CN204009583U - 一种基于plc的太阳光跟踪随动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于PLC的太阳光跟踪随动控制系统，包括有PLC主机模块、模拟量转换模块、光强智能传感器模块、风力检测传感器模块、触摸屏人机界面显示模块以及电机拖动模块；其特征是所述光强智能传感器模块和风力检测传感器模块分别经旁路继电器模块接入模拟量转换模块，所述模拟量转换模块与PLC主机模块连接；所述触摸屏人机界面显示模块与PLC主机模块连接，提供编程输入；所述PLC主机模块输出接电机拖动模块。本实用新型采用程序控制和传感器控制相结合的结构，合理使用PLC主机模块进行程序控制下的粗追踪，并配合智能传感器模块的精确追踪两种模式，实现对太阳光线的精确追踪。

Description

一种基于PLC的太阳光跟踪随动控制系统

技术领域：

本实用新型属于太阳能利用领域，特别涉及一种基于PLC的太阳光跟踪随动控制系统。

背景技术：

太阳能光伏聚光发电，具有资源丰富、无污染等独特的优势，是可持续发展理想特征的可再生能源技术之一，得到了广泛的应用。因此，如何实现对太阳的精确定位与追踪，最大限度地提升发电效率，成为当今世界关注的热点。现有的太阳光自动追踪系统大致可分为传感器控制和程序控制两种。传感器追踪为被动追踪，是利用光电传感器检测太阳光是否偏离电池板法线，当太阳光偏离电池板法线时，传感器发出偏差信号，经放大、运算后控制执行机构，使追踪装置重新对准太阳光。这种追踪方式的优点是灵敏度高；缺点是受天气影响大。尤其在多云或阴天时无法对准太阳，以及楼宇窗户的反光干扰而引起执行机构的误动作，同时也经常会在稳定点附近来回振荡运行，造成不必要的能量耗损。程序控制方法是根据太阳的实际运行轨迹，计算出太阳在一天中的位置，并通过电机驱动装置运动到目标位置。该方法可克服传感器控制的缺点，但精度不高自身存在累积误差。

发明内容：

本实用新型的目的是设计一种基于PLC的太阳光跟踪随动控制系统，其由程序控制与传感器控制相结合，利用程序粗定位，再由传感器检测精确追踪，从而精确对太阳光的追踪。

本实用新型技术方案是这样实现的：一种基于PLC的太阳光跟踪随动控制系统，包括有PLC主机模块、模拟量转换模块、光强智能传感器模块、风力检测传感器模块、触摸屏人机界面显示模块以及电机拖动模块；其特征是所述光强智能传感器模块和风力检测传感器模块分别经旁路继电器模块接入模拟量转换模块，所述模拟量转换模块与PLC主机模块连接；所述触摸屏人机界面显示模块与PLC主机模块连接，提供编程输入；所述PLC主机模块输出接电机拖动模块。

所述光强智能传感器模块包括光强传感器、光线传感器和雨量传感器三部分；所述光强传感器由四块完全相同的单晶硅太阳能电池板和矩形柱组成，所述四块单晶硅太阳能电池板，分别成人字形固定在矩形柱的四个棱面上，且保持与棱面的夹角一致；所述光线传感器及雨量传感器安装在矩形柱的顶面上。

本实用新型采用程序控制和传感器控制相结合的结构，合理使用PLC主机模块进行程序控制下的粗追踪，并配合智能传感器模块的精确追踪两种模式，实现对太阳光线的精确追踪。因为PLC控制器具有较好的稳定性，且运算速度快，能够实现各种条件下大范围追踪，并具有以下特点：

（1）粗追踪采用查表方式实现，避免在PLC内部进行复杂的数学三角函数运算以及浮点运算等；

（2）采用导纳增量法实现对光伏聚光系统的输出最大功率点的精确追踪，该方式不受外界环境的影响，系统稳态误差小，追踪精度误差在1％以内；

（3）系统具有良好可扩展性，可以根据用户需求增加额功能；任何情况下可以随时开关系统，不影响追踪精确度。

附图说明：

下面结合具体图例对本实用新型做进一步说明：

图1PLC控制系统原理框图

图2太阳能光伏聚光发电设备示意图

图3系统主程序流程图

图4粗追踪子程序实现流程图

图5太阳能电池P—U特性曲线图

图6采用导纳增量法（IncCond）进行精确追踪的流程图

其中

1—PLC主机模块 11—GPRS模块 2—模拟量转换模块 3—光强智能传感器模块

31—光强传感器 311—单晶硅太阳能电池板 312—矩形柱

32—光线传感器 33—雨量传感器 4—风力检测传感器模块

5—触摸屏人机界面显示模块 6—电机拖动模块 61—太阳能电池板阵列

7—旁路继电器模块 8—太阳能电池板 81—底座 82—光强的反光板

具体实施方式：

参照图1，基于PLC的太阳光跟踪随动控制系统，包括有PLC主机模块1、模拟量转换模块2、光强智能传感器模块3、风力检测传感器模块4、触摸屏人机界面显示模块5以及电机拖动模块6；其中光强智能传感器模块3和风力检测传感器模块4分别经旁路继电器模块7接入模拟量转换模块2，所述模拟量转换模块2与PLC主机模块1连接；触摸屏人机界面显示模块5与PLC主机模块1连接，提供编程输入；所述PLC主机模块1输出接电机拖动模块6，驱动太阳能电池板阵列61两个自由度的调整，也即对高度角和方位角两个方向进行调整。必要时，还可在PLC主机模块1接入GPRS模块11，提供通信扩展。

