of the energy receiving. The sun—tracking system based on PLC was studied. The photo—voltaic module in the system can track the sun simultaneously, then the maximum sun energy can be obtained .The sun tracking system structures it by photodiode measuring and comparative law , azimuth and vertical corner double axle machinery follow the automatic control device.

    Key words: Solar energy; tracking system; PLC

    1 引言

    隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類所面臨的能源問題越來越突出，太陽能作為一種清潔能源，無疑受到各國的普遍重視。如何提高太陽能的利用效率成為研究熱點，太陽跟蹤是提高利用率的一種途徑。

    太陽能聚光伺服跟蹤光伏發(fā)電，其單機發(fā)電能力為0.3~1.5kW，將單機組成陣列可構(gòu)成大功率的發(fā)電系統(tǒng)。采用聚光太陽電池的好處是光電轉(zhuǎn)換效率高，并且價格低（聚光太陽電池轉(zhuǎn)換效率為18%～30%，比普通太陽電池高的多，1cm2 的聚光電池在標準光強下聚光度為400～600倍聚光后，輸出功率達6~10W 以上，而同等面積的平板式太陽電池輸出功率僅12~14MW）。

    普通平板式太陽電池的造價為45~65元/W，而聚光太陽電池的造價要低得多，并且同功率的精確跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)比固定的光伏發(fā)電系統(tǒng)每天多發(fā)電50%。由于聚光電池的受光面只有同功率的普通光電池的幾百分之一，因此可以大大節(jié)約單晶硅的用量，即同面積的單晶硅片若制成聚光電池，發(fā)電量將提高數(shù)百倍。

    香港大學(xué)建筑系的KPcheung和scMHui教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關(guān)系，相關(guān)理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽可使接收器的熱接收效率大大提高，進而提高了太陽能裝置的太陽能利用率，拓寬了太陽能的利用領(lǐng)域。

    本文提出一種新型的基于PLC的太陽光自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案，該雙軸系統(tǒng)在自東向西追蹤太陽的同時，使太陽能板傾斜從而跟蹤太陽的高度變化。它不僅能自動根據(jù)太陽光方向來調(diào)整太陽能電池板朝向，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能的利用率，有較好的推廣應(yīng)用價值。

    2 太陽能聚光伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

    2.1 自動跟蹤裝置總體結(jié)構(gòu)

    太陽能聚光發(fā)電伺服跟蹤系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動編程控制實現(xiàn)，上位機采用PC或者PLC控制運動控制器從而控制兩個變速電機和相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，這些執(zhí)行機構(gòu)使得系統(tǒng)能夠跟蹤太陽的軌跡。從而使系統(tǒng)能夠在一天中，始終以最佳的傾角和方向?qū)侍枺M而最大限度地利用太陽能。

    實現(xiàn)X-Y二維聚光發(fā)電伺服跟蹤系統(tǒng)控制硬件結(jié)構(gòu)基本配置如下：上位機采用PC或者PLC、運動控制器、PMSM及其驅(qū)動器。
PC機或PLC與運動控制器之間的通訊由運動控制器內(nèi)部做PID等相應(yīng)的信號處理和運算后，給伺服驅(qū)動器發(fā)出一定頻率的脈沖和方向指令，伺服驅(qū)動器輸出三相交變的交流電流，產(chǎn)生馬達力矩使馬達運轉(zhuǎn)。位置伺服控制的硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

                          

                       圖1   位置伺服控制硬件結(jié)構(gòu)圖

    2.2 控制系統(tǒng)核心部件PLC

     可編程邏輯控制器PLC是太陽能跟蹤系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活和指令集強大的歐姆龍公司可編程PLC；用戶程序包括位邏輯計數(shù)器、定時器等復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算以及與其他智能模塊進行通訊等指令內(nèi)容，從而使能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)，以達到控制的目的。另外，選用CJ2不僅能用于獨立的太陽能設(shè)備跟蹤系統(tǒng)控制，特別是對于串、并聯(lián)的大型光伏太陽能陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮PLC現(xiàn)場總線的控制優(yōu)勢進行集中控制。圖2所示為PLC輸入/輸出硬件配置。

                     
                       圖2   PLC輸入/輸出硬件配置

    2.3 光電檢測模塊

    光電檢測模塊主要由一個四象限光敏二極管探測器組成。四象限光敏二極管CU301是在同一芯片上制成4個二極管單片(它們之間有十字溝槽間隔)。單元的性能參數(shù)基本相同，一致性較好。4個二極管單元相當于直角坐標系中的4個象限，每個象限的二極管有自己的輸出。當照射在4個象限光敏二極管上的光斑圖像位于十字形劃線的中心時，代表4個象限的光敏二極管各自的輸出相等，經(jīng)過運算放大器對信號處理后，輸出為零。當光斑產(chǎn)生相對于十字形劃線的任何位移時，都會使4個象限光敏二極管的輸出隨之變化，運算放大器的輸出也隨之產(chǎn)生相對位移方向上的正負變化，從而可以確定物體在二維方向上的位移。

    為減小環(huán)境光的干擾和提高檢測單元的敏感度，4象限光敏二極管探測器可以放置在一個長方形桶狀內(nèi)，采用透光性比較好的材料給長方形的桶做一個蓋子，以防止由于遮光或覆蓋灰塵而發(fā)出錯誤信號。其中VD1、VD2正極分別接在CU301的“2”、“3”端，VD3、VD4正極分別接在CU301的“1”、“4”端。這樣X軸、Y軸的輸出信號即可顯示出光斑是否在中心位置，當控制器檢測到光斑在中心位置上時即發(fā)出中斷信號。

