光伏发电光照自动跟踪系统的设计

绪论

课题的设计背景及意义

设计背景

随着世界工业的快速发展，太阳的辐射能可以弥补化石能源的不足，它没有存储量的限制，相当于可以再生，而且不存在区域分布的不均性，分布广泛，最重要的是对环境没有污染，是理想的替代能源。能源问题日趋严峻，因此，节能技术、新型能源的开发已成为人类可持续发展的重大工程。太阳能是分布最广、储量最丰富的可再生能源。同时也是未来最清洁、安全和可靠的能源,我国正在把太阳能的开发利用作为能源主要内容的长期规划。

未来对太阳能的大规模利用将主要通过太阳能发电方式获得。太阳能发电方式中又以太阳能光伏发电为主。太阳能光伏发电对节约能源、减少环境污染、解决未来能源危机等都具有深远的意义，因此开发利用太阳能光伏发电具有重大的战略意义。随着能源短缺和科技进步，它的发展速度日益加快，成本正在不断降低，越来越被人们所重视，各行各业越来越认识到利用太阳能的重大意义，越来越多的国家日益重视对它们的开发利用。发达国家和发展中国家均在发展战略、资金保障、技术投入上加大力度。可再生能源的开发规模、投资成本已逐渐与化石能源产生竞争力，从而使其从补充能源正在上升为替代能源。太阳能作为新能源和可再生能源中的佼佼者，既是近期急需的能源补充，也将是未来能源结构的基础，大力发展太阳能利用技术，也成为节能环保的重要途径。

设计意义

在现有技术条件下，要大幅度提高光伏电池的光电转换效率，短时间内是做不到的，以目前百分之十几的转换效率无疑大大制约了光伏发电的效率，而逆变器的效率也已经达到了上限，基本没有再开发的潜力。为了提高光伏系统发电效率，人们将目光集中到增大太阳辐射的利用率上。研究发现,在光伏发电系统设计中,光伏组件的安装形式与放置角度对其接收太阳辐射有很大的影响。目前太阳光跟踪方式分为被动式和主动式两种。被动式采光系统的太阳能电池板固定不动，根据太阳的运动轨迹，需要安装多个太阳能电池板来收集太阳光。主动式采光系统采用自动跟踪系统，通过电机驱动调整太阳能电池板的角度，使得太阳入射光线能够保持垂直照射太阳能电池板，从而达到高效采集太阳光的目的。

固定式的光伏系统，虽然为了最大程度地获得太阳辐射能都会选取最佳倾角进行安装，即以此倾角安装后，光伏方阵能获得比以其他角度安装下更多的太阳总辐射能，但是光伏方阵的发电能力还受入射到其上的太阳光入射角影响。这种固定安装的方法始终不能满足太阳的不断运动造成的光线入射角度的变化，即便是采用最佳安装倾角，还是会有相当一部分的太阳辐射能被损失掉，发电效率低下。可以说，光伏方阵的倾角直接影响着太阳辐射能的利用效率。要解决光伏方阵的固定倾角问题就要采用太阳跟踪技术。利用太阳跟踪技术可以改变光伏方阵的倾角，使其跟随光线入射角的变化而动，始终与入射光线保持最佳的倾角，提高太阳辐射量，增大光电转换效率，提高光伏发电效率，降低光伏系统发电成本。据研究，太阳能跟踪系统能够保持太阳能电池板随时正对太阳,使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板,能够提高太阳能光伏组件的发电量 20% 以上,可以显著降低光伏发电系统的投资成本,提高太阳能光伏组件的利用率。要想最大程度的获得太阳辐射量，提高发电效率，就要使入射光线尽量垂直照射到光伏方阵上。

这就是本课题设计光伏发电光照自动跟踪系统的意义。

国内外技术现状

国内技术现状

从上世纪九十年代开始我国就开始了太阳跟踪器的研制，在1990年国家气象局成功研制了FST型全自动太阳能跟踪器，研究目的是对太阳福射观测。

2001年，赵建根等学者阐述了，通过利用5片电池板制成太阳能跟踪器，实现对太阳双轴跟踪的设计研究。

2009年杭州电子科技大学徐静以森林防火为应用目的对独立光伏发电系统及其跟踪做了深入探讨。与以往类似系统的不同之处在于将一天中可能出现的天气细分为晴天、多云和阴雨三种不同的状况，并确定了应对上述三种不同天气状况的相应跟踪模式。

