（华北水利水电大学 河南郑州 450045）
摘要：本设计通过基于plc的太阳能电池板自动跟踪系统研究，主要进行了控制系统的硬件和软件的设计。该系统可以通过自动/手动两种模式进行跟踪，其中自动跟踪模式可自动根据天气状况选择光电跟踪、太阳运动轨迹跟踪，使转换效率最大化。该系统有效地提高了跟踪精度及光伏发电系统的效率,具有理论研究意义和应用推广价值。
关键词：plc；光伏发电；光电跟踪；太阳运动轨迹跟踪；双轴跟踪
1引言
近年来光伏发电技术在国内外已得到深人研究和推广,然而太阳能存在波动性。若电池板能自动跟踪太阳，使太阳光基本垂直入射到太阳能板上，使其最大化地接收太阳能，提高光伏发电效率。因此,如何使太阳能电池板进行追日自动跟踪是非常有价值的研究课题。
2自动跟踪方案的系统分析
2.1跟踪系统的结构分析
本系统由光伏发电组件，双轴追日支架，控制系统等组成。光伏发电组件采用4块单晶硅太阳能电池板组成。双轴追日支架为涡轮蜗杆结构，由直流减速电机驱动。系统的双轴追日支架的结构如图1所示。
2.2跟踪系统的关键技术分析
目前，追日系统常用的自动追踪技术分为光电追踪和太阳运动轨迹跟踪。光电跟踪利用太阳方位传感器检测，经转换电路后得到的模拟电压，得出偏差信号，运算后控制执行机构动作，调整电池板的位置使其重新对准太阳光线。
太阳运动轨迹跟踪：根据太阳与地球的运动规律计算一天之中任意时刻太阳的位置角度，由PLC控制程序来使跟踪装置定时偏转实现对准太阳完成跟踪。
2.3跟踪系统的控制模式
（1）晴天跟踪模式：由于晴朗天气太阳光线强烈且波动小，太阳方位检测传感器精度高，光电跟踪能够准确跟踪太阳，故直接进行光电跟踪；
（2）多云、雾霾天跟踪模式：该类天气光线强度波动较大，光电跟踪受天气影响大。太阳运动轨迹跟踪不受天气影响，每次开始运行前都必须找基准位置进行定位。因此，先用太阳运动轨迹跟踪，再利用光电跟踪进行精确跟踪。
（3）阴雨天跟踪模式：由于跟踪设备的运行也要耗电，阴雨天太阳光照少，电池板位置固定，采用相似日最大发电功率时段光伏组件所处位置。
通过以上模式可以实时的调节太阳能电池板的高度角和方位角，达到单位时间内，光线的最大接收率的目标。
3自动跟踪控制硬件系统
3.1硬件方案设计
在本设计中光伏发电跟踪系统包括电池板、信号采集模块、信号处理模块、PLC控制系统、电源模块和驱动电路等，硬件组成框图如图2所示。
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图1系统结构图
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图2系统的组成框图
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图3跟踪系统软件总体流程图
3.2硬件选择
在本设计中，控制系统采用PLC为西门子生产的控制器S7-200系列，具有稳定性好，负载驱动能力大，可同时控制多个太阳能电池板，而且易进行系统升级，体积比较小，节省控制柜空间。
光强传感器采用晶体硅光敏器件实现，用来检测光照强度，以判断天气状况。太阳方位检测传感器用光电二极管探测器检测太阳的方位变化。
伺服驱动器及电机选择台达ASD-A2-0221-L伺服驱动器与太阳能电池板之间会采用丝杆进行传动。该伺服驱动器具有分辨率高，响应速度快的特点。
风速传感器采用FY-FS风速传感器检测风速，该传感器将风速信号转换成模拟量电压，经A/D转换，送给PLC。风杯选用碳纤维材料，强度高。
4自动跟踪控制软件系统
本程序设计采用了主程序、子程序的结构，在主程序中主要完成程序的初始化、跟踪模式选择及调用子程序。系统的子程序包含保护、手动子、自动跟踪子程序。保护子程序用来进行限位保护；手动子程序可手动控制电池板的方位角和高度角；自动跟踪子程序中嵌套光电跟踪、太阳运动轨迹跟踪子程序。
4.1软件系统的主程序
主程序主要任务是完成保护子程序、程序的初始化以及跟踪模式的选择。自动跟踪系统主程序开始首先运行保护子程序，进行风速保护或者限位保护。然后系统初始化，使系统组件以及参数都恢复初始化，控制电池板回基准位置，排除不必要的系统运行障碍。
4.2软件系统的子程序
系统开始时首先执行保护子程序，检测风速、电池板的位置，如果检测到风速太大或者电池板压挤压到限位开关位置，则运行保护子程序。然后判断是否按下触摸屏启动按钮，若按下手动跟踪模式的启动按钮，系统将处于手动控制太阳板的子程序，相反将运行在自动运行模式下。
自动运行模式下系统读取系统实时时钟，如果判断当前时刻为夜晚，控制追日支架回到基准位置。如果当前时刻为白天，则采集光照强度，如果光照较强，说明天气晴朗采用光电追踪进行追踪。进入光电跟踪程序后，首先读取S7-200PLC上接入的四个光线传感器信号，哪个方向有光线信号，则说明光伏组件应该向该方向偏转，如果四个方向都有信号输入，则说明跟踪到位。系统一次跟踪完成后，程序延时2分钟后，返回主程序，如果系统还是为自动跟踪模式，则再进行下一次跟踪，反之电池板保持该位置不变。如果采集数据表明光照强度为中，表明为多云或雾霾等天气类型，则采用光电追踪和太阳运动轨迹两级跟踪方式；当光照强度较弱时表明为阴雨天，采用相似日最大发电功率时电池板所处位置。跟踪系统软件总体流程图如图3所示。
5结束语
本文对基于PLC的太阳能电池板追日系统进行了硬件和软件设计，通过高度角-方位角式双轴跟踪机构实现跟踪。在太阳能电池板上的传感器，采集太阳照射角信息，传入控制器对数据进行分析，控制电机转动，达到控制电池板的方向，提高了太阳能的利用率，在光伏发电系统中具有重要的现实应用意义及前景。
参考文献
[1]冯静，张龙，刘先立.四象限太阳跟踪传感器的设计[J].新能源与新材料，2010.04:12-15
[2]陈建彬,沈惠平,丁磊,危凤江.太阳能光伏发电二轴跟踪机构的研究现状及发展趋势[J].机械设计与制造,2010,(08):7-11