YUY-PV26太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)訓模型|新能源教學(xué)設備

太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)訓臺|教學(xué)設備概述

太陽(yáng)能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢已成為當今國內外發(fā)展前景的新能源之一。光伏(pv)發(fā)電技術(shù)在國外已得到深入研究和推廣，我國在技術(shù)上也已基本成熟，并已進(jìn)入推廣應用階段。但太陽(yáng)能存在著(zhù)密度低、間歇性、光照方向和強度隨時(shí)間不斷變化的問(wèn)題，這就對太陽(yáng)能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽(yáng)能電池板陣列基本上都是固定的，不能充分利用太陽(yáng)能資源，發(fā)電效率低下。如果能始終保持太陽(yáng)能電池板和光照的垂直，使其zui大化地接收太陽(yáng)能，則能充分利用豐富的太陽(yáng)能資源。據實(shí)驗，在太陽(yáng)能發(fā)電中，相同條件下，采用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高35%左右。因此，設計開(kāi)發(fā)能自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光照的控制系統，是非常有價(jià)值的研究課題。
一種新型的可編程邏輯控制器plc(programmable logic controller)的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統，不僅能自動(dòng)根據太陽(yáng)光方向來(lái)調整太陽(yáng)能電池板的朝向，結構簡(jiǎn)單、而且在跟蹤過(guò)程中能自動(dòng)記憶和更正不同時(shí)間的坐標位置，不必人工干預，特別適合天氣變化比較復雜和無(wú)人值守的情況，有效地提高了太陽(yáng)能的利用率，有較好的推廣應用價(jià)值和市場(chǎng)應用前景。
一、太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)訓臺|教學(xué)設備自動(dòng)跟蹤系統的組成及工作原理
太陽(yáng)能光照自動(dòng)跟蹤控制系統由plc主控單元、光照度傳感器、方位傳感器和信號處理單元、光伏模塊、電磁機械運動(dòng)控制模塊和電源模塊組成。系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

太陽(yáng)能光伏發(fā)電設備自動(dòng)跟蹤系統的光敏探測頭(傳感器)是用來(lái)檢測太陽(yáng)光強的。當有偏差發(fā)生時(shí)，偏差信號經(jīng)過(guò)跟蹤plc主控單元(控制器)，采用模擬差壓比較原理，進(jìn)行運算、比較、發(fā)出指令，使電動(dòng)執行器動(dòng)作，驅動(dòng)機械部分轉動(dòng)推動(dòng)整個(gè)裝置旋轉，調整偏差，保證太陽(yáng)能電池方陣正對太陽(yáng)光，達到自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的目的。太陽(yáng)能電池方陣在陽(yáng)光的照射下光伏發(fā)電，通過(guò)控制器向蓄電池充電。系統配有自動(dòng)保護線(xiàn)路，當風(fēng)力達到8級時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，切斷跟蹤太陽(yáng)系統，使電池方陣快速收平，在風(fēng)力降下來(lái)時(shí)延時(shí)10分鐘，解除防風(fēng)系統，恢復跟蹤過(guò)程。固定光強、跟蹤光強、電瓶溫度和自然風(fēng)速等由微機進(jìn)行數據采集，并對蓄電池充電和放電進(jìn)行分級控制。
系統有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，sb1和sb2為控制按鈕，用于手動(dòng)操作，plc輸出的q0或q1分別連接到兩個(gè)繼電器線(xiàn)圈，以控制太陽(yáng)板的正反兩個(gè)運動(dòng)方向。在自動(dòng)運行模式下，plc首先比較來(lái)自信號處理單元的兩個(gè)模擬輸入的值，然后決定輸出q0或者q1。
1.1可編程邏輯控制器plc單元
跟蹤控制器采用可編程邏輯控制器plc，它是太陽(yáng)能電池板跟蹤系統的控制核心，是系統研究工作的重點(diǎn)。系統采用歐姆龍(omron)公司近年推出的α系列plc，該機型為介于大型機與小型機之間的中小型機，大控制i/o點(diǎn)數為1184點(diǎn)。在應用中，中央處理器單元(cpu)采用c200hx-cpu43-e，它自帶一個(gè)編程口和一個(gè)rs232c口，該cpu具有豐富的指令功能，編程方便；開(kāi)關(guān)量輸入模塊選用c200h-id212；開(kāi)關(guān)量輸出模塊選用c200h-oc225；與上位機的通訊，通過(guò)在cpu中插入通訊板c200hw-com06-e(該板具有一個(gè)rs232c和一個(gè)rs-422/485)實(shí)現遠程通訊，由于采用了rs-422接口，采取平衡式發(fā)送，因此數據傳輸率高，而且串擾小，傳輸距離可達500m。特別對串并聯(lián)的并網(wǎng)光伏太陽(yáng)能電池陣列的跟蹤系統控制，能發(fā)揮plc現場(chǎng)總線(xiàn)控制的優(yōu)勢，進(jìn)行集中控制。經(jīng)過(guò)研究和優(yōu)化設計，應用集成標準線(xiàn)路，采用模擬差壓比較原理，控制器具有跟蹤精度高、范圍寬、自動(dòng)返回功能。限位裝置具有東、西、上、下四個(gè)方位的極限限位功能。采用雙重限位控制結構，即控制信號限位和驅動(dòng)電機限位，保證了設備可靠地工作。圖2所示為plc輸入/輸出硬件配置圖。