2010年南京航空航天大学丁伟研究了基于不同坐标系下太阳相对位置的物理模型，设计并比较了多种采用不同光敏元件的光强传感器，设计了一种带有风力保护的太阳能发电自动跟踪控制系统。同年8月赛维LDK集团成功安装两套太阳能光伏发电双轴跟踪设备，系统采用光控和时控跟踪相结合的方式，该系统能够自行调整电池板方位时钟保持与太阳入射最佳角度，从而达到最高的发电效率，另外该系统同时在光照较弱的阴雨天，系统可以自动完成光控和时控跟踪的切换，该系统相比同面积的固定式安装发电效率提高了近40％。余涛等人设计的太阳追踪系统能做接近半球面立体转动，他的观点是要实现准确的跟踪依赖于执行机构的准确定位，所以他主要对步进电机的转速、转向和精确定位进行了研究并仿真。此外，他还分析了步进电机的平稳运行方案。他选用的是FPGA芯片，能实现对多台电机的控制，大大节约了资源。

2011年崔琪琳等人用LM3SSl1芯片设计的跟踪系统成功的实现了对点光源的跟踪。光电检测部分将5个光敏三极管以120度圆弧形切面布置于跟踪平台上，以寻找到光源，此模拟实验的成功无疑是对太阳跟踪系统起到了重要的借鉴作用。同年，武汉理工大学方建钢研制了基于S3C2410X微处理器的嵌入式平台太阳能跟踪控制系统。在光电转换环节中加入最大功率跟踪技术，使太阳能电池板保持最大功率点输出，应用光信号差值来判断天气情况，选择控制模式，实现太阳光跟踪。

2012年武汉理工大学王海军将模糊识别理论用于对天气阴晴情况的判断，并采用光筒式结构设计了检测太阳方位的传感器，设计了基于阴晴判断的混合双轴太阳跟踪控制系统，针对判断出的不同天气状况，选取不同的跟踪方案进行跟踪。南京理工大学彭春明设计了基于嵌入式的光伏发电自动跟踪控制系统，可以满足各种基于太阳运动轨迹跟踪的自动控制系统，更重要的是总结了各种跟踪系统运动模式的相同点，致力于实现对多种类型跟踪器的集中控制嘲。河南师范大学路博对高精度的太阳跟踪方法进行了研究，并用选取的高精度的天文公式计算结果对太阳位置进行初定位，通过对多种光电元件各自特性的分析，设计了由硅光电池构成的太阳方位检测传感器用来弥补初定位的误差，克服了两种跟踪方法各自的缺点，实现了精确跟踪。

此外，我国敦煌10MW大型光伏发电站采用平单轴跟踪系统，2010年并网发电，年均发电1637万千瓦时，充分展示了应用跟踪式发电对提高发电量的效果。

国外技术现状

国外太阳跟踪研究起步较早，1994年德国北部，采取了单轴太阳能跟踪装置的太阳能厨房开始应用：

1997年美国的Blackace成功制造出单轴跟踪器，从而使热接收设备效率提高了15％以上，它不仅在东西方向上实现了对太阳的自动跟踪，而且还可以通过手动方式实现高度角的调节。

1998年美国加州研制了更先进的ATM两轴跟踪器，并将具有聚集光线功能的透镜安装在电池板上收集阳光。

2006年02月，Acciona太阳能公司在西班牙建设了采用了托盘结构的太阳能电站，并且该电站的发电情况比固定式平面系统增加了35％左右。9月在德国南部巴伐利亚开始使用的太阳能发电厂，其发电总容量高达12兆瓦，由于应用了跟踪控制装置，使发电能力比普通太阳能发电厂多出35％。

2011年意大利建设的585KW的双轴跟踪光伏发电站，已成功运营6个月，比固定式光伏阵列多产生25～30％的电力。2016年日本光伏开发商Biomass Japan公司宣布，开始销售双轴跟踪式光伏发电架台，此种架台可以使光伏电池板与太阳直射光线保持90°。与普通的固定型地上设置相比，据称发电量将增至约1.6 倍。在双轴跟踪研究领域，美国、日本、欧洲技术水平居于世界领先地位。

