基於PLC的碟式太陽能跟蹤控制系統設計

摘 要：設計了一種以FX3U系列PLC為控制核心的太陽能自動跟蹤控制系統。該跟蹤控制系統將視日運動軌跡跟蹤與感測器跟蹤相結合，即第一級採用視日運動軌跡跟蹤，初步跟蹤太陽的運行軌跡，第二級採用感測器跟蹤校正，並採用雙軸式跟蹤調整裝置。系統還設計了時間顯示模塊，能夠顯示實時時間，同時也可以對時間進行實時調整。

關鍵詞：太陽自動跟蹤；PLC；視日運動軌跡跟蹤；感測器跟蹤

如何提高太陽能的利用率一直是國內外學者的研究熱點[1-5]。太陽能跟蹤系統使集熱器裝置始終保持與太陽光垂直，就可以在有限的使用面積內收集更多的太陽能，精確地跟蹤太陽，可以大大提高集熱器的接收率，進而提高太陽能的利用率。

目前，太陽能跟蹤方法有光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤兩大類[6-8]。參考文獻[9]提出了基於PLC的單軸跟蹤系統，採用光敏電阻光強比較法，利用光敏電阻在光照時阻值發生變化的原理來控制電機的轉動，從而帶動集熱器跟蹤太陽，但該跟蹤方法受天氣影響大，無法在陰雨天氣正常工作，而且該跟蹤系統採用單軸跟蹤，只能在一個方位上對太陽進行跟蹤。參考文獻[10]介紹了基於二維太陽跟蹤裝置的控制系統，該系統採用視日運動軌跡跟蹤方法計算出太陽高度角和方位角，進而通過PC機控制步進電機，從而帶動集熱器實現對太陽的跟蹤。該方法成本低，但是採用視日運動軌跡跟蹤存在累計誤差，而且自身不能消除。

此外，以上光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤中沒有設計時間顯示調整模塊，無法顯示實時時間和對時間進行調整。

鑒於此，本文提出了一種基於PLC的碟式太陽能熱發電的跟蹤控制系統的設計方案——混合跟蹤方法，當太陽輻射光線達到一定閾值時，首先通過視日運動軌跡跟蹤，然後採用光電感測器跟蹤校正，同時本系統中還設計了時間顯示調整模塊，能夠顯示實時時間，同時也可以對時間進行實時調整，並設計了伺服驅動器及電機與PLC的連接電路。

1 跟蹤系統的設計與實現

1.1 系統的總體結構

跟蹤控制系統由感測器、可編程式控制制器（PLC）、數碼管顯示器、雙軸跟蹤裝置組成。

其中雙軸跟蹤裝置包括方位角調節機構和高度角調節機構。方位角調節機構主要由電機、行星減速器、一級蝸輪蝸桿、迴轉軸承組成；高度角調節機構主要由電機、行星減速器、螺旋升降機組成。當系統啟動後，由控制器控制電機轉動，通過減速裝置從而驅動集熱器跟蹤太陽，實現對太陽高度角和方位角兩方位的跟蹤。跟蹤系統的組成結構如圖1所示。

1.3 光電感測器跟蹤模塊

本系統採用4個光敏電阻作為感測器來檢測天空光線的變化，跟蹤太陽的位置，進行誤差校正。4個完全相同的光敏電阻置於一個高壁圓筒內，均勻分布在東南西北4個方位處，接收來自不同角度的入射光。當東西方位或南北方位的兩個光敏電阻感受到的光強差值小於某個限定值時，PLC不發出讓電機動作的信號；當光強差值超過一定範圍時，PLC發出信號控制電機轉動。如圖2所示。其中CDS1和CDS2兩個光敏電阻用於檢測東西方向光線變化，調整太陽能集熱器東西方向角，即方位角；CDS3和CDS4兩個光敏電阻則用於調整太陽能集熱器南北方向角，即高度角。採樣不同位置光敏電阻上的模擬信號，經過運放及相應保護電路，然後通過A／D轉換之後將信號輸送到PLC進行數據比較程序，最終從PLC發出相應信號驅動電機動作。PLC採樣輸入埠選擇X4、X5、X6、X7埠。圖3為採樣光敏電阻CDS1電壓、進入PLC埠X4的採樣電路，其他三路原理相同。

由於本系統中需要對時間進行調整，設計了按鍵電路，設置了2個按鍵S1、S2。S1用來調整時，調整範圍是0~23，每按一次鍵時加1，可以在0~23之間循環調整。S2用來調整分，調整範圍是0~59，每按一次鍵時加1，可以在0~59之間循環調整。