圖2 plc輸入輸出硬件配置圖

1.2傳感器檢測和信號處理單元
太陽(yáng)的方位隨著(zhù)觀(guān)測位置和觀(guān)測時(shí)間的不同而不同，因此，欲跟蹤太陽(yáng)就必須先對太陽(yáng)進(jìn)行檢測定位。檢測太陽(yáng)光光強的方法有定時(shí)法、坐標法、太陽(yáng)能電池板光強比較法和光敏電阻光強比較法。對這4種控制方法進(jìn)行了對比篩選后認為：定時(shí)法電路雖然簡(jiǎn)單，但由于季節的影響，系統的控制精度較差；坐標法控制精度較高，但控制電路復雜；光強比較法使系統的太陽(yáng)能利用率不能達到佳；光敏電阻比較法電路實(shí)現簡(jiǎn)單，對太陽(yáng)能的利用率大。
基于此，選擇控制精度高和電路易于實(shí)現的光敏電阻光強比較法作為本研究系統的檢測方案。光敏探測頭(傳感器)是太陽(yáng)能電池板跟蹤系統的光信號接收器，它是利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)*相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方(光與電池板垂直時(shí)，一半可接收光，一半在下邊)。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光照強度相同，所以它們的阻值*相等，此時(shí)電動(dòng)機不轉動(dòng)。當太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強多的光敏電阻阻值減小，驅動(dòng)電動(dòng)機轉動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強度相同?？刂旗`敏度的高低直接影響跟蹤精度，光敏電阻光強比較法的優(yōu)點(diǎn)在于控制精確，電路設計比較容易實(shí)現。經(jīng)過(guò)實(shí)驗研究，選用質(zhì)量輕、美觀(guān)、耐腐蝕的鋁合金材料，光電接收管經(jīng)過(guò)嚴格的計算、定位，以保證其檢測靈敏度。
圖3所示是太陽(yáng)光電定位裝置中光電檢測電路的俯視圖，共由9個(gè)光電三極管組成。正中央1個(gè)，旁邊8個(gè)圍成一圈。將此檢測板用一不透光的下方開(kāi)口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑略大于檢測板的外圓。圓柱體的上方中央開(kāi)一個(gè)與檢測用的光電二極管直徑相同的洞，以便光線(xiàn)通過(guò)。將整個(gè)光電檢測裝置安裝在太陽(yáng)能光電池板上，光電二極管的檢測面與電池板平行。在圓柱體的外面不受圓柱體遮擋的地方(確保會(huì )受到光線(xiàn)的照射)也安裝一個(gè)光電二極管，其朝向與圓柱體內的光電二極管朝向相同，用于檢測環(huán)境亮度，并與圓柱體內的每個(gè)光電二級管及運放(可用lm324集成電路中的一個(gè))構成一個(gè)比較電路。這樣當圓柱體內的光電二極管沒(méi)有受光線(xiàn)照射時(shí)，運放將輸出低電平，此電平可接到的輸人端進(jìn)行檢測，圓柱體內的每個(gè)光電二級管各用一個(gè)plc的輸入端，共9個(gè)。這樣就可以檢測太陽(yáng)光線(xiàn)的朝向，來(lái)決定哪個(gè)電機轉動(dòng)，向哪個(gè)方向轉動(dòng)。另外，為了增大光電二極管的檢測范圍，視實(shí)際情況需要，也可再增加一圈緊密排列的光電二極管，外圈的光電二極管與內圈的相應位置的光電二極管并聯(lián)。

圖3 光電檢測排列

圖4所示為信號處理單元電路，當太陽(yáng)輻射強度增加時(shí)，光電電阻阻值減小，1k可變電阻的壓降增加，從而產(chǎn)生與太陽(yáng)光輻射強度有直接關(guān)系的電壓信號。兩個(gè)傳感器的輸出信號與plc模擬輸入端口連接，并對這兩個(gè)模擬信號進(jìn)行比較運算，從而輸出正確的信號，以驅動(dòng)太陽(yáng)能電池板跟蹤系統的電磁機構。

圖4 信號處理單元

1.3光照度傳感器
檢測太陽(yáng)能光譜范圍，是一種專(zhuān)門(mén)測量光度、亮度的儀器儀表。就是測量光照強度（照度）是物體被照明的程度，也即物體表面所得到的光通量與被照面積之比。照度計通常是由硒光電池或硅光電池和微安表組成。