此外，林奇等人设计了一种低成本的电子控制双轴太阳跟踪器。该系统使用两个光电传感器，一个是安装在跟踪平面上用于太阳方位检测，另一个用于太阳光探测。驱动机构采用大扭矩直流齿轮箱电机。他们指出，跟踪器可以在0.18 分辨率下工作。

Abdallah等人设计并构建了一个双轴、开环、PLC 控制的太阳跟踪系统。它们的工作原理是基于由两个角度定义的表面位置的数学定义：表面倾角和方位角。这个倾角被认为等于太阳的天顶角。采用两台跟踪电机，一台用于水平N-S轴旋转，另一台用于垂直轴旋转。日光分为四个间隔，在每个间隔期间，太阳能和电机的速度被定义并编程到 PLC 中。他们预测驱动马达的耗电量控制系统的节能率几乎不超过跟踪系统的3%。他们得出的结论是，使用两个轴跟踪表面与固定表面相比，每天的总收集量增加了约 41.34%。Kalogirou设计并构建了一个单轴太阳跟踪系统，该系统由三个光敏传感器和一个 直流电机组成。一个传感器负责直接光束检测；第二个是云传感器，第三个是日光传感器。控制系统由继电器、定时器、多个电阻和电子元件组成。当三个传感器中的任何一个被遮挡时，电机被打开。该系统沿 E–W 方向跟踪太阳，收集器的最终转速为 0.011rpm。对太阳能集热器的各项测试表明，该跟踪机构非常精确。

Rosell 等人设计并建立了光伏聚光系统，并对所建立的分析模型进行了验证。设计了一种双轴太阳跟踪系统，该系统具有两个直流直线驱动器和簧片传感器，以实现能量的最大化收集。在他们的系统中，将反射光反射到焦带上，并且太阳能电池被大约 11.1 倍的太阳辐射入射光照射。为了获得更高的精度和计算太阳位置，设计并构建了一个 PLC系统。他们引用了与最佳倾斜相比，能量增加50%。

技术路线

本课题设计的光伏发电光照自动跟踪系统技术路线如图1-1所示。

图1-1 技术路线图

光伏发电光照自动跟踪系统总体方案设计

2.1 光伏发电光照自动跟踪系统需求分析

2.1.1 光照自动跟踪系统简介

光照自动跟踪系统是光伏发电光照自动跟踪系统的核心部件，承担着接受太阳辐射，将太阳辐射能通过特定的仪器或部件转换为电能并传输电能的功能，是光伏发电光照自动跟踪系统中不可或缺的一个部件。其组成部件包括：太阳能板支架、太阳能板、2个电机、光强传感器、风速传感器、方位传感器、齿轮传动装置、连接导线、基座等。

某光照自动跟踪系统产品如图2-1所示。

图2-1 某型号光照自动跟踪系统

机构实现自动跟踪的原理:当太阳光线发生偏离时，传感器接收光照强度会出现差值，产生偏差信号，该信号经放大后送入控制单元，并发出控制信号驱动控制垂直方向的电机运转并带动1号小齿轮转动，其带动大齿轮和主轴转动;同时控制信号驱动控制水平方向的电机带动2号小齿轮转动，其带动齿圈和太阳能板转动，通过控制两个不同方向的电机及齿轮传动装置，使它们共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。当太阳光辐照度低于工作照度时，太阳能自动跟踪装置停止工作。

自动跟踪系统有多种分类方式。按照结构分为单轴跟踪和双轴跟踪，单轴跟踪又可分为倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪；双轴跟踪可分为极轴式全跟踪和高度角—方位角式全跟踪。双轴跟踪能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能。

本课题研究对象为双轴式太阳能自动跟踪系统。

光照自动跟踪系统问题的提出

双轴式太阳能自动跟踪系统的主体部分包括太阳能板、传感器、电机、传动装置。当接受到太阳能时，有太阳能板接受，传感器检测传输信号，电机和传动装置控制。

采用双轴式太阳能跟踪系统带来的最直接的问题是单块太阳能板不能获得最强光强而产生能耗损失，这直接导致太阳能自动跟踪系统所带来的社会经济效益大幅度下降 。

其次，由于采用的传感器为电子元件，工作环境较为严酷，因此传感器的选型则是一项困难的，需要综合考虑工作的稳定性，检测精度的准确性、是否由于高温产生零点漂移等相关因素确定传感器的类型。

