王雪娇 王从竹 胡书涵
摘 要：太阳能光伏发电是发展最快、最具发展前景的可再生能源产业之一，但由于光伏板安装角度固定，导致太阳能的利用并不充分。文章设计了一个可以根据光照情况随时变换角度的移动光伏板系统，以小型车载冰箱供电为例，探讨了方案和结构的可行性。该设备以PLC作为控制器，配合机械结构，依据前期设计制作了原型并进行测试，试验证明，该设备可实现太阳能发电效率最大化。
关键词：太阳能发电;PLC;追踪系统
中图分类号：TM615 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）22-0044-04
Abstract： Solar photovoltaic power generation is one of the fastest growing and most promising renewable energy industries. However， due to the fixed installation angle of photovoltaic panels， the utilization of solar energy is not sufficient. In this paper， we design a mobile photovoltaic panel system which can change the angle at any time according to the lighting situation. Taking the power supply of small vehicle refrigerator as an example， the feasibility of the scheme and structure is discussed. The equipment takes PLC as the controller and combined with the mechanical structure， the prototype is made and tested according to the preliminary design. The test results show that the equipment can maximize the efficiency of solar power generation.
Keywords： solar power generation; PLC; tracking system
0 引 言
目前太阳能光伏发电是发展最为迅速，并且是可再生能源产业最为看好前景之一[1]。在地球上，太阳光照的角度时刻都在变化而传统的太阳能光伏板由于角度过于固定从而使得不能保证太阳能利用效率的最大化。为了将太阳能发电效率达到最高，需要让光伏板时刻与太阳光线保持垂直[2]。为了使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直，本文设计一系统采用向日葵的仿生原理对太阳光线进行自动跟踪，从而使得光伏板时刻向着太阳的方向运动，从而实现太阳能发电效率最大化的目的[3]。
1 方案设计
本文以小型车载冰箱作为研究对象，采用PLC及舵机对太阳能板进行控制[4]。在自动追踪太阳能系统中，系统采用PLC实现自动追踪太阳能系统的运动逻辑控制，20 KG扭力的舵机通过光敏传感器反馈的信号来实现控制系统中运动角度和定位的作用[5]。由太阳能板发出的电能通过智能控制器将所得到的直流电源直接供给直流小型耗能元器件使用或给12V100AH的蓄电池充电存储。蓄电池中存储的电能再由正弦波逆变器进行智能逆变输出家用负载所需要的220 V的交流电。
在控制部分光敏电阻反馈信号给PLC控制舵机驱动太阳能光伏板自动跟踪太阳能[6]。原理是利用光照时光敏电阻值变化的原理，将光敏电阻放置在电池板的左右两侧的中间位置。如果太阳光垂直照射到太阳能电池板上，光敏电阻接收到的光强度是相同的，因此它们的电阻值是完全相等的，此时舵机不会转动。当阳光方向与面板垂直方向成一定角度时，光敏电阻接收更多光强度的电阻值减小，驱动电机旋转，直到两个光敏电阻上的光强度相同。根据光敏电阻传感器检测到的光信号强度，控制系统将其传输给PLC控制器。经过一定的处理后，发出驱动信号，控制舵机转动，从而实现太阳能电池板随太阳的运动而运动，达到跟踪的目的。控制精度高，电路易于实现是该系统的优点。
2 软硬件设计
在自动追踪太阳能统控制系统中，需要所设计的系统能够自动的根据控制器输入信号去对应执行各个相应的功能，要想使各个模块按照要求去执行命令，就需要程序配合好各个机械结构，并且尽可能的使系统的精度、可靠度、稳定性、容错率等达到最理想状态。
