太阳能基站光照跟随PLC控制实训模型
时间：2025-07-17 02:00:52 点击次数：
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-PV26 太阳能基站光照跟随plc控制实验模型
-PV26太阳能基站光照跟随PLC控制实验模型基础简介
太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外最具发展前景的新能源之一。光伏(pv)发电技术在国外已得到深入研究和推广，我国在技术上也已基础成熟，并已进入推广应用阶段。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断改变的问题，这就对太阳能的收集和运用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基础上全部是固定的，不能充分运用太阳能资源，发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分运用丰富的太阳能资源。据实验，在太阳能发电中，相同条件下，应用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提升35%左右。因此，设计研发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。
一种新型的可编程逻辑控制器plc(programmable logic controller)的太阳光自动跟踪系统，不仅能自动按照太阳光方向来调节太阳能电池板的朝向，构造简便、而而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不一样时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气改变对比复杂和无人值守的现象，有效地提升了太阳能的运用率，有良好的推广应用价值和市场应用前景。
一、-PV26太阳能基站光照跟随PLC控制实验模型自动跟踪系统的构成及作业原理
太阳能光照自动跟踪控制系统由plc主控单元、光照度传感器、方位传感器和信号处置整理单元、光伏模型块、电磁机械动作控制模型块和电源模型块构成。系统的构成框图如图1所示。
图1 系统构成框图
太阳能光伏发电设备自动跟踪系统的光敏探测头(传感器)是用来检验测试太阳光强的。当有偏差发生时，偏差信号经过跟踪plc主控单元(控制器)，应用模仿差压对比原理，实行运算、对比、发出指令，使电动执行器动作，驱动机械部分转动推动整个装置旋转，调节偏差，保证太阳能电池方阵正对太阳光，达到自动跟踪太阳的目的。太阳能电池方阵在阳光的照射下光伏发电，经过控制器向蓄电池充电。系统配备有自动保护线路，当风力达到8级时自动启动，切断跟踪太阳系统，使电池方阵快速收平，在风力降下来时延时10分钟，解除防风系统，恢复跟踪过程。固定光强、跟踪光强、电瓶温度（℃）和自然风速等由微机实行数值收集，并对蓄电池充电和放电实行分级控制。
系统有自动和手动两种控制方法，sb1和sb2为控制按钮，用来手动实操，plc输出的q0或q1分别连接到两个继电器线圈，以控制太阳板的正反两个动作方向。在自动运行模式下，plc首先对比来自信号处置整理单元的两个模仿写入的值，然后决定输出q0或者q1。
1.1可编程逻辑控制器plc单元
跟踪控制器应用可编程逻辑控制器plc，它是太阳能电池板跟踪系统的控制核心，是系统研究作业的重点。系统应用欧姆龙(omron)公司近年推出的α系列plc，该机型为介于大型机与小型机之间的中小型机，***大控制i/o点数为1184点。在应用中，中央处置整理器单元(cpu)应用c200hx-cpu43-e，它自带一个编程口和一个rs232c口，该cpu设定有丰富的指令功能，编程便利；开关量写入模型块选用c200h-id212；开关量输出模型块选用c200h-oc225；与上位机的通讯，经过在cpu中插入通讯板c200hw-com06-e(该板设定有一个rs232c和一个rs-422/485)完成远程通讯，由于应用了rs-422连接口，采取平衡式发送，因此数值传输率高，而而且串扰小，传输距离可达500m。特别对串并联的并网光伏太阳能电池阵列的跟踪系统控制，能发挥plc现场总线控制的优势，实行集中控制。经过研究和优化设计，应用包括标准线路，应用模仿差压对比原理，控制器设定有跟踪精确度高、界限宽、自动返回功能。限位装置设定有东、西、上、下四个方位的极限限位功能。应用双重限位控制构造，即控制信号限位和驱动电机限位，保证了设备可靠地作业。图2所示为plc写入/输出硬件配备图。
图2 plc写入输出硬件配备图
1.2传感器检验测试和信号处置整理单元
太阳的方位随着查看位置和查看时间的不一样而不一样，因此，欲跟踪太阳就必须先对太阳实行检验测试定位。检验测试太阳光光强的方法有定时法、坐标法、太阳能电池板光强对比法和光敏电阻光强对比法。对这4种控制方法实行了对比筛选后认为：定时法电子回路虽然简便，但由于季节的影响，系统的控制精确度较差；坐标法控制精确度较高，但控制电子回路复杂；光强对比法使系统的太阳能运用率不能达到***佳；光敏电阻对比法电子回路完成***简便，对太阳能的运用率***大。
