基于PLC的卷轴翼展追日式光伏发电系统设计

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　　摘  要： 本文针对目前光伏发电系统发电效能低、环境要求高及控制系统非智能化等问题，设计一款基于PLC控制器与物联网云平台联合监控的智能化卷轴翼展追日式光伏发电系统。本文对光伏发电系统进行机械结构的创新设计、监控系统主要硬件和软件的优化设计，解决和完善目前光伏监控系统存在的不足。达到提升发电效能、增强环境适应能力与实现智能化监控功能的目的。
　　关键词： 光伏发电;自动跟踪;PLC;物联网监控
　　中图分类号： TP23    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.013
　　本文著录格式：盘姿君，周建华，商凯源，等. 基于PLC的卷轴翼展追日式光伏发电系统设计[J]. 软件，2020，41（01）：6065
　　【Abstract】： In order to solve the problems of low power generation efficiency， high environmental requirements and non-intelligent control system， an intelligent photovoltaic power generation system based on PLC controller and Internet of things cloud platform for the expansion of the spool wing chasing the sun is designed in this paper. In this paper， the innovative design of mechanical structure of photovoltaic power generation system and the optimization design of the main hardware and software of the monitoring system are carried out to solve and perfect the shortcomings of the current photovoltaic monitoring system. Therefore， the purpose of improving power generation efficiency， enhancing environmental adaptability and realizing intelligent monitoring function is achieved.
　　【Key words】： Photovoltaic power generation; Automatic tracking; PLC; Internet of things monitoring
　　0  引言
　　目前光伏发电系统通常采用固定式和单轴追日式[1]。而单轴追日式仅通过一维转轴改变电池板的位置与太阳光线之间的角度，由此提高发电效率[2]。在一定程度上，单轴式相较于固定式有了很大的进步，但这对于太阳能的开发利用还远远不够，发电效率依旧低下。
　　研究证实，在天气良好且其他条件相同的情况下，若采用双轴跟踪太阳的追日式，相较于面对正午太阳固定朝向安装的电池板，太阳能电池板的能量接收率可提高35%，发电效率增加30%左右[3-5]。由此，太阳自动跟踪系统是高效利用太阳能资源不可或缺的组成部分，固定不变的发电方式必将不能充分利用太阳能资源[6]。
　　双轴式可在太阳方位角和高度角上实现同步精确跟踪太阳光线，进一步提高系统发电效率[7]。同时，在发电效率低下的恶劣天气，发电系统易受到磨损破坏，不仅减少了设备的使用寿命还会使得系统发电效率大打折扣。因此，研究和实现光伏电池板对太阳的实时跟踪与降低设备磨损率具有重要意义：不仅提升光伏系统的发电效率，降低发电成本与系统维护成本，还将大力促进光伏产业的发展。
　　1  系统机械设计及性能分析
　　发电系统整体机械结构分为四部分，分别是存储箱体、主体升降支柱、双轴联动方向调节机构和光伏电池板翼展折叠机构，如图1所示。
　　1.1  机械结构创新设计
　　存储箱体用于储存升降支柱、方向调节和翼展折叠机构，保护光伏电池板不受雨水风沙腐蚀影响，且便于携带运输;主体升降支柱实现方向调节和翼展折叠机构的升降功能，同时保持光伏电池板和调节、伸缩电机的稳定，要求具有较高的抗风压和耐蚀性能;双轴联动方向调节机构安装主体升降支柱上，完成水平回转和竖直俯仰两个方向调节，实现双自由度跟踪;卷轴展翼伸缩折疊机构由直流电机配合驱动正、反棘轮运行，实现两组翼状光伏电池板的展开和收缩折叠功能，光伏电池板收缩完毕卷曲为六边形筒，展开完毕后呈两个平面翼。
　　1.2  使用年限及自适应能力分析
　　封装材料的耐用程度直接影响光伏电池板的使用年限。在系统的机械设计上，采用自适应翼展、折叠与收纳的结构，有效减少灰尘堆积和雨水、风沙腐蚀，对湿冷环境具有一定抗性，有效减少封装材料的磨损，从而延长使用年限。可以在普通光伏电池板无法适应的有强风、暴雨的地区使用，环境适应能力较强。预计钢化玻璃层封装的光伏电池板的传统使用与改进设计使用效率衰减对比图[8]，如图2所示。
　　2  控制系统设计
　　2.1  控制系统硬件整体框图
　　本文主要设计一个以PLC为核心控制器，通过四象限光线传感变送器、风速传感器、露点传感器、直流电机、步进电机、光伏发电控制器、光伏发电组件、充电锂电池等主要硬件，以物联网云平台为通讯监控平台的具有自适应翼展、收缩折叠与存储，双轴联动实时自动追日，智能终端APP实时监控功能的智能化卷轴翼展追日式光伏发电系统。监控系统整体框图如图3所示。 　　2.2  太阳方位检测电路