根据设计功能结构，输入、输出功能及负载能力等原则。此次设计选择isPLC的PLC作为主控制器。isPLC是包含软件、韧体和硬件的迷你型PLC的完全解，isPLC源自是一种 integrated & small的PLC概念，将 PLC常用的功能，包括DI/DO、AI、PWM等，整合在一台小型的PLC内。isPLC与市场众多PLC相比较具有一下优点：（1）价格便宜，迷你型的 PLC。（2）拥有很多扩充模块（与Arduino UNO相容）支援的PLC。（3）适合顺序动作逻辑、快速实现互动式设计的控制器。（4）外在具有Arduino UNO开放式硬体，但内部藏着PLC顺序控制灵魂的控制器。
光电传感器件种类繁多，结合本文设计的要求，选择光敏电阻来作为传感器件，该传感器的工作原理是利用光敏电阻的阻值随着太阳光的光照强度的不同而发生变化，其规律是光照越强阻值越小，其中的亮电阻的阻值最低可到达一千欧左右;而它内部的暗电阻的阻值一般可以达到一点五千欧左右，并且它们对光非常敏感，无光时为高阻状态。传感器由半导体的光电导效应构成并且半导体这个电阻的电阻值随入射光的强度而变化。它的工作特点是对红光和红外辐射的响应较高，而且它的偏置电压比较低，工作电流相对来说比较大，而且它动态范围宽的特点使得该模块具有可以测量强光和弱光的能力。
舵机的选用方面，主要选用的是如图所示的20 kg扭力的舵机。选用该舵机的原因是，相对于电机来说，具有灵敏度高、参数好调等特点，而且整个机械装置的重量大约在5 kg左右，20 kg扭力的舵机完全可以带动该系统，不会出现堵转等情况。该舵机的主要组成部分是伺服电机控制电路和减速齿轮组。在那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统场合特别适合。表1的控制关系是以108度的角度舵机为例。
此次设计选用了正弦波的逆变器。该模块是以PWM集成控制器为核心的内部含有误差放大器、稳压器、振荡主要的作用是利用脉宽调制（PWM）技术对从蓄电池中出来的12 V的直流电进行智能逆变输出220 V交流电，从而使其供各种家用电器使用。该逆变器主要有以下优势：（1）不仅含有过流过载保护、高低压保护以及高温保护等特点，而且使用起来既方便又安全且不会对其他的线路电器等设备带来特别大的危害。（2）该逆变器内部采用的是微电脑芯片对其加以控制，这就使得该款逆变器的转换功率始终保持在百分之九十以上，所以从一定程度上也实现了系统的智能化。（3）该逆变器的动态稳定性也比较稳定而且其中的负载适应性也特别强，这就使得该逆变器对于蓄电池来说具有一定的保护作用。（4）该逆变器比较迷你，不仅体型特别小而且还有一个特别漂亮的外观。
太阳能板控制器选型选用了PWM（脉宽调制）太阳能充电控制器。逆变器选用了正弦波的逆变器。（1）该控制器的主电路采用的是串联式的充电电路，还接线模式可以使整个电路回路中的电压损失与其他模式的接线线路相比要降低近百分之五十左右。（2）该控制器的充电效率比较高，相比于其他类型的控制器，该控制器的的充电效率要高百分之三到百分之六左右，这就在用点时间上大大领先了其他控制器。（3）该控制器在一定的温度内，具有特别高精度的温度补偿，这就使得该控制器对于不同温度的适应性较强从而大大延长了其使用寿命。太阳能板计算与选型：
根据电流计算公式I=W/U，而对于12 V的蓄电池系统车载冰柜的功率为50 W，家用冰柜的功率为100 W，可以求得：I车载=50/12=4.16 A;I家用=100/12=8.3 A若冰箱累计使用时间需要为满负载8 h，冰柜需要满足阴雨天2天的使用需求，根据蓄电池容量需求公式 C=I×H×T×η，可以求得：
C车载=4.16×8×2×120%=79.872 Ah
C家用=8.3×8×2×120%=159.36 Ah
但结合实际考虑到损耗问题，实际的电池容量只能利用 80%左右，故实际需要电池容量为：
C家用=159.36/0.8=200 Ah
C车载=79.872/0.8=100 Ah
对于冰柜每天的工作时间为8 h，太阳能板平均接收有效光的时间为6 h，太阳能板功率的需求峰值，根据公式 Wp=I×H×η×UP/h，可以求出：
Wp车载=4.16×8×120%×12/6=79.872 W
Wp家用=8.3×8×120%×12/6=159.36 W
由于在整个系统结构中还存在着各种各样的损耗，所以以上数值只能算理论值，实际情况还要有所增加。本次设计的逆变器转换效率在90%左右，故实际需要的的功率为：
Wp车载=80/0.9=88.9≈100 W
Wp家用=160/0.9=177.8≈200 W
综上所述并经查表可得：100 W功率的太阳能发电板可选用APM36M100W108×80，其面积为800 mm× 1 080 mm×40 mm;200 W功率的太阳能发电板可选用 APM54P200W 148×99，其面积为990 mm×1 480 mm×46 mm。
