PLC在光伏发电追光系统中的应用

珠海市第一中等职业学校 陈洁娜

中国移动通信集团广东有限公司珠海分公司 吴贤哲

太阳能光伏发电电池阵列的发电量与光线入射角角度有关，光线与光伏阵列平面垂直时，发电量最大。提出基于PLC的光伏电池板自动追光系统，使光伏电池板能实时跟踪太阳光照，从而提高光伏阵列的发电量，提高太阳能的利用率。系统采用双轴跟踪，包括硬件部分和软件部分，硬件部分有光线检测电路、PLC控制电路及双轴跟踪电路；软件部分有PLC的控制程序。

1 方案提出

太阳能具有取之不尽、用之不竭、绿色环保和分布广泛等优点，是新能源的重要组成部分，越来越受到人们的关注和青睐。太阳能光伏发电系统的应用越来越普遍，光伏发电系统的发电量自然也成为行业内关注的焦点。

太阳能光伏发电系统通常分为固定式和跟踪式两种。由于太阳具有间歇性及强度和方向时变等特性，光线与光伏阵列平面垂直时，发电量最大，采用固定式光伏发电系统无法达到对太阳能的利用最大化，因此自动检测太阳光线，并控制光伏发电板自动跟踪太阳方向，使光伏电池板始终保持与太阳光垂直，可以大大提高太阳能利用率。

本文所设计的光伏发电系统是基于PLC控制的光伏发电双轴自动跟踪系统，能达到提高光伏发电电池阵列的发电量，有效提高太阳能利用率的目的。

2 方案设计

光伏发电双轴跟踪系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分有光线检测电路、PLC控制电路及双轴跟踪电路；软件部分有PLC的控制程序。

系统工作原理：四个光敏传感器和信号比较电路检测太阳光线的方位，并送入PLC，PLC按照事先下载好的程序进行逻辑判断、计时和计数等运算，输出控制信号到继电器，控制两个直流电机正反转，从而控制光伏电池板东西南北的运动，达到光伏电池板实时跟踪太阳光线的效果。（系统整体结构框图如图1所示）

图1 系统整体结构框图

2.1 光线检测设计

光线检测部分包括光敏传感器模块和比较电路两部分组成。设计采用的是光敏电阻光强比较法，利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两对光敏传感器分别放置在东-西、南-北四个方位，并且两两之间用档光板隔开（传感器模块如图2所示），将该传感器模块安装在四块光伏电池板正中间位置。（传感器安装位置如图3、图4所示）

图2 传感器模块

图3 传感器安装位置

图4 传感器安装位置

如果太阳光垂直照射光伏电池板，东RG1-西RG2两个传感器都没被档光板遮挡到，并且都垂直接收到强度相同的光照度，所以它们的阻值完全相等，此时比较电路信号1、信号2两端都输出0（比较电路如图5所示），表示太阳光线此时垂直于光伏电池板；南-北两个传感器也同理。

如果太阳光没有垂直照射光伏电池板，那东RG1-西RG2两个传感器中在太阳所在方位的那个传感器接收到的光照度更强，电阻阻值变小的更多；而相对应的那个传感器会被中间的档光板遮挡了全部或部分光线，而接收到的光线更弱，电阻阻值变小的少；如当太阳光照射在东RG1光敏电阻传感器一侧，东RG1光敏电阻传感器受光照射，其阻值变小；西RG2光敏电阻传感器没有受到光的照射，其阻值不变。RG1、RP1和R1组成的分压电路提供给IC1a电压比较器同相端的电平高于IC1a电压比较器反相端的固定电平，IC1a电压比较器输出高电平，三极管VT1导通，继电器KA1线圈得电导通，常开触点KA1-1闭合、常闭触点KA1-2断开，信号1端输出高电平。PLC接收该高电平后，控制水平方向运动机构向东运动，使光伏电池板向光敏电阻RG1一侧偏转。同样的道理，当太阳照射在光敏电阻RG2一侧，信号2端输出高电平。南-北两个传感器也同理。

图5 比较电路图

2.2 PLC控制系统硬件设计

可编程序逻辑控制器PLC是光伏发电双轴跟踪系统的核心部件，系统采用西门子公司的S7-300系列PLC，它具有紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集。

