PLC在光伏发电追光系统中的应用分析

梁维

摘要：太阳能是一种清洁能源，且分布范围十分广泛，这些年来逐渐受到人们的重视。目前太阳能的利用方式主要是进行光伏发电，如何提高太阳能的利用效率以及光伏阵列的发电量，成为了行业内的关注焦点。由于太阳能板与光线照入的角度会影响光伏阵列的发电量，因此为了提高对太阳能的利用效率，本文基于PLC控制系统对光伏发电追光系统进行设计，以期能为我国光伏发电行业的未来发展提供参考。

0引言

太阳能是一种可再生的清洁能源，在发电时光伏电池阵列与太阳入射角度有着一定的关系，当太阳光线俯仰于光伏阵列时，所产生的电量是最大的。因此本文将PLC控制系统应用到光伏发电追光系统之中，使得光伏电池板可以根据太阳光线的移动轨迹进行追踪，从而提高光伏阵列的整体发电量，并提升对太阳能的利用效率。

1系统总体设计方案

本文所设计的追光系统主要包括硬件与软件两个部分，硬件部分包括PLC控制电路、光线检测电路以及追踪电路；软件方面主要是PLC的控制程序。追光系统的工作原理：光敏传感器会对太阳光线的方位进行检测，并将获取到的数据输送至PLC控制系统，系统会按照事先编辑好的运行逻辑，对数据进行运算，计算结束后将控制信号输送至继电器，进而实现对直流电机的控制，电机转动会带动光伏电池板进行移动，从而达到追光的效果。系统总体设计框架图如图1所示。

图1系统总体设计框架图

2系统硬件与软件设计

2.1光线检测设计

该部分的设计主要包含光敏传感器模块和比较电路两个部分。光敏传感器模块主要采用光敏电阻对光线的强度进行比较，因此本文使用四个光敏传感器，并使用挡光板将光伏电池板分割成四个部分，在每个部分的中间位置安装传感器模块，以便获得更加准确的光敏数据信息，如图2所示。

图2 光敏传感器安装位置

为了更加方便的对光伏电池板进行移动，本文将光伏电池板分为左右两个区域，每个区域有两块电池板，只有该区域的两块光伏电池板中的光伏传感器同时接收到相同强度的光线时，就表明太阳光是俯仰照射在光伏电池板上的。如果光线没有俯仰照射在光伏电池板上，控制系统会对接收到的光线强度进行比较，将会控制电机转动电池板，并使其向光线强度较高的方向转动。太阳光直射在光伏电池板上其中一个传感器上，该传感器的阻值会变小，如果与之相连的传感器并没有感受到阳光的照射，该传感器的阻值并不会发生变化。这时与之相连接的电路电压就会出现不同，控制器会对两个传感器的电压数值进行比较，并将处理后的结果输出给电机，并控制光伏电板向阻值较低的一侧偏转。由于光伏电板左右两侧传感器的运行原理相同，控制器会分别控制两块光伏电板的转动角度，并使其保持与阳光俯仰状态。

2.2PLC控制系统硬件设置

PLC控制系统是可以进行逻辑编程的控制器，也是本文追光系统的核心部件。本文采用西门子公司所生产的S7-300系列PLC控制器，该控制器具有结构紧凑、配置灵活以及指令密集的优点。PLC控制系统硬件包括：输入与输出设备、按键启动按钮、指示灯、限位开关、微动限制开关、继电器、信号指示灯以及光伏电池板。PLC控制系统的外围接线如图2所示。

图2 PLC控制系统的外围接线图

2.3追踪执行机构设计

追踪执行机构主要包含直流电机和减速箱两个部分，主要安装在光伏板的正下方。电机转动可以控制光伏电板，东西水平运动和南北俯仰运动。为了保证光伏电池板的运动精度，在实际控制时需要使用两台直流电机，在水平方向和俯仰方向能够同时进行运动，这也就是双轴追踪方式。本文所采用的这种追踪执行机构，水平方向最大可以活动180°，在俯仰方向最大可以活动90°。

