光伏充电桩自动跟踪系统

陈超超++朱珠

文章编号：2095-6835（2017）10-0036-03

摘 要：随着化石能源的不断开采，减少和取代不可再生能源的使用，大力推广太阳能符合当今节能环保的大环境。在太阳能充电桩的应用基础上，设计了一款基于工业计算的双轴太阳能跟踪系统，从而提高光伏充电桩中的太阳能利用率。通过光伏充电桩上的太阳能电池板对太阳的同步追踪，研究确定太阳运行轨迹跟踪方式与光电跟踪方式的混合跟踪方案，最大限度地提高了太阳能利用率，并实现了对太阳阴晴状况的判断及太阳方位精确追踪。系统主要包括太阳能跟踪控制系统传感器、跟踪系统结构、确定太阳位置的算法、PLC可编程控制器软硬件功能实现等。

关键词：光伏充电桩；PLC；光电追踪；太阳能利用率

中图分类号：TM615 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.041

1 太阳能跟踪系统的结构及方案设计

1.1 双轴跟踪结构

所谓“双轴跟踪机构”，就是能够在东西南北4个方向同时跟踪太阳能，使太阳能电池板能够实时与太阳保持垂直关系，以期获得最大太阳能转化效率。本文主要采用高度角与方位角式双轴跟踪方法。

高度角与方位角跟踪方法是在天球坐标系下建立的，跟踪机构有1个方位轴、1个高度轴。太阳能电池板绕方位轴跟踪太阳方位角的变化，绕高度轴跟踪太阳高度角的变化，在太阳辐射强烈的地区可以提高30%的发电效率。这种跟踪装置的机械结构设计相对简单，而且跟踪精度相对较高。执行机构的下部的电机为方位角电机，控制方位角上的角度跟踪，上部电机为高度角电机，控制高度角上的角度变化。

1.2 光电追踪设计

光电追踪主要采用光电传感器或探测器等确定太阳位置，将得到数据返回到控制系统中，经过数据处理后进而控制太阳能电池板的朝向，主要使用角度传感器等器件，属于闭环控制系统。这种闭环系统结构简单，具有高精度、高灵敏度等优点，易受天气影响。如果遇到阴雨天气或雾天，则光电传感器失灵，整个追踪系统就无法正常工作。

1.3 视日运动轨迹追踪

太阳运动轨迹追踪主要是根据天文和地理学等对天体运动进行研究，使用控制装置处理器，实时计算出当前时间和地区的太阳位置，进而调整太阳能电池板的朝向，使其与太阳垂直。从自动控制原理的角度看，其属于开环控制系统。本方法称为视日运动轨迹追踪方法，不受天气影响，可以全天实时追踪，稳定性和连续性均有保证。但本方案为开环控制，易造成误差积累。

1.4 混合控制方案

针对开环控制和闭环控制的优缺点，综合两种方案，本文提出了混合控制方案，即采用光电传感器追踪和视日运动轨迹追踪方案混合控制。该系统先根据太阳运动算法（SPA）对太阳位置进行精确计算，得到实时太阳所处的高度角和方位角，通过处理器进行处理，进而控制太阳能电池板运动，尽可能使太阳能电池板与太阳垂直，这个过程称为粗调；利用光电传感器确定太阳与太阳能电池板的相对位置，根据反馈得出运动轨迹追踪误差，并进行相应调整，这个过程称为微调，基本可以保证太阳能电池板与太阳垂直，获得最大转化效率；设置定时器装置，每分钟执行一次上述方案，1 min即为追踪周期。

2 硬件系统总体结构

太阳跟踪系统主要包含3个模块，分别为跟踪控制模块、步进电机模块、传感器检测模块。传感器检测模块主要用于自动跟踪系统的信息采集，它由信号处理电路和传感器组成。跟踪控制模块包括工业计算机、电源模块、串口模块、A/D转换电路，步进电机模块由步进电机及其驱动模块PLC组成。

3 太阳跟踪控制器的设计

3.1 可编程逻辑控制器（PLC）

PLC向步进电机发出控制指令，使其可以控制太阳能电池板转向正对太阳的角度。计算机仅具备追踪程序，不具备直接向步进电机发送模拟信号的接口，因此，选用可编程逻辑控制器作为中间接口设备。