输入/输出设备或信号有启动按钮及指示灯、停止按钮及指示灯、光伏电池板东西运动限位接近开关、光伏电池板东西运动中间接近开关、光伏电池板南运动微动限位开关、光伏电池板北运动微动限位开关、光伏电池板南北运动中间接近开关、东边光线信号、西边光线信号、南边光线信号、北边光线信号、光伏发电板东运动继电器及指示灯、光伏发电板西运动继电器及指示灯、光伏发电板南运动继电器及指示灯、光伏发电板北运动继电器及指示灯。

图6 PLC外围接线图

系统的PLC I/O分配表如表1所示，PLC外围接线图如图6所示。

2.3 跟踪执行机构设计

跟踪执行机构由两个直流电动机及减速箱组成，安装在四块光伏电池板正中间的下方。光伏电池板的东西（水平）和南北（俯仰）运动由东西运动减速箱、南北运动减速箱、东西运动和南北运动直流电动机、光伏电池板东西运动限位接近开关、光伏电池板东西运动中间接近开关、光伏电池板南运动微动限位开关、光伏电池板北运动微动限位开关、光伏电池板南北运动中间接近开关组成。

为了完成精确追踪，必须使用两个电机分别在东西水平方向和太阳高度俯仰角两个不同方向上同时动作，即双轴追踪方式。本系统采用双轴追踪方式追踪太阳，分为东西水平方向和南北俯仰角控制，水平方向最大限位角度为180°，俯仰角度最大90°，在一天当中，机械系统要随时跟着太阳转动，这就要求系统的速度要慢。水平方向上如果采用1:1的齿轮传动，那么电机只能转半圈，装置就转180°，这样相对难控制且精度不高。本系统电机和机械装置之间的配合采用减速箱减速，传动比80:1，这样电机转80圈，装置才转1圈，这样保证了整个系统的精度。俯仰角度的控制是齿轮传动来调整，同样要求低速，采用同样的方法，用涡轮蜗杆减速器，减速比80:1。在传动机构上采用同步带轮，使用同步带轮可以减少在传动过程中的误差。

表1 系统的PLC I/O分配表

图7 两个直流电动机主电路图

图8 机械结构及各限位安装位置图

图9 机械结构及各限位安装位置图

图10 机械结构及各限位安装位置图

东西运动和南北运动直流电动机旋转时，东西运动减速箱驱动光伏电池板作向东方向或向西方向的水平移动、南北运动减速箱驱动光伏电池板作向北方向或向南方向的俯仰移动（两个直流电动机主电路如图7所示，机械结构及各限位安装位置如图8、图9、图10所示）。

光伏电池板东西运动限位接近开关用于光伏电池板位置的限位和保护，运动范围最大能达到180°，防止光敏传感器受太阳光线外其它光源的影响而使光伏电池板往一个方向水平打转，从而导致线路拉断或其它损坏；光伏电池板南运动微动限位开关、光伏电池板北运动微动限位开关也是用于光伏电池板位置的限位和保护，防止光伏电池板俯或仰方向运动角度过度出现机械碰撞而损坏或光伏电池板持续得到运动信号，但运动角度已受下方机械控制盒的限制，而导致电动机或运动机械部件损坏；光伏电池板东西运动中间接近开关、光伏电池板南北运动中间接近开关用于作为光伏电池板的初始位置，处于此位置时，光伏电池板正好处于中间水平平衡位置，此位置能使传感器最快、最准地接收到太阳能光线的方向。用于光伏电池板长时间没有得到动作信号后，重新有光线时，其角度不能让传感器接收到光线入射信号，而导致无法重新跟踪太阳光线。因此设计光伏电池板长时间没有得到动作信号时，控制其自动回到初始位置，等待重新得到太阳光线信号。