本设计相关计算数据如表2所示。
3 机械结构
机械结构图主要是通过底座来支撑太阳能板，并将其通过轴套与主轴进行连接固定。采用稍细的两根铁管通过销轴来联接做成调节杆，主要作用是可以控制太阳能板进行仰俯角度的调节，较粗的铁管则直接焊接在轴承外圈，利用其小球的滚动使主轴转动的摩擦力大大降低从而达到了提高该机械结构的机械动力传递效率的目的。本结构使用了两个个滚轴承来配合工作，加大了承载面积，承担整个太阳能板的绝大多数的重量，使得该结构的机械的传递效率又得到了一定程度的提高，也使得该结构得到了一定的保护大大防止了机械性的损伤。结构中主轴的转动主要是依靠主轴与舵机连接，由舵机传递旋转的方向并控制角度。
机械上主要作用是通过一个滑杆机构来控制太阳能板进行仰俯角度的调节，较粗的铁管则直接焊接在轴承外圈，利用其小球的滚动使主轴转动的摩擦力大大降低从而达到了提高该机械结构的机械动力传递效率的目的。本结构使用了两个个滚轴承来配合工作，加大了承载面积，承担整个太阳能板的绝大多数的重量，使得该结构的机械的传递效率又得到了一定程度的提高，也使得该结构得到了一定的保护大大防止了机械性的损伤，机械结构如图1所示。
4 控制程序
当系统上电开始运行后，开始将相关的各个参数进行初始化，并且清空寄存器中的数据。初始化完成后isPLC主控模块就开始实时自动获取两个光敏传感器回传回来的各个路的模拟量值，控制模块及接线图如图2所示。光敏传感器使输出信号传给isPLC主控模块，驱动舵机进行转动。此外系统在正常运行模式时，根据实际情况为光敏传感器设计了自动休眠状态设置，这样不仅可以节省一部分电能，也延长了器件的使用寿命。机构初始化完成后isPLC主控模块就开始实时自动获取两个光敏传感器回传回来的各个路的模拟量值，并且与程序中设定值进行比对，如果当前照射角方向的模拟量值数据相对于设定值出现偏差时，系统就会及时的进行模拟运算，使输出信号传给isPLC主控模块，驱动舵机进行转动，借助轴承带动连接太阳能板的轴转动，直到机械机构触碰到设置的限位时，就停止运动，全部向负方向进行运动固定的脉冲信号，使太阳能电池板再达到机械原点，最终实现太阳能板向着阳光的方向进行补偿的自动追踪以及自动机械复位效果。复位程序之前的系统程序恢复到初始状态，重新进行系统的循环工作。
4.1 I/O端口设计
系统设计需要先确定系统的I/O端口分配。根据功能要求和工艺流程，进行I/O接点的分配（isPLC的引脚说明：A0～A4为类比输入，X0～X5为数位输入，Y0～Y5为输出），分配表如表3所示。
4.2 实物测试
按照上述研究过程进行了实物测试，功能可达到预期，实物测试如图3所示。
5 结 论
本文设计的基于太阳能追踪系统能够满足预先设计的控制要求，达到了设计目的。主要实现了太阳能追踪系统的逻辑控制，与传统的太阳能板相比较，为其设计了自动追踪的功能更高效的利用了太阳能。太阳能追踪系统采用PLC控制，使得太阳光线能随时保持垂直照射在光伏电池方阵上发电量最大。本文设计使用的PLC是一中小型PLC，与传统使用的西门子、欧姆龙等型号的PLC相比成本低控制简便。顺应时代潮流，可以不受地形的约束自动追踪太阳能。可在电能等设备尚未完善的工地等地点摆摊售卖冰冻冷饮类、存储保证食材口感，相比普通冰柜，弥补了移动时的能源问题。
系统在正常运行模式时，根据实际情况为光敏传感器设计了自动休眠状态设置，可以配合系统更加准确地控制旋转角度。机械结构中借助轴承套将两个轴承配合带动连接太阳能板的轴转动，加大了承载面积，承担整个太阳能板的绝大多数的重量，使得该结构的机械的传递效率又得到了一定程度的提高，也使得该结构得到了一定的保护大大防止了机械性的损伤。本文设计的系统是以小型的车载冰箱为例，可以将模型和控制方案应用在更大型的设备或者其他光伏发电情况下，实现太阳能发电效率最大化。
参考文献：
[1] 崔容强，喜文华，魏一康，等.太阳能光伏发电 [J].阳光能源，2005（2）：43-43.
[2] 中国电机工程学会继电保护专业委员会.继电保护原理及控制技术的研究与探讨 [M].北京：中国水利水电出版社，2014：431.
[3] 王淼，王保利，焦翠坪，等.太阳能跟踪系统设计 [J].电气技术，2009（8）：100-103.
[4] 赵干，李喜鸽.现代电气控制及PLC应用技术 [J].信息记录材料，2017，18（2）：57-58.
[5] 王涛.基于光敏感应及角度计算的太阳追踪系统的设计与实现 [D].成都：电子科技大学，2009.
[6] 何燕阳.基于PLC的太阳能板自动跟踪控制系统的设计 [J].智能计算机与应用，2015，5（4）：51-54.
作者简介：王雪娇（1989.03—）女，回族，山东青州人，讲师，研究方向：电气自动化。