最后，需要考虑怎样增加传动精度的准确性，包括电机的选型，是选用交流/直流伺服电机还是选用步进电机。怎样合理的设计传动装置，使其有较高的传动精度以及较快的响应特性从而准确的反应出实时状态，这都是需要考虑的关键问题。

光照自动跟踪系统功能要求

为保证太阳能自动跟踪系统的正常运行，设计的光照自动跟踪系统需满足下面几个要求：

1）采用传动精度高的电机，设计传动比较佳的传动装置，从而保证系统正常工作。

2）将采集的光照强度，风速大小等电压信号经输入装置传送给控制中心计算机显示、处理、记录和判断，并绘制实时变化曲线；

3）当光照强度低于规定的光照强度的大小，计算机显示画面并且经输出装置发出控制信号，驱动自动跟踪装置停止工作；

4) 当风速大小超过规定的风速大小，计算机显示实时风速数据，并发出报警信号，并且经输出装置发出控制信号，驱动自动跟踪装置调整迎风角的大小，从而更好的保护系统装置。

光伏发电光照自动跟踪系统方案设计

针对变压器的工作环境和实际运行状态，根据信号输入、输出装置的不同，下面提出五种设计方案实现太阳能自动跟踪控制系统。

方案一：基于PC和远程I/O模块的控制系统

控制系统由光强传感器、信号调理电路、远程I/O模块、计算机、驱动电路和执行机构等部分组成，系统结构框图如图2-2所示。

图2-2 基于PC和远程I/O模块的光强自动跟踪控制系统结构框图

光强传感器的作用是检测光照强度，通过信号调理电路处理信号，经远程I/O模块输入给计算机；计算机采集输入的信号，进行显示、处理、记录，并与设定值进行比较判断，当不在限定值范围内时发出控制指令，经远程I/O模块发送给驱动电路，使执行机构做出预设定动作。

方案二：基于PC和PLC的控制系统

控制系统由光强传感器、信号调理电路、PLC、计算机、驱动电路和执行机构等部分组成，系统结构框图如图2-3所示。

图2-3 基于PC和PLC的光强自动跟踪控制系统结构框图

光强传感器检测光照强度，通过信号调理电路，经PLC模拟量输入模块输入给计算机；计算机采集输入的信号，进行显示、处理、记录，并与设定值进行比较判断，当不在限定值范围内时发出控制指令，经PLC发送给驱动电路，使执行机构做出预设定动作。

方案三：基于PC和数据采集卡的控制系统

控制系统由光强传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机、驱动电路和执行机构等部分组成，系统结构框图如图2-4所示。

图2-4 基于PC和数据采集卡的光强自动跟踪控制系统结构框图

光强传感器检测光照强度，通过信号调理电路处理信号，经数据采集卡输入给计算机；计算机采集输入的信号，进行显示、处理、记录，并与设定值进行比较判断，当不在限定值范围内时发出控制指令，经数据采集卡发送给驱动电路，使执行机构做出预设定动作。

方案四：基于PC和USB数据采集模块的控制系统

控制系统由光强传感器、信号调理电路、USB数据采集模块、计算机、驱动电路和执行机构等部分组成，系统结构框图如图2-5所示。

图2-5 基于PC和USB数据采集模块的光强自动控制跟踪系统结构框图

光强传感器检测光照强度，通过信号调理电路处理信号，经USB数据采集模块输入给计算机；计算机采集输入的信号，进行显示、处理、记录，并与设定值进行比较判断，当不在限定值范围内时发出控制指令，经USB数据采集模块发送给驱动电路，使执行机构做出预设定动作。

方案五：基于单片机的控制系统

控制系统由光照传感器、信号调理电路、A/D转换模块、单片机、D/A转换模块、驱动电路和执行机构等部分组成，系统结构框图如图2-6所示。

光强传感器将检测光照强度，通过信号调理电路处理信号，经A/D转换模块变换为数字信号输入给单片机；单片机采集输入的信号，进行显示、处理，并与设定值进行比较判断，当不在限定值范围内时发出控制指令，经D/A转换模块发送给驱动电路，使执行机构做出预设定动作。

