如何实现光伏发电光照自动跟踪系统总体方案设计？

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张燕

2021-10-25 09:35:46

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。
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。
2.1.2 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。
2.1.3 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。
2.2 光伏发电光照自动跟踪系统方案设计

针对其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。
2.2.1 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。

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。
2.2.2 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。

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。
2.2.3 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。

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。
2.2.4 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。

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。
2.2.5 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。

2.2.6 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。

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