基于此，选用控制精确度高和电子回路易于完成的光敏电阻光强对比法作为本研究系统的检验测试方案。光敏探测头(传感器)是太阳能电池板跟踪系统的光信号接收器，它是运用光敏电阻在光照时阻值发生改变的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放放置于一块电池板东西方向边沿处的下方(光与电池板垂直时，一半可接收光，一半在下边)。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。控制感知度的高低直接影响跟踪精确度，光敏电阻光强对比法的优点在于控制精确，电子回路设计对比容易完成。经过实验研究，选用重量轻、美观、耐腐蚀的铝制材料，光电接收管经过严格的计算、定位，以保证其检验测试感知度。
图3所示是太阳光电定位装置中光电检验测试电子回路的俯视图，共由9个光电三极管构成。正中央1个，旁边8个围成一圈。将此检验测试板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径略大于检验测试板的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检验测试用的光电二极管直径相同的洞，以便光线经过。将整个光电检验测试装置装配在太阳能光电池板上，光电二极管的检验测试面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方(保证会受到光线的照射)也装配一个光电二极管，其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同，用来检验测试环境亮度，并与圆柱体内的每个光电二级管及运放(可用lm324包括电子回路中的一个)包括一个对比电子回路。这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时，运放将输出低电平，此电平可接到的输人端实行检验测试，圆柱体内的每个光电二级管各用一个plc的写入端，共9个。这样就可以检验测试太阳光线的朝向，来决定哪个电机转动，向哪个方向转动。另外，为了增大光电二极管的检验测试界限，视实际现象需要，也可再多加一圈紧密排列的光电二极管，外圈的光电二极管与内圈的相应位置的光电二极管并联。
图3 光电检验测试排列
图4所示为信号处置整理单元电子回路，当太阳辐射强度多加时，光电电阻阻值减小，1k可变电阻的压降多加，从而产生与太阳光辐射强度有直接关系的电压（V）信号。两个传感器的输出信号与plc模仿写入端口连接，并对这两个模仿信号实行对比运算，从而输出正确的信号，以驱动太阳能电池板跟踪系统的电磁机构。
图4 信号处置整理单元
1.3光照度传感器
检验测试太阳能光谱界限，是一种专门测量光度、亮度的仪表器具仪表。就是测量光照强度（照度）是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比。照度计通常是由硒光电池或硅光电池和微安表构成。
图5 照度计传感器图
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显露 |
3-1/2位液晶显露及模仿条形码指示 |
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测量档位 |
20.00 Lux, 200.0 Lux, 2000 Lux, 20.00 Klux
20.00 fc, 200.0 fc, 2000 fc, 20.00 Kfc
(1 fc = 10.76 Lux) |
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过载显露 |
显露"OL" |
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分辨率 |
0.01 Lux (0.01fc) |
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准确度 |
±3%rdg ± 0.5% f.s (大于10KLux档准确度为 ±4%rdg ±10dgts, 以色温2856K标准平面灯校正 |
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光谱准确性 |
f 1 < 6% |
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温度（℃）特性 |
±0.1% 1℃ |
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取样率 |
数字显露每秒2.5次,模仿显露每秒13.3次 |
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感光体 |
硅制光二极管及泸光镜片 |
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记录组数 |