追踪执行机构是随着太阳的运动方向进行转动的，而太阳的实际转动速度较慢，为了保证控制精度就要求转动的速度要慢。如果电机所输出的传动比直接作用在光伏电池板的传动轴上，那么电机只要转动半圈，就会达到光伏电池板的运动极限，在这样的情况下是很难实现精准控制的。因此就需要在电机和传动装置之间安装减速箱，其减速比为80:1，也就是说电机转动80圈，传动装置转动1圈，这样只要控制电机转动的圈数，就可以很好的控制光伏电池板的转动精度。在俯仰方向上也需要利用减速箱来降低齿轮的转动速度，目前比较好的减速方法是使用涡轮涡杆减速器设备，其减速比也为80:1。为了进一步降低传动的误差，在传动结构上可以采用同步带轮，这样就能保证左右两侧的光伏电池板转动的角度保持一致。在光伏电池板需要进行东西和南北运动时，就可以通过驱动减速箱来达到控制的目的。运动限位是对光伏电池板的位置进行保护，使其最大活动范围为180°，这样能有效的避免追光系统在实际应用时，光伏电池板往一个方向一直打转，从而对线路或系统中的其他设备造成损坏。

2.3 PLC控制程序设计

图6 PLC控制程序流程图

当追光系统按下启动键时，光伏电池板会自动追逐太阳光并与其保持合理的角度。当按下停止键时，光伏电池板会停止移动。PLC控制流程主要分为测试和运行两个部分，并通过切换按钮进行切换。测试模式：晨日、午日、晚日三个模式只能触发一个，在任意模式触发后模拟灯会被点亮，进而按动启动按钮。东西、南北双向同时对太阳光进行追踪并取得最佳的接收点，周期结束后追寻活动结束，如果需要采用其他的追踪模式，则需要重新按下启动按钮。当按钮切换成运行模式时，风力传感器会将电池板恢复到水平位置，系统会对系统时间进行判别，确定现在时间是白天还是夜晚，如果是夜晚将控制电池板保持在仰角15°；如果是白天四个方位的光敏传感器会进行工作，并对光线强度进行检测，同时控制电池板在东西、南北双向寻找最佳的光线接收点。如果电池板在移动过程中，遇到限位将会立刻停止移动并沿相反方向运动3秒。

3系统实施与调试

根据本文设计购买相应所需耗材与器件，将控制器、太阳能板、运动执行机构一并安装在支撑架上，同时将限位、开关等硬件器械安装在指定位置。硬件设备安装完成后，根据设计要求编写PLC控制程序，将编写完成后的程序下载到硬件系统之中，为了准确对实际情况进行模拟，本文使用大功率灯泡作为光源，将点亮的光源以半圆轨迹从东边移动到西边，然后熄灭。实验证明当光线移动后，光线传感器能准确识别出光源的位置，并让采集到的数据信息传递给PLC控制器，控制器根据接收到的数据信号，输出控制指令使电机正向或者反向转动，使光伏电池板与光源之间保持适合的俯仰角度。当光源熄灭后，PLC控制器也能控制电机将光伏电池板回归指定位置；当灯泡再次点亮时，PLC控制器依然能准确的根据光线位置调整太阳能板的角度。因此从实验可以看出，本文基于PLC控制系统所设计的光伏发电追光系统能满足实际的应用需求。

4结语

本文所设计的PLC光伏发电追光系统，是一种结构简单，实现原理简单且使用便捷的光伏电池板自动追踪太阳光照调整照射角度的控制系统。该系统的应用能提高光伏发电的发电量，并提高太阳能的利用率。虽然本文设计的系统能满足对太阳光线的自动追踪，但是其追踪精度仍然存在不足，与目前已有的系统相比还有着一定的距离，在今后的研究过程中还需要不断的进行改进。

参考文献

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