圖5 照度計傳感器圖

圖5 照度計傳感器圖

1.4光伏模塊
光伏模塊采用三菱光伏智能功率模塊pv-ipm(pm50b4la060)，其技術(shù)參數主要有峰值功率pmax＝85w，***佳工作電壓17.5v，這些參數是在標準的試驗條件下測試的(太陽(yáng)光強度1000w/m3，太陽(yáng)板溫度25℃，空氣質(zhì)量1.5)。
1.5系統電源模塊
電源電路采用開(kāi)關(guān)電源設計，具有高效率、低損耗的特點(diǎn)。采用開(kāi)關(guān)控制芯片l4960，能提供5.1～40v的輸出電壓和2.5A的輸出電流。電源電路如圖5所示，通過(guò)調整兩個(gè)電阻r3和r4，以產(chǎn)生12-24v直流電壓，24v(dc)用于plc電源，44v(dc)直接取自整流橋側供給直流電機。如果用于光伏逆變系統的跟蹤系統，220v(ac)可以直接取自光伏逆變電源。

圖5 開(kāi)關(guān)電源設計

二、YUY-PV26太陽(yáng)能基站光照跟隨PLC控制實(shí)訓模型|新能源教學(xué)設備光伏系統軟件設計
并網(wǎng)光伏發(fā)電系統控制軟件采用模塊化設計，包括plc控制和監控程序、pc監控和數據處理程序兩個(gè)主要部分。
2.1 plc控制和監控程序
plc控制語(yǔ)句是整個(gè)太陽(yáng)能電池板跟蹤系統的重要組成部分，軟件編程采用歐姆龍公司的cx-programmer 7.1，cx-p梯形圖編程支持軟件為使用者提供了從操作界面到程序注釋的全中文操作環(huán)境，支持windows的拖拉及粘貼操作，以及完備的檢索功能和常用標準位簡(jiǎn)易輸入功能，為使用者創(chuàng )造了一個(gè)高效的編程操作環(huán)境。通過(guò)計算機的rs-232c口與plc的rs-232c口連接，對plc進(jìn)行數據實(shí)時(shí)監控、修改和在線(xiàn)編輯等，方便地把程序傳遞到plc中或從plc中讀出數據。plc主要完成如下工作：
(1) 控制跟蹤系統的運動(dòng)，控制邏輯如圖6所示。

圖6 控制過(guò)程的邏輯順序

(2)此子程序是將plc輸入與輸出狀態(tài)復制到內存的特定位置，稱(chēng)為標記區域，pc監控程序能隨時(shí)直接從內存區域讀取輸入和輸出狀態(tài)。
(3)采樣數據存儲。這是一個(gè)在線(xiàn)采集存儲過(guò)程，通過(guò)ram數據存儲內部的特殊矩陣，每一小時(shí)讀取光敏電阻的值。數據采集白天進(jìn)行，晚上停止，直到第二天日出。采集的時(shí)間(小時(shí)和分鐘)存儲在不同的矩陣，然后在pc機的屏幕上顯示出來(lái)。當ram內存滿(mǎn)時(shí)，將不再存儲數據，直到復位操作將存儲數據清除。這部分程序采用順序功能圖表(sequential functioning chart，sfc)進(jìn)行編程，算法如圖7所示。

圖7 存儲過(guò)程順序功能圖

2.2 pc監控和數據處理程序
采用面向對象的高級編程語(yǔ)言visual basic 6.0實(shí)現以下功能：
(1) 自動(dòng)檢測pc機rs232串口和plc端口的連接狀態(tài)。
(2) 系統監控。決定光伏模塊的實(shí)際位置和運動(dòng)方向，顯示光敏電阻的讀數，以及內存溢出標記。
(3) 模塊的強制性前向和反向運動(dòng)。通過(guò)程序界面，發(fā)出指令控制plc操作。如果出現系統位置異常，可強迫太陽(yáng)板按照操作要求恢復初始位置。
(4) 顯示系統設置。顯示存儲在plc內存中的太陽(yáng)跟蹤系統的設置，如前向和反向運動(dòng)極限，光線(xiàn)暗度極限，前向和反向停止極限，以及對這些參數設置可直接進(jìn)行修改。
4 結束語(yǔ)
本研究基于歐姆龍plc，采用光敏電阻比較法，構建了自動(dòng)跟蹤系統模型，使太陽(yáng)能電池板自動(dòng)保持與太陽(yáng)光垂直。太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光并網(wǎng)發(fā)電系統的研究，有效地提高了太陽(yáng)能的利用率和光伏發(fā)電系統的效率，增加了全年的發(fā)電功率輸出，從整體上降低了光伏并網(wǎng)發(fā)電的成本，符合構建環(huán)保型和節能型社會(huì )發(fā)展的要求，具有很高的經(jīng)濟效益，并能產(chǎn)生良好的社會(huì )影響，具有理論研究意義和應用推廣前景?；趐lc的太陽(yáng)能電池板跟蹤系統能用于獨立的太陽(yáng)能光伏發(fā)電，也能應用于串/并聯(lián)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統的現場(chǎng)總線(xiàn)控制，具有良好的應用前景。

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