1.5 執行機構

執行機構主要包括伺服驅動器、伺服電機和雙軸跟蹤裝置，其中雙軸跟蹤裝置有高度角運動裝置和方位角運動裝置。伺服驅動器接收控制器的輸出脈衝，根據輸出脈衝的個數和脈衝頻率來決定伺服電機應轉動的角度以及伺服電機的轉速，從而通過電機來驅動雙軸跟蹤裝置調節太陽能聚光器在方位角方向的偏差和高度角方向的偏差，使太陽能聚光器始終與太陽光線垂直。圖5為伺服驅動器及電機與PLC的連接電路示意圖。

2 跟蹤控制系統的軟體設計

系統的控制作用主要由控制器PLC來完成，主要完成兩個任務：（1）計算太陽的運行軌跡，求出太陽的角度差，發出初步調整信號；（2）處理感測器偏差信號，發出誤差校正信號。其主程序流程圖如圖6所示。

系統在剛啟動時，跟蹤裝置處於跟蹤的起始位置，當系統開機啟動、程序初始化設備和相關參數後，首先是讀取時間，如果在日出前或日落後，則系統等一段時間後再讀取時間，當讀取的時間在日出和日落之間，系統通過輻射表採集輻射強度，以判斷是否陰天、有雲或其他遮蓋，如果採集到的輻射小於系統設定的閾值，則系統等待一定時間後再繼續採集；當採集到的輻射大於系統的設定閾值，則系統通過讀取的時間和當地的地理參數計算太陽的高度角和方位角，並將計算的結果與前一次的計算結果相減，得到角度差，然後根據角度差計算出PLC需要發出的脈衝數，再送給伺服驅動器，驅動電機轉動，從而帶動執行機構動作，完成初步跟蹤。

在本系統中，設定PLC每發出1個脈衝伺服電機轉0.9°，在方位角方向上的減速箱的傳動比為1：93 600，高度角方向上的減速箱傳動比為1：512。則當太陽方位角和高度角變化0.9°時，PLC向兩台伺服電機發出的脈衝數分別為93 600個和512個。角度差的正負決定電機正反轉。當系統完成初步跟蹤後，自動進入感測器跟蹤校正誤差，如果有偏差信號輸出，計算出相應伺服電機所需轉動的脈衝數，然後分別送給兩台伺服電機，進行進一步跟蹤，校正誤差。考慮到角度變化的精度影響和電機反應速度，延遲5 min後再讀取時間，進行下一個周期的跟蹤。

本文基於PLC控制理論，提出了一種太陽能熱發電系統的混合跟蹤方法，結合了光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤的優點，對太陽能跟蹤系統的軟硬體進行了設計，可以實現太陽能跟蹤裝置的全天候對日跟蹤，在硬體系統的設計中增加了時間顯示調整模塊，能對時間進行實時顯示和調整。

參考文獻

[1] 戴訓江，晁勤.基於PLC的太陽能跟蹤控制系統的設計[J].能源工程，2007（6）：30-33.

[2] 徐東亮，任超.太陽自動跟蹤裝置控制系統的研究[J].機械工程與自動化，2008（2）：140-142.

[3] 陳維，李戩.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.

[4] 湯世松，舒志兵.基於PLC的太陽能聚光伺服跟蹤系統的設計[J].機床與液壓，2009，37（8）：340-342.

[5] 孫茵茵，鮑劍斌，王凡.太陽自動跟蹤器的研究[J].機械設計與製造，2005（7）：157-159.

[6] 鄭小年，黃巧燕.太陽跟蹤方法及應用[J].能源技術，2004，24（4）：149-151.

[7] ABDALLAH S， NIJMEH S. Two axes sun tracking system with PLC control[J]. Energy Conversion & Management， 2004，45（11）1931-1939.

[8] JEFFREY S G. Apphcation of the compatibility factor to the design of segmented and cascaded thermoelectric generators[J]. Appl.Phys.Lett，2004，84（13）：2436-2438.

[9] HELWA N H， BANGAT A B G， ELSHENAWY E T. Maximum Collectable Solar Eeergy by Different Solar Tracking systems[J]. Solar Energy，1991，46（4）：211-217.

[10] 張利明，杜春旭.基於8051單片機的碟式太陽能跟蹤控制系統[J].太陽能，2007（6）：30-34.

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！