图2-6 基于单片机的光强自动跟踪控制系统结构框图

方案比较与选择

方案一，采用PC和远程I/O模块搭建光照自动跟踪控制系统，可以远距离传输光强检测信号，并可以输入计算机进行远程控制，可以在计算机显示屏上显示光强，进行自动跟踪控制，画面形象直观，不过系统比较复杂。

方案二，采用PC和PLC搭建光照自动跟踪控制系统，采集的光强信号可以远距离检测并传送给计算机，在计算机显示屏上显示光强，绘制光强变化曲线，保存数据等；系统可靠程度高，但系统成本较高。

方案三，采用PC和数据采集卡光照自动跟踪控制系统，采集的光强信号可以输入计算机，在计算机显示屏上显示光强，绘制光强变化曲线；安装时，需要打开计算机机箱，信号传输距离较近，系统成本较高。

方案四，采用PC和USB数据采集模块搭建光照自动跟踪控制系统，采集的光强信号可以输入计算机，在计算机显示屏上显示光强，绘制光强变化曲线，保存数据等；系统直接使用USB接口，安装简便，信号传输距离较近，系统成本较低。

方案五，采用单片机搭建光照自动跟踪控制系统，可以现场显示光强数据，实现自动跟踪控制，结构比较简单，系统成本较低，但显示界面简单，无法记录保存数据。

综合五种方案的特点，根据设备工作环境特点，本课题选择方案二，即采用PC和PLC进行光伏发电光照自动跟踪系统设计。

第一 光伏发电光照自动跟踪控制系统硬件设计

计算机选型

为了满足自动跟踪控制系统控制要求和工业网络条件下的要求，本系统选择的计算机主要配置如下:

中央处理器：英特尔i7-10700 2.9GHz

内存：16 GB DDR4 2400MHZ内存

硬盘：256G SSD+1T 硬盘

显示器：23.8英寸

操作系统：Windows 10（简体中文）

计算机外观如图3-1所示。(配备RS232总线)

图3-1 计算机外观

可编程控制器（PLC）选型

工业控制等场合往往需要用PC或工控机对各种数据进行采集，如液位、位置、压力等，通常数据采集系统是通过串行口、并行口或内部总线等与计算机连接的，但是它们都有一个共同的缺点，即安装不太方便，灵活性受到限制。

目前常用的数据采集板卡易受机箱内环境干扰而导致数据采集失真，容易受计算机插槽数量和地址、中断资源限制，不可能挂接很多设备，可扩展性差。

总线的出现很好地解决了以上问题。目前采用总线将计算机与控制器连接已被广泛的应用，它具有通用、高速、性能可靠等优点，非常适合在控制系统领域中应用。

本课题中，光强信号经过光强检测传感器及拓展模块，经可编程控制器输入计算机，再由计算机反馈到可编程控制器中输出数字信号传递给驱动马达，使电机实现对执行装置的控制，这样就可以达到光照自动跟踪系统控制的目的。

综上所述，可以选择西门子可编程控制器来实现光照自动跟踪系统控制。为了节约成本，本课题选择西门子S7-200系列， 即可完成对信号的输入输出处理。

西门子S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能如图3-2所示。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括机械、电力设施、环境保护设备等。

西门子S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

主要特点：

• 极高的可靠性

• 极丰富的指令集

• 易于掌握

• 便捷的操作

• 丰富的内置集成功能

• 实时特性

• 强劲的通讯能力

• 丰富的扩展模块

•

图3-2 西门子 S7-200

适用范围广

• 具有极高的性能/价格比

传感器及PLC拓展模块选型

传感器是一种检测装置，能够将被测量的信号转化为电信号或其他形式进行输出。本文系统的传感器分别是采集光照强度，并经过信号调理电路后输入到可编程控制器中。

光强传感器选型

1、HA2003 光强传感器

采用先进光电转换模块，将光照强度值转化为电压值，利用HA2003光强传感器检测具有下面几个特点：

1）光照检测量程范围宽，0～20万lx；

2）敏感性好，响应速度快，响应稳定性好；

3）准确度较高，测量误差为±5%；

4）性能可靠，可以在温湿度:-30℃～80℃、0～80%RH的工作条件下正常运行；

5）输出信号的范围可供选择多：0～2V、0～5V、0～10V、0～20mA 、4～20mA。

HA2003光强传感器广泛应用于农业、林业、温室大棚培育、养殖、建筑的光照测量及研究。在本课题中，可以采用HA2003光强传感器检测光照强度，利用其检测功能来达到系统对光照自动跟踪控制的目的。