参照图2，太阳能光伏聚光发电设备，包括太阳能电池板8、自由度可调整的底座81和可增加光强的反光板82；所述光强智能传感器模块3包括光强传感器31、光线传感器32和雨量传感器33三部分；所述光强传感器31由四块完全相同的单晶硅太阳能电池板311和矩形柱312组成，四块单晶硅太阳能电池板311，分别成人字形固定在矩形柱312的四个棱面上，且保持与棱面的夹角一致；所述光线传感器32及雨量传感器33安装在矩形柱312的顶面上。而风力检测传感器模块4安装在不影响光照角度的位置上，也可安装设备的底座81上。

系统实现总体原理：

本系统的机械结构采用二维极轴追踪，实现高度角－方位角的全程式追踪；自动追踪策略采用的是程序与传感器混合控制的方法。首先进行粗追踪，通过计算太阳的位置，分别驱动高度角轴电机与方位角轴电机运动。在整个粗追踪过程中传感器不断检测光线强度是否达到传感器追踪阈值；若满足则追踪装置进入传感器精确追踪；否则仍处于粗追踪状态。

若晴天出现短时间云遮，追踪装置根据粗追踪程序计算结果运行，云过后且检测光线强度达到阈值后，再利用传感器精确追踪。在阴雨或者大风天气，可直接发出停止追踪命令，太阳能电池板自动运行到复位状态。这种控制方法结合了程序控制与传感器控制的优点：粗定位由程序控制，不存在追踪死区，追踪范围广；精确追踪采用传感器检测，无累积误差，系统能够稳定、可靠地对光线进行精确追踪，从而提高了太阳能装置的效率。

本追踪系统由粗追踪和精确追踪两种模式构成。在正常工作情况下时（晴天、无雨、风速小于13m/s²），先进行粗追踪阶段，其依据程序控制算法方法进行调节。只有先完成粗追踪阶段后，系统才会自动进入精确追踪阶段。

该光强传感器31，主要起光敏器件的作用，判断太阳光线追踪传感器模块的法线是否正对太阳。太阳光垂直照射传感器模块时，东西两个方向上的电池板得到的太阳光的能流密度完全相等，产生的光电流大小相等，此时控制它们方位角的电动机不工作。若太阳光入射角与传感器模块非垂直时，两块电池板就会产生的光电流强度差，利用这一信号驱动电动机转动，直到两块电池板就会产生的光电流强度差为最小允许阀值为止，此时传感器模块的法线指向太阳。

电机拖动模块设计：

太阳能电池板有两个自由度，控制机构对高度角和方位角两个方向进行调整当电池板转到尽头时，由于跟踪装置装了限位传感器，到限位触点时自动切断输出，电机停止工作。电机拖动模块采用的是步距角为1.8度的二相/四相混合步进电机，并配置合适的蜗轮蜗杆减速机，由于蜗杆轴向力较大，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，因此在大风工况下时，太阳能电池板不会反向拖动步进电机。

上述自动追踪控制器（PLC主机模块采用三菱系列的可编程逻辑控制器FX2N-24MT，并扩展一块模拟量转换模块FX2N-4AD），其可采用梯形图、步进指令以及应用指令进行软件编程设计。系统软件包括有追踪系统主程序、粗追踪子程序、精确追踪子程序等。

模拟量转换模块(FX2N-4AD）,主要是将光强智能传感器模块3产生的模拟量信号转换为标准的数字信号提供PLC主机模块（FX2N-24MT）内部运算使用。由于模拟量转换模块的通道数有限，故采用旁路继电器模块选择对光强智能传感器模块3中的光强传感器31、光线传感器32和雨量传感器33那个部分进行模数转换。

1追踪系统主程序

主程序主要功能是初始化太阳能追踪系统各相关功能模块，定时巡回检测各个传感器模块信号，判断当前太阳能电池板的工作状况，进而驱动步进电机拖动太阳能电池板到最佳工作位置，其主程序流程图如图3所示。

自动追踪控制器系统通过设置PLC主机模块（FX2N-24MT）中内部时钟（D8013—D8018寄存器的值），自动判断时间，在夜间时太阳能电池板停留在垂直位置，保证电池板上的凝结水可以流下；通过光强智能传感器模块顶部的光线雨量传感器进行判断如果是阴雨天时，电池板将固定指向正南方向仰角150度，从而减少系统不必要的驱动和能量损耗。