2.4 PLC控制程序设计

按下启动按钮时，光伏电池板进行对光跟踪。按下停止按钮时，光伏电池板停止对光跟踪。

程序控制过程为传感器检测光线方位，当东边有信号时，控制东西（水平）电动机（正转），光伏电池板向东转；当西边有信号时，则控制东西（水平）电动机（反转），光伏电池板向西转；东-西运动要互锁，当东-西都无信号时，表示东-西方向已垂直太阳光线或传感器无检测到光线。同时当南边有信号时，控制南北（俯仰）电动机（正转），光伏电池板向南转；当北边有信号时，控制南北（俯仰）电动机（反转），光伏电池板向北转；南-北运动要互锁，当南-北都无信号时，表示南-北方向已垂直太阳光线或传感器无检测到光线。

当东、西、南、北方向都没有信号时，表示光伏电池板平面此时正垂直于太阳光线，或此时传感器没有检测到光线信号。当东、西、南、北方向都没有信号达到1h，表示已经是黑夜或光线不足的日子，则控制光伏电池板自动回到光伏电池板东西运动中间接近开关、光伏电池板南北运动中间接近开关的位置（即初始位置），然后停止，等待重新得到太阳光线信号。

程序实现方法为当东、西、南、北方向都没有信号达到1h，控制光伏电池板向东转，当遇到光伏电池板东西运动中间接近开关时，停止向东转；当遇到光伏电池板东西运动限位接近开关时，控制光伏电池板向西转，直到遇到光伏电池板东西运动中间接近开关时，停止向西转；同时控制光伏电池板向北转，当遇到光伏电池板南北运动中间接近开关时，停止向北转；当遇到光伏电池板北运动微动限位开关时，控制光伏电池板向南转，直到遇到光伏电池板南北运动中间接近开关时，停止向南转，等待重新得到太阳光线信号。由此实现光伏电池板自动对光跟踪。

但当光伏电池板在运动过程中遇到光伏电池板东西运动限位接近开关或光伏电池板南运动微动限位开关或光伏电池板北运动微动限位开关，都立即停止该方向的运动，以起到对设备和电路的保护。

无论在任何情况下按下急停按钮，所有运动立马停止。

3 实施与调试

根据电路图购买所需器件和耗材，然后将控制器件安装在网孔架上，将太阳能板和运动执行机构安装在支撑架上，将各限位微动开关、接近开关安装到相应位置（如图8至10所示）。根据直流电动机主电路图（图7）、PLC控制电路图（图8）进行线路连接，L、N、PE电源分别用1.0 mm2红色、黑色、黄绿色线缆，+24V、0V电源分别用0.75 mm2红色、白色线缆，控制信号线用0.5 mm2蓝色线缆，线缆两端都使用冷压端子。

编写PLC程序并下载后进行调试，实验使用一个大功率灯泡作为模拟光源，点亮的灯泡从东边沿半圆轨迹缓慢运动至西边，后熄灭，实验证明光线传感器和比较电路能正确检测光源位置并传送给PLC，程序根据输入信号并能正确地控制东西（水平）电动机和南北（俯仰）电动机的正反转，从而实现太阳能板准确地追踪光源，保持太阳能板一直垂直对光。灯泡熄灭1h后，PLC也能正确地控制东西（水平）电动机和南北（俯仰）电动机运动，使太阳能板回到东西方向在中间位置、南北方向在水平位置。再次在东边点亮灯泡时，并从东边沿半圆轨迹缓慢运动至西边，后熄灭，太阳能板仍能准确追光。实验证明本次基于PLC控制在光伏发电追光系统中的应用是成功的。

结束语：本次基于PLC的光伏电池板自动追光系统，以一种结构简单、原理简单、使用方便的双轴自动追光系统使光伏电池板能实时跟踪太阳光照，一直保持太阳能板垂直对光，从而提高光伏阵列的发电量，提高太阳能的利用率。实验证明本次基于PLC控制在光伏发电追光系统中的应用是成功的。

但本次只是基本实现了对太阳光照射角度的双向跟踪，在跟踪的精确度等方面仍旧有许多不足，比目前已有的跟踪系统还有很大的差距，系统的各个部分还有很大的改进空间，今后若有机会再进行进一步的改进。未来继续研究及加装想法：（1）风力保护：台风天气时，根据风力在电池板上的压力旋转具体的角度让电池板和风向呈平行位置。（2）雷电保护：本装置在室外运行，必须装有防雷电措施，应装有避雷针。