2、光电传感器

光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应及光生伏特效应。

采用光敏电阻作为，其优点是：

1）检测距离长，可做到特别长的检测距离。因为检测方式为非接触式，检测时不需要和物体接触，也不受其影响。

2）检测对象的限制少，可依检测对象的表面反射、光的遮光等进行检测，如为非金属的物体:玻璃、塑胶、木材、液体等物体亦可进行检测。

3）响应速度快，检测物高速移动、响应速度亦可非常快的对应，而非如机械式的慢速对应。

4）高分解能，由于光线直射性、波长短的优点，使分解能较高，最适合微笑物体、高精度位置的检测。

5）光纤的使用，光纤的使用，使得光可以进行投、受光，在狭窄或危险的场所装置光纤，所受到的限制较少。

6）易受周围强光的影响，一般的照明光不会影响其检测动作;但是若像太阳光的强光直射受光部，会引起误动作，并产生损害。

通过比较两类光强检测传感器的特点，再根据光伏发电光照自动跟踪系统的工作特点和工作环境，本系统选择 HA2003 光强传感器来检测太阳光照强度。

选择的HA2003 光强传感器如图3-3所示。

图3-3 HA2003光强传感器

PLC拓展模块的选型

PLC拓展模块是将拓展PLC的接口数量，根据不同的功能需求选择不同作用的拓展模块。在本项目中，由于光强传感器采集的模拟信号通过信号调理器转换为数字信号输入计算机中，由计算机发出数字信号输出到步进电机的驱动器中，使步进电机开始工作，EM231拓展模块具备模拟信号输入转换为数字信号量的功能。并且在本项目中，一台PLC需要控制多台步进电机使其按照预设动作进行工作，这无疑需要对PLC的外部接口进行拓展，达到一对多的目的，这样即可以有效的减少成本，同时也可以实现对光伏发电方阵进行分块控制。

综上所述，本项目选择与西门子PLC S7-200配套的EM231-8AI拓展模块， EM231-8AI是8路模拟量输入采集模块,前6路可采集0-20mA信号，后2路可采集0-5V或0-20mA信号，通过组态开关配置输入信号范围。

选择的EM231拓展模块如图3-4所示。

图3-4 EM231-8AI拓展模块

执行机构选型

电机，是一种将电能转换为机械能的元件，为驱动自动跟踪系统机构转动的提供动力来源，可以通过控制电机的正反转从而使太阳能板跟踪太阳光照。

电机的主要部件是: 定子绕组和转子。其工作原理是:通电导线在磁场中受力使电机转动。根据光照自动跟踪控制系统所需求执行机构的功能特点和精度要求，初步选择步进电机为执行机构提供动力。

步进电机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步,即每当电动机绕组接受一个电脉冲,转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输人的电脉冲数及其频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步,只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向,很容易用微机实现数字控制。步进电机具有以下特点:

①步进电机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化等)的影响,只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前,就不影响其正常工作;

② 步进电机的步距角有误差,转子转过一定步数以后也会出现累积误差,但转子转过一转以后,其累积误差变为“零”,因此不会长期积累;

③控制性能好,在启动、停止、反转时不易“丢步”。因此,步进电机广泛应用于开环控制的机电一体化系统,使系统简化,并可靠地获得较高的位置精度。

最终选择57BYG-450A混合式步进电机， 供电电压为50V，相电流3A，步距角0.9/1.8°，最大静转矩0.2N·M，空载启动频率1500（步/s），分配方式1-2/2-2。