***多255组 |
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实操温湿度 |
0℃ ~ 40℃,80%R.H.以下 |
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储物温湿度 |
-10℃ ~ 50℃,70%R.H.以下 |
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电 源 |
6颗1.5V AAA电池 |
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电池寿命 |
连续使用约400小时 (碳锌电池) |
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光检验测试器引线长度 |
150cm |
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光检验测试器尺寸 |
150公分及92(长) × 60(宽) × 29mm(高) |
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电表尺寸 |
150(长) × 72(宽) × 35 mm (高) |
1.4光伏模型块
光伏模型块应用三菱光伏智能功率（W）模型块pv-ipm(pm50b4la060)，其技术功能数值主要有峰值功率（W）pmax＝85w，***佳作业电压（V）17.5v，这些功能数值是在标准的试验条件下测量试验的(太阳光强度1000w/m3，太阳板温度（℃）25℃，空气重量1.5)。
1.5系统电源模型块
电源电子回路应用开关电源设计，设定有高效率、低损耗的特别点。应用开关控制芯片l4960，能提供5.1～40v的输出电压（V）和2.5A的输出电流（A）。电源电子回路如图5所示，经过调节两个电阻r3和r4，以产生12-24v直线DC电压（V），24v(dc)用来plc电源，44v(dc)直接取自整流桥侧供给直线DC电机。如果用来光伏逆变系统的跟踪系统，220v(ac)可以直接取自光伏逆变电源。
图5 开关电源设计
二、MY-JZG太阳能基站光照跟随PLC控制实验模型光伏系统系统设计
并网光伏发电系统控制系统应用模型块化设计，含有概括plc控制和监控程序、pc监控和数值处置整理程序两个主要部分。
2.1 plc控制和监控程序
plc控制语句是整个太阳能电池板跟踪系统的重要构成部分，系统编程应用欧姆龙公司的cx-programmer 7.1，cx-p梯形图编程支持系统为使用者提供了从实操界面到程序注释的全中文实操环境，支持windows的拖拉及粘贴实操，以及完备的检索功能和常用标准位简易写入功能，为使用者创造了一个高效的编程实操环境。经过计算机数值的rs-232c口与plc的rs-232c口连接，对plc实行数值就地实时监控、修改和在线编辑等，便利地把程序传递到plc中或从plc中读出数值。plc主要完成如下作业：
(1) 控制跟踪系统的动作，控制逻辑如图6所示。
图6 控制过程的逻辑顺序
(2) 此子程序是将plc写入与输出状态复制到内部存储的特定位置，称为标记区域，pc监控程序能随时直接从内部存储区域读取写入和输出状态。
(3) 采样数值存储。这是一个在线收集存储过程，经过ram数值存储内部的特殊矩阵，每一小时读取光敏电阻的值。数值收集白天实行，晚上停止，直到第二天日出。收集的时间(小时和分钟)存储在不一样的矩阵，然后在pc机的屏幕上显露出来。当ram内部存储满时，将不再存储数值，直到复位实操将存储数值清除。这部分程序应用顺序功能图表(sequential functioning chart，sfc)实行编程，算法如图7所示。
图7 存储过程顺序功能图
2.2 pc监控和数值处置整理程序
应用面向对象的高级编程语言visual basic 6.0完成以下功能：
(1) 自动检验测试pc机rs232串行口和plc端口的连接状态。
(2) 系统监控。决定光伏模型块的实际位置和动作方向，显露光敏电阻的读数，以及内部存储溢出标记。
(3) 模型块的强制性前向和反向动作。经过程序界面，发出指令控制plc实操。如果出现系统位置异常，可强迫太阳板按照实操要求恢复初始位置。
(4) 显露系统设定。显露存储在plc内部存储中的太阳跟踪系统的设定，如前向和反向动作极限，光线暗度极限，前向和反向停止极限，以及对这些功能数值设定可直接实行修改。
4 结束语
本研究基于欧姆龙plc，应用光敏电阻对比法，组建了自动跟踪系统模型，使太阳能电池板自动保持与太阳光垂直。太阳能电池板自动跟踪太阳光并网发电系统的研究，有效地提升了太阳能的运用率和光伏发电系统的效率，多加了全年的发电功率（W）输出，从整体上降低了光伏并网发电的成本，符合组建环保型和节能型社会发展的要求，设定有很高的经济效益，并能产生良好的社会影响，设定有课程理论研究意义和应用推广前景。基于plc的太阳能电池板跟踪系统能用来单独的太阳能光伏发电，也能应用来串/并联的并网光伏发电系统的现场总线控制，设定有良好的应用前景。
常见问题：
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