通过光线雨量传感器、风力传感器等装置对恶劣天气进行判断,当遇到雨天或者风速过大时，自动追踪控制器系统将停止工作，电池板保持前一次的方位角与高度角不变。通过程序控制自动判断系统是否满足运行条件（亮度、风力、雨量三要素），若满足相关要求，系统才会自动继续工作。

2粗追踪功能的实现

粗追踪子程序的设计要以太阳模型为依据。地球绕太阳公转的椭圆形轨道，近日点是1月3日，远日点是7月4日。根据天体运动学，可通过以下公式计算得到太阳的理论位置。

高度角α：太阳光线与地平面的夹角

sinα＝sinφsinδ+cosφcosδcosω （1）

方位角γ：太阳光线在地平面的投影与南北方向线之间的夹角

γ＝cosδcosω/cosα （2）

式(1)、(2)中：φ为当地的纬度角，δ为赤纬角，ω为时角。

也就是说，在任意时刻太阳对于地球上的任意一点都是在水平和垂直两个方向上运动的，其位置由当地纬度角φ、赤纬角δ以及时角ω三个参数确定。

纬度角φ：指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角，由地理位置唯一确定。

赤纬角δ：太阳光线与地球赤道面的夹角，仅与日期有关，第n天的赤纬角可表示为：δ＝23.45sin[360*(284+n)/365] （3）

时角ω：可近似通过时间来获得，其误差可忽略。ω＝15(12-t) （4）

通过以上公式的计算分析，可以发现每半个月中太阳运行时间仅相差几分种（即赤纬角δ值变化较小）。因此可将近日点日期为起点，远日点日期为终点，把全年时间分成24个段，再以每一段时间里中间那一天为标准作为这一段时间的太阳跟踪参数。例如，自动追踪控制器系统白天正常工况15小时，系统每15分钟调整一次位置，这样就只需要PLC占用24X15X4X2=2880个内部寄存器，该算法需事先根据当地纬度值，并完成相关的数学公式的运算，将得到的数据存入内部寄存器中，自动追踪控制器系统只需根据PLC提供的内部日期和时间，读取寄存器中数据，从而调整太阳能电池板的角度，粗追踪子程序实现如图4所示。

3精确追踪功能的实现

为了实现太阳能电池板精确追踪即输出大功率点跟踪的功能，本系统采用导纳增量法（IncCond）进行MPPT追踪算法。如图5光伏电池的P-U曲线所示。

dP/dU可表示为：

$\mathrm{dP}/\mathrm{dU}=\frac{d\left(\mathrm{UI}\right)}{\mathrm{dU}}=I+U\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}\≈U(\frac{I}{U}+\frac{\mathrm{\ΔI}}{\mathrm{\ΔU}})---\left(5\right)$

式中：I/U，ΔI/ΔU分别为电导和增量电导。

通过判断I/U+ΔI/ΔU与0的关系来确定太阳能光伏聚光系统运动的方向。当I/U+ΔI/ΔU＞0时，增大光伏聚光系统的电压；当I/U+ΔI/ΔU＝0时，维持系统不变；当I/U+ΔI/ΔU＜0时，减少光伏聚光系统的电压，从而实现MPPT。

在最大功率点处dP/dU＝0,通过数学推倒可以得出在最大功率点处有下式成立：

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}=\frac{I}{U}---\left(6\right)$

因此只要通过式（6），就能判断太阳能光伏聚光系统是否工作在最大功率点。IncCond控制算法不受外界环境的影响，可以避免系统在MPPT附近振荡造成能量的浪费，而且当光照强度快速变化时也不会发生误判现象，能始终实现MPPT，因此应用相当广泛。采用导纳增量法（IncCond）进行精确追踪的流程图，如图6所示。

Claims (2)

1.一种基于PLC的太阳光跟踪随动控制系统，包括有PLC主机模块、模拟量转换模块、光强智能传感器模块、风力检测传感器模块、触摸屏人机界面显示模块以及电机拖动模块；其特征是所述光强智能传感器模块和风力检测传感器模块分别经旁路继电器模块接入模拟量转换模块，所述模拟量转换模块与PLC主机模块连接；所述触摸屏人机界面显示模块与PLC主机模块连接，提供编程输入；所述PLC主机模块输出接电机拖动模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的太阳光跟踪随动控制系统，其特征是光强智能传感器模块包括光强传感器、光线传感器和雨量传感器三部分；所述光强传感器由四块完全相同的单晶硅太阳能电池板和矩形柱组成，所述四块单晶硅太阳能电池板，分别成人字形固定在矩形柱的四个棱面上，且保持与棱面的夹角一致；所述光线传感器及雨量传感器安装在矩形柱的顶面上。