    2.4 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

     根據(jù)傳感器工作原理分析，控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)一下幾個功能：

    （1）電機控制：M1電動機的控制（方位角方向的控制），M2電動機的控制（高度角方向的控制）。

    （2）開關(guān)輸入量：手動開關(guān)輸入量，接近開關(guān)輸入量。

    （3）指示燈控制：為了方便觀察實驗過程，需配置一些調(diào)試指示燈。

    PLC嵌入在系統(tǒng)控制兩電機的執(zhí)行機構(gòu)和相應(yīng)的驅(qū)動器，相反地驅(qū)動器也引導(dǎo)跟蹤器追隨著太陽的軌跡從升起至落下。在一天的整個過程中，跟蹤器獲得最優(yōu)的傾斜角和方位角，電池板接收到最大太陽日輻射量。

    利用逆變器能夠?qū)⒐夥姵禺a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡M而直接輸送到電網(wǎng)上。在白天有日照的情況下，光伏電池會將大部分的能量輸送到電網(wǎng)上，而到了晚上光伏電池裝置會自動與電網(wǎng)斷開。

    控制系統(tǒng)的實現(xiàn)取決于兩方面：（1）電氣控制部分和驅(qū)動部分。（2）傳感器和檢錯系統(tǒng)。對于電氣控制部分和驅(qū)動部分，我們選擇相對領(lǐng)域有優(yōu)勢廠商的部件，尤其考慮到運行溫度范圍和環(huán)境。運行溫度范圍是-25度~55度。

    對于檢錯系統(tǒng)，傳感器被用于檢測方位角，系統(tǒng)包含控制程序的檢錯方法，比如檢測風(fēng)速。作為一個選擇，我們建立了傳感器系統(tǒng)直接實時監(jiān)測跟蹤器的運行狀態(tài)，包括獲得方位角和垂直角。反饋到驅(qū)動部分，閉環(huán)就形成了。它不同于其它跟蹤器。跟蹤器的運行狀態(tài)可傳送給監(jiān)測臺。不僅監(jiān)測還可遠程控制達到穩(wěn)定。

    在系統(tǒng)的擴展和配置設(shè)計中，應(yīng)遵循以下原則：

    （1）盡可能選擇典型電路，為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下基礎(chǔ)。

    （2）系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發(fā)。

    （3）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一起考慮。

    （4）系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    跟蹤模式的判斷過程完全由軟件實現(xiàn)，靈活度很高，可以針對不同的地區(qū)和不同的氣候進行調(diào)整，盡量提高光伏電站的發(fā)電效率。電池參數(shù)由電壓傳感器采集。還可以根據(jù)需要，增加溫度傳感器、光強傳感器、風(fēng)力傳感器等多種傳感裝置。圖3為主程序框圖。

                       
 
                                圖3   主程序框圖

                     

                                  圖4   子程序框圖

    監(jiān)控PLC輸入與輸出子程序是將PLC輸入與輸出狀態(tài)復(fù)制到內(nèi)存的特定位置，稱為標記區(qū)域，PC監(jiān)控程序能直接從內(nèi)存區(qū)域隨時讀取輸入和輸出狀態(tài)。圖4為子程序框圖。

    太陽能電池板有兩個自由度，控制機構(gòu)將分別對X、Y 兩方向進行調(diào)整。當電池板轉(zhuǎn)到盡頭時，采樣電壓不再變化，據(jù)此，程序?qū)⒆詣臃崔D(zhuǎn)電池板，以保護電機不受損害。

     采樣數(shù)據(jù)存儲是一個在線采集存儲過程，通過RAM數(shù)據(jù)存儲內(nèi)部的特殊矩陣，每隔1h讀取1次光敏電阻的值。

    數(shù)據(jù)采集在白天進行。晚上停止。采集的時間(小時和分鐘)存儲在不同的矩陣，然后在PC機的屏幕上顯示出來。當RAM內(nèi)存滿時，將不再存儲數(shù)據(jù)，直到復(fù)位操作將存儲數(shù)據(jù)清除。

    4 結(jié)論

    本文介紹了太陽自動跟蹤系統(tǒng)能自動檢測晝夜，并應(yīng)用了太陽輻射與環(huán)境亮度的比較，使得該自動跟蹤系統(tǒng)的準確性高、可靠性強。即使是在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，系統(tǒng)也能正常工作，提高太陽能的利用效率。如果應(yīng)用于太陽能電池板，則可從電池板直接獲取電能，而無需另外輸入能量。

    參考文獻：

     [1] 舒志兵. 交流伺服運動控制系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

     [2] Salah Abdallah．Two axes sun tracking system with PLC control[J]．Energy Conversion and Management，2004，45：1931~1939．

     [3] 程子華，劉小明.PLC原理與編程實例[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社，2007. 10.

     [4] 陳維，李戩洪. 太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J ] . 能源工程，2003，(3)，18~21.

     [5] 吳玉庭，朱宏嘩，任建勛等. 聚光條件下太陽電池的熱電特性分析[J]. 太陽能學(xué)報，2004，25(3): 337~340.

     [6] 曹仁賢. 光伏系統(tǒng)的可靠性分析[J]. 太陽能，2001 (1) : 54.

     [7] 王雪文. 太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，34(2): 163~164.



                                                              ——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》