选择的步进电机如图3-5所示。

图3-5 57BYG-450A混合式步进电机

光伏发电光照自动跟踪控制系统线路设计

PC+PLC组成的太阳光照自动跟踪控制系统线路如图3-6所示。

图3-6 PC与PLC模块组成的光照自动跟踪控制系统线路

图3-6中，将模拟量扩展模块EM235与PLC主机通过扁平电缆相连，光强检测传感器接到信号调理电路的输入端，其输出4~20mA的电流模拟信号，经过250Q电阻将电流信号转换为1~5V电压信号输人到EM235的模拟量输人1通道（CH1)输入端口A+和A-。通过扩展模块进入西门子PLC，进而输入到PC端，PC端输出数字信号到步进电机驱动器，由驱动器控制电机的正反转从而实现对光照自动跟踪控制的目的。

EM235扩展模块的电源是DC 24V，这个电源一定要外接而不可就近接PLC本身输出的DC 24V电源，但两者一定要共地。EM235空闲的输人端口一定要用导线短接以免干扰信号窜入，即将RB、B+、B-短接，将RC、C+、C-短接，将RD、D+、D-短接。

光伏发电双轴逐日跟踪系统设计与实现

论

文

赏

析

2022年电子技术应用第4期

刘伯明1，张庆海2，赵正旭2

1.石家庄铁道大学 信息科学与技术学院，河北 石家庄050043；2.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛266525

摘要：

为提高太阳能板的光电转化率，采用自动跟踪和人工调节两种模式相结合的方式，设计了一种以STC12C5A60S2单片机为控制核心的光伏发电双轴逐日跟踪系统。人工模式分为人工按键控制和无线远程控制模式；自动模式又分为光电跟踪和视日运行轨迹跟踪模式，两者通过阴晴检测电路判断阴天或者晴天。阴天时，系统利用DS1302时钟芯片结合Super Pairwise Alignment算法，计算实时太阳高度角和方位角，并通过控制步进电机，实现视日运动轨迹跟踪。晴天时，系统利用光电传感器采集的四个方向的光强差值，驱动步进电机，实现光电跟踪。实验表明：系统在混合控制策略下，受天气影响小，跟踪精确高，提高了光电转化率。

关键词：

双轴逐日跟踪系统，光电跟踪，视日运动轨迹跟踪，阴晴检测电路

0 引言：

为了获取足够的生存能源，人类对自然界和未知环境的能源探索从未间断过。光伏发电作为一种新能源的利用方式，为解决日益严峻的能源紧缺问题提供了方向[1-2]。目前光伏发电跟踪装置主要分为单轴跟踪与双轴跟踪装置两种[3-5]。相较于单轴跟踪装置，双轴装置的跟踪精度较高，但由于传统的双轴跟踪装置的跟踪策略单一，造成跟踪精度不高、光电转化率低和装置应急性能不足等问题。常见的光电跟踪策略受天气影响大；视日运动轨迹跟踪策略跟踪精度不高，存在阴天情况下耗能大、断电重启时钟时间重置等不足[6-8]。因此，如何优化跟踪控制策略，提高跟踪精度，使太阳能板始终保持最佳吸收太阳能的倾角，增加光电转化效率成为当前的主要研究热点。文献[9]通过对光传感器改进，提出了一种高精度的太阳跟踪控制装置。文献[10]通过优化太阳辐射吸收的最佳倾角数学模型，设计出跟踪效果较高的单轴逐日系统。文献[11]在Lab/CVI环境下开发了一种基于TCP传输协议的逐日系统，利用上下位机和TCP/IP协议交互数据，实现了光伏发电和远程监测的逐日系统。文献[12]提出将EtherCAT总线应用到逐日系统控制中，实现了对逐日装置的群控。文献[13-14]研究了光伏发电最大功率点跟踪算法，对光伏发电效率进一步提高。

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太阳能路灯控制器指示灯,用太阳能控制器指示灯来判断故障是我们维修售后太阳能路灯的基本技能之一,一般太阳控制器对系统各个涉电部件会有状态指示,下面就来看看...

一、专业简介物联网指通过信息传感设备,按照约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网...

光照度传感器是采用的热点效应的原理,热接点在感应面上,而冷结点则位于机体内,冷热接点产生温差电势,在线性范围内,输出信号与太阳辐照度成正比,透...

在收到肯定确认后,转入休眠状态。二遥故障指示器采用太阳能和充电锂电池双重供电模式。正常工作时装置采用太阳能供电,并且对锂电池进行充电。只有在...

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