　　采用四象限A、B、C、D光线探测器来检测太阳的方位变化，输出光信号经过信号放大变送器将光电流转换放大为电压信号，输出电压信号 UA、UB、UC、UD。四个电压信号线路接通四个开关，使之变成开关量，由四个开关连接水平回转角步进电机和竖直俯仰角步进电机，太阳方位原理图如图4所示。通过PLC取得信息，根据公式（1）和公式（2）算出太阳角和高度角的差量[9]，控制系统驱动双轴步进电机进行东西方向与南北方向的自动跟踪。
　　在光电跟踪模式中，Ex'和Ey'分别反映太阳的方位角与高度角方向的偏移[10]。当Ex'和Ey'的绝对值超过原有的阀值时，PLC 将根据Ex'和Ey'的符号分别控制方位角步进电机和高度角电机的正反转，使光伏电池板实时跟踪太阳光线，实现光线与光伏电池板的夹角尽可能保持垂直。
　　2.3  风速、露点检测模块
　　风速传感器对风速信号进行实时采样与记录，将其转换为模拟量电压UF。露点传感器对露点水珠进行实时采样与记录，将其转换为模拟量电压UL。将所采集记录的UF、UL信号经模拟量扩展模块M235A/D转换后，用于PLC读取[11]。当信号强度值达到所设定的阈值时，PLC控制器给电机驱动发送关闭指令，系统关闭收缩光伏电池板从而达到保护装置作用。
　　2.4  A/D转换模块EM235
　　EM235模拟量输入模块与西门子PLC用电缆连接，风速检测输出信号UF、露点检测输出信号UL被转换为数字量，供PLC读取。
　　3  自动跟踪策略及提升发电效能分析
　　3.1  控制系统自动跟踪策略
　　本文设计的双轴联动自动追日控制策略采用光电跟踪方式。光电跟踪是通过光敏电阻、光敏二极管等光敏传感器感知太阳方位的变化[12]，PLC控制器通过光敏器件检测的光信号从而驱动步进电机动作[13]。
　　3.2  控制系统提升发电效能分析
　　通过理论分析与计算表明，与传统固定安装的光伏发电系统相比较，在纬度越高的地带采用双轴联动跟踪的光伏发电系统的光电能效转换提升效率越高[14]。本文以湖南省长株潭地区的固定安装式、单轴东西向跟踪、单轴南北向跟踪和双轴联动跟踪的光伏发电系统的发电效率进行综合比较，其日光电转换能效曲线如图5（a）～图5（d）所示。
　　在不考虑挡光条件以及系统耗损下，与传统固定安装的光伏发电系统相比较：采用单轴东西向跟踪光伏发电系统的年发电效率提升≥1.4倍;采用单轴南北向跟踪光伏发电系统的年发电效率提升≥1.2倍;而采用双轴联动跟踪光伏发电系统的年发电效率提升≥1.6倍。
　　4  控制系统软件设计
　　4.1  控制系统自动控制主程序流程
　　自动跟踪控制系统主程序首先检测风速、露点程度以及光伏电池板的位置，若果检测风速过大或露点程度达到阈值，控制器预判环境不合格将停止装置，收入装置存储箱从而保护装置。当外部条件合格，主程序对装置进行检测，启动伸展卷轴光伏板子程序，启动双轴联动跟踪子程序。控制系统    主控制程序主体分为卷轴伸展运行过程和卷轴收缩折叠过程，其控制流程图如图6（a）和图6（b）     所示。
　　4.2  卷轴翼展、收缩折叠控制子程序
　　卷轴翼展折叠部分包括主体支柱的伸缩和光伏电池板的翼展、收缩折叠。主体支柱伸展时，通过固定于箱体内部的推杆电机转动实现上升移动，上升到一定高度后触动限位开关进行锁死。卷轴翼展光伏电池板分有两翼，可卷曲为正六边形，翼展和折叠时由直流电机驱动正、反棘轮以类似于卷闸门的形式依次展开和折叠，前一片为后一片的支撑，展开完毕后呈两个平面翼，折叠完毕后呈两个卷轴。
　　4.3  双轴联动跟踪控制子程序
　　双轴联动方向调节部分安装主体支柱上，跟踪方向包括水平回转和竖直俯仰两个方向，实现双自由度跟踪。其中一个步进电机被安装支柱上，通过减速机构直接带动支柱的旋转，实现水平回转功能。另一个步进电机通过齿轮传动实现竖直俯仰功能。
　　5  监控系统物联网监控平台设计
　　本文设计通过PLC、物联网网关、物联网云平台和智能APP终端实现设备的实时监测与数据传输，主要解决实时监控问题[15]。硬件部分组装完成后，在对数据处理与机械控制方面进行调试，并对机械结构进行优化。软件部分则通过网关，将设备数据实时传输给云平台，并在用户端APP上显示各类数据。并且通过现有的4G无线传输技术，把云平台与GPRS网关进行互联，实现信息的交互[16]。如果调试出现问题，根据问题而制定具体的解决方案。其监控平台技术路线流程框图如图7所示。
　　硬件和软件均调试成功后，对整个系统进行模拟检测。将实时采集到的风力、露点程度、光线方位等环境参数通讯传送至手机APP或其他个人终端。用户能通过个人终端获取信息并能用终端操控该装置的运动，关闭装置时让其收缩进收纳箱里。
　　6  结论
　　本文对卷轴翼展追日式光伏发电系统的机械、硬件和软件设计进行了介绍。发电系统整体机械结构由支撑部分、翼展折叠部分和方向调节部分组成。利用四象限光敏传感器来检测光照强度从而开始实现双轴联动追日功能;同时，依靠EM235收集风速、露点等模拟电压信号进行A/D转换得到数字信号，并传送到PLC;再经过PLC控制部分设计实现整个卷轴翼展光伏发电系统的跟踪控制功能和通讯功能[17]。當外界环境的风速、露点程度达到设点阈值（系统所认定的恶劣天气）装置将自动收缩，实现收纳保护功能。
　　本设计在一定程度上弥补了固定式和单轴跟踪光伏发电系统的不足。在相同环境条件下，有效地增加了太阳能接收率，提高了光伏发电效率。同时，系统所具备的收缩折叠与储存功能可以在恶劣条件下实现对系统硬件部分的保护，从而达到降低硬件损耗，延长使用寿命，减少维修成本，有效提高光伏发电效率的目的[18]。是光伏发电系统又一新突破，推动了光伏产业的发展与进步。 　　参考文献
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