范戰(zhàn)松(北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司市場拓展部技術(shù)支持組，技術(shù)支持工程師)

摘  要：為了更好的利用太陽能，自動跟蹤系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用于太陽能行業(yè)中。基于可編程邏輯控制器（PLC）的太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)，包括硬件和軟件兩部分，其中硬件包括PLC輸入輸出端口、信號處理單元、驅(qū)動部分；軟件包括PLC的控制和監(jiān)控程序兩部分。太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)使光伏電池板能實時跟蹤太陽關(guān)照，從而較大限度的獲得太陽能，有效地提高太陽能的利用率和光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，降低了光伏并網(wǎng)發(fā)電成本，具有理論研究意義和應(yīng)用推廣價值。

關(guān)鍵詞：LM PLC  太陽能自動跟蹤系統(tǒng)

1 引言

開發(fā)新能源和可再生資源是全世界面臨的共同課題，在新能源中，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展較快的技術(shù)。太陽能作為一種清潔無污染的能源，開發(fā)前景十分廣闊。然而由于太陽存在著間隙性，光照強(qiáng)度隨著時間不斷變化等問題，這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。據(jù)測試，在太陽能電池板陣列中，相同條件下采用自動跟蹤系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%左右。

所謂太陽能跟蹤系統(tǒng)是能讓太陽能電池板隨時正對太陽，讓太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置，能顯著提高太陽能光伏組件的發(fā)電效率。目前市場上所使用的跟蹤系統(tǒng)按照驅(qū)動裝置分為單軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)和雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。所謂單軸是指僅可以水平方向跟蹤太陽，在高度上根據(jù)地理和季節(jié)的變化人為的進(jìn)行調(diào)節(jié)固定，這樣不僅增加了工作量，而且跟蹤精度也不夠高。雙軸跟蹤可以在水平方位和高度兩個方向跟蹤太陽軌跡，顯然雙軸跟蹤優(yōu)于單軸跟蹤。

從控制手段上系統(tǒng)可分為傳感器跟蹤和視日運動軌跡跟蹤（程序跟蹤）。傳感器跟蹤是利用光電傳感器檢測太陽光線是否偏離電池板法線，當(dāng)太陽光線偏離電池板法線時，傳感器發(fā)出偏差信號，經(jīng)放大運算后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使跟蹤裝置從新對準(zhǔn)太陽。這種跟蹤裝置，靈敏度高，但是遇到長時間烏云遮日則會影響運行。視日運動軌跡跟蹤，是根據(jù)太陽的實際運行軌跡，按照預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤裝置。這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r跟蹤，其精度不是很高，但是符合運行情況，應(yīng)用較廣泛。

從主控單元類型上可以分為PLC控制和單片機(jī)控制。單片機(jī)控制程序在出廠時由專業(yè)人員編寫開發(fā)，一般設(shè)備廠家不易再次進(jìn)行開發(fā)和參數(shù)設(shè)定。而學(xué)習(xí)使用PLC比較容易，通過PLC廠家技術(shù)人員的培訓(xùn)，設(shè)備使用廠家的技術(shù)人員可以很方便的學(xué)會簡單的調(diào)試和編寫，并且PLC能夠提供多種通訊接口，通訊組網(wǎng)也比較方便簡單。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)是以PLC主控單元的視日運動軌跡控制（程序控制）雙軸自動跟蹤系統(tǒng)，視日運動軌跡跟蹤就是利用PLC控制單元相應(yīng)的公式和算法，計算出太陽的實時位置：太陽方位角和太陽高度角，然后發(fā)出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而驅(qū)動太陽能跟蹤裝，以達(dá)到對太陽實時跟蹤的目的。

2-1  方位角高度角示意圖：α-高度角  β-方位角

太陽在天空中的位置可以由太陽高度角和太陽方位角來確定。太陽高度角又稱太陽高度、太陽俯仰角，是指太陽光線與地表水平面得之間的夾角。太陽方位角即太陽所在的方位，是指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇�的夾角，可以近似看作是樹立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方向的夾角。太陽方位角和高度角的實時數(shù)值可以通過地理經(jīng)緯度、時區(qū)參數(shù)利用公式計算出來。

主控單元是太陽能跟蹤系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)選用結(jié)構(gòu)緊湊。配置靈活、指令豐富的和利時LM PLC。選用的配置包括LM 3108CPU模塊和LM 3310擴(kuò)展模塊。LM3108集成為數(shù)字量24DI和16DO，能滿足要求，通訊集成有RS232和RS485兩個通訊接口，RS232用于與上位文本顯示器通訊，RS485可用于組網(wǎng)使用。LM 3310為四通AI模塊，可用于采集風(fēng)速等保護(hù)數(shù)據(jù)。配合和利時HD2400L文本顯示器使用，能夠監(jiān)視運行狀態(tài)、改變參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到控制目的。

2-2 系統(tǒng)控制元件選型

表2-1系統(tǒng)信號表