PLC加入编程逻辑后，可实现非常复杂和精确的控制功能，其I/O接口丰富，支持模拟和数字信号的输入输出，平均无故障工作时间可达数万小时以上，可靠性强。本系统中PLC通过以太网与Tracker连接在同一网络中，实现集中管理。Tracker通过Modbus/TCP通信协议同时控制多个PLC，而一个PLC对应控制一个太阳能电池板阵列，可以实现分散管理，依靠其脉冲输出控制光伏阵列对应的2台步进电机。

3.2 步进电机

步进电机是将电脉冲信号轉换为线位移或角位移的开环控制原件，电机的转速由输入脉冲的频率决定，位移量由输入脉冲的数量决定，其不受负载变化的影响，步进电机每收到1个信号就会按照预设方向移动1个固定角度。在实际应用时，可以通过控制脉冲频率控制电机的速度和加速度，同时，可以通过控制脉冲数量来控制电机的位移量。步进电机作为执行元件，广泛用于自动控制系统。

在追踪控制系统中，控制系统经过计算后，可确定步进电机需移动的步进值，并通过控制命令传递给PLC进行中间转换，再将脉冲信号发送给步进电机，进而控制太阳能电池板旋转，可以实现精准定位，不会产生误差积累。

3.3 四象限光电探测器工作原理

光强检测装置由4路数字光强传感器模块组成，4路GY-30光强传感器模块分别位于光强检测装置XY水平面的象限点上。水平面分为东、南、西、北4个方向，将平面遮光挡板分别沿一三、二四象限的角平分线设置，同时，用圆形遮光挡板将4路传感器包围在其内部，可以减少光线对相邻传感器的干扰。

光强传感器模块将采集到的光强信息分别送入控制系统中进行处理，受到外界环境影响，入射光在探测器表面上的光斑大小和能量分布会有一定的误差，因此，本系统选择了经过优化的探测算法，以减少系统误差。

4 视日运动轨迹追踪控制子系统

对于对太阳的追踪，该算法可以根据地理位置和时间等参数计算出任意地点和时间的太阳位置。为了更高效地利用太阳能，要求该算法有比较高的精确度，因此，需要使用可靠的坐标系统。在地球上，可以用经纬度坐标来表示任何一个位于地球表面的地点，这里引入天文学中的地平坐标系，可以使用高度角和方位角来指示天体相对于地球上某观测点的位置。地平坐标系以地平圈为基准，用高度角α（0°<α<90°）和方位γ（-180°<γ<180°）确定太阳位置，其中，高度角α为太阳直射光线与地平面的夹角，方位角γ为太阳直射光线在地平面上的投影线与正南方向的夹角，向西（顺时针方向）为正，向东（逆时针方向）为负。本系统通过控制双轴跟踪机构的2个旋转轴的角度来实现对方位角γ和高度角α的跟踪。

太阳高度角α方位角γ之间的函数关系为：

Sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω.（1）

（2）

式（1）（2）中：φ为测点纬度；δ为太阳赤纬角；ω为时角。

一年内第n天的太阳赤纬角δ为：

（3）

时角ω为：

ω=（12-Tz）×15°. （4）

式（4）中：TZ为被测地点的真太阳时。

5 四象限光电探测器定位子系统

5.1 工作原理

太阳光通过附属光学装置的圆孔透射到四象限探测器上，形成光斑。为了理论分析简便，假设光斑呈正圆形且光斑的能量分布均匀，当光斑位于四象限探測器的中心时，光斑在4个象限中分布相同，即都为1/4圆，进而经过光电感应后，各个象限会输出大小相等的感应电流。

当光斑相对中心位置产生偏移时，各个象限中光斑的大小不同，接收到的光辐射能量也不同，就会输出不同大小的感应电流，之后通过算法对4个不同大小的电流值进行处理，可以推导出光斑相对四象限探测器中心的偏移量，从而完成光电探测与定位操作。

5.2 控制系统软件设计

当太阳光照射到装置上时，先由4个光电池进行太阳光的粗跟踪，光电池4个输入电压的差值进入PLC，输出信号驱动电机进行太阳高度角和方位角的调整，确定太阳的方向。太阳光将照射在四象限光电探测器上，在光电池的粗定位电路输出在一定范围内后，探测器输出的4路微弱电流信号进行放大、滤波、数据采集后进行处理，由PLC带动步进电机运转进行装置的精确定位。

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〔编辑：张思楠〕