盤姿君 周建華 商凱源

摘 ?要： 本文針對目前光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效能低、環(huán)境要求高及控制系統(tǒng)非智能化等問題，設(shè)計(jì)一款基于PLC控制器與物聯(lián)網(wǎng)云平臺聯(lián)合監(jiān)控的智能化卷軸翼展追日式光伏發(fā)電系統(tǒng)。本文對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、監(jiān)控系統(tǒng)主要硬件和軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決和完善目前光伏監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足。達(dá)到提升發(fā)電效能、增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力與實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控功能的目的。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電;自動跟蹤;PLC;物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控

中圖分類號： TP23 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.013

本文著錄格式：盤姿君，周建華，商凱源，等. 基于PLC的卷軸翼展追日式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，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

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)通常采用固定式和單軸追日式[1]。而單軸追日式僅通過一維轉(zhuǎn)軸改變電池板的位置與太陽光線之間的角度，由此提高發(fā)電效率[2]。在一定程度上，單軸式相較于固定式有了很大的進(jìn)步，但這對于太陽能的開發(fā)利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，發(fā)電效率依舊低下。

研究證實(shí)，在天氣良好且其他條件相同的情況下，若采用雙軸跟蹤太陽的追日式，相較于面對正午太陽固定朝向安裝的電池板，太陽能電池板的能量接收率可提高35%，發(fā)電效率增加30%左右[3-5]。由此，太陽自動跟蹤系統(tǒng)是高效利用太陽能資源不可或缺的組成部分，固定不變的發(fā)電方式必將不能充分利用太陽能資源[6]。

雙軸式可在太陽方位角和高度角上實(shí)現(xiàn)同步精確跟蹤太陽光線，進(jìn)一步提高系統(tǒng)發(fā)電效率[7]。同時(shí)，在發(fā)電效率低下的惡劣天氣，發(fā)電系統(tǒng)易受到磨損破壞，不僅減少了設(shè)備的使用壽命還會使得系統(tǒng)發(fā)電效率大打折扣。因此，研究和實(shí)現(xiàn)光伏電池板對太陽的實(shí)時(shí)跟蹤與降低設(shè)備磨損率具有重要意義：不僅提升光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，降低發(fā)電成本與系統(tǒng)維護(hù)成本，還將大力促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 ?系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)及性能分析

發(fā)電系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)分為四部分，分別是存儲箱體、主體升降支柱、雙軸聯(lián)動方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和光伏電池板翼展折疊機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

1.1 ?機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

存儲箱體用于儲存升降支柱、方向調(diào)節(jié)和翼展折疊機(jī)構(gòu)，保護(hù)光伏電池板不受雨水風(fēng)沙腐蝕影響，且便于攜帶運(yùn)輸;主體升降支柱實(shí)現(xiàn)方向調(diào)節(jié)和翼展折疊機(jī)構(gòu)的升降功能，同時(shí)保持光伏電池板和調(diào)節(jié)、伸縮電機(jī)的穩(wěn)定，要求具有較高的抗風(fēng)壓和耐蝕性能;雙軸聯(lián)動方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝主體升降支柱上，完成水平回轉(zhuǎn)和豎直俯仰兩個方向調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)雙自由度跟蹤;卷軸展翼伸縮折疊機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)配合驅(qū)動正、反棘輪運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)兩組翼狀光伏電池板的展開和收縮折疊功能，光伏電池板收縮完畢卷曲為六邊形筒，展開完畢后呈兩個平面翼。

1.2 ?使用年限及自適應(yīng)能力分析

封裝材料的耐用程度直接影響光伏電池板的使用年限。在系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)上，采用自適應(yīng)翼展、折疊與收納的結(jié)構(gòu)，有效減少灰塵堆積和雨水、風(fēng)沙腐蝕，對濕冷環(huán)境具有一定抗性，有效減少封裝材料的磨損，從而延長使用年限?？梢栽谄胀ü夥姵匕鍩o法適應(yīng)的有強(qiáng)風(fēng)、暴雨的地區(qū)使用，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)。預(yù)計(jì)鋼化玻璃層封裝的光伏電池板的傳統(tǒng)使用與改進(jìn)設(shè)計(jì)使用效率衰減對比圖[8]，如圖2所示。

2 ?控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?控制系統(tǒng)硬件整體框圖

本文主要設(shè)計(jì)一個以PLC為核心控制器，通過四象限光線傳感變送器、風(fēng)速傳感器、露點(diǎn)傳感器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、光伏發(fā)電控制器、光伏發(fā)電組件、充電鋰電池等主要硬件，以物聯(lián)網(wǎng)云平臺為通訊監(jiān)控平臺的具有自適應(yīng)翼展、收縮折疊與存儲，雙軸聯(lián)動實(shí)時(shí)自動追日，智能終端APP實(shí)時(shí)監(jiān)控功能的智能化卷軸翼展追日式光伏發(fā)電系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。

2.2 ?太陽方位檢測電路

采用四象限A、B、C、D光線探測器來檢測太陽的方位變化，輸出光信號經(jīng)過信號放大變送器將光電流轉(zhuǎn)換放大為電壓信號，輸出電壓信號 UA、UB、UC、UD。四個電壓信號線路接通四個開關(guān)，使之變成開關(guān)量，由四個開關(guān)連接水平回轉(zhuǎn)角步進(jìn)電機(jī)和豎直俯仰角步進(jìn)電機(jī)，太陽方位原理圖如圖4所示。通過PLC取得信息，根據(jù)公式（1）和公式（2）算出太陽角和高度角的差量[9]，控制系統(tǒng)驅(qū)動雙軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行東西方向與南北方向的自動跟蹤。

在光電跟蹤模式中，Ex'和Ey'分別反映太陽的方位角與高度角方向的偏移[10]。當(dāng)Ex'和Ey'的絕對值超過原有的閥值時(shí)，PLC 將根據(jù)Ex'和Ey'的符號分別控制方位角步進(jìn)電機(jī)和高度角電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使光伏電池板實(shí)時(shí)跟蹤太陽光線，實(shí)現(xiàn)光線與光伏電池板的夾角盡可能保持垂直。

2.3 ?風(fēng)速、露點(diǎn)檢測模塊

風(fēng)速傳感器對風(fēng)速信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣與記錄，將其轉(zhuǎn)換為模擬量電壓UF。露點(diǎn)傳感器對露點(diǎn)水珠進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣與記錄，將其轉(zhuǎn)換為模擬量電壓UL。將所采集記錄的UF、UL信號經(jīng)模擬量擴(kuò)展模塊M235A/D轉(zhuǎn)換后，用于PLC讀取[11]。當(dāng)信號強(qiáng)度值達(dá)到所設(shè)定的閾值時(shí)，PLC控制器給電機(jī)驅(qū)動發(fā)送關(guān)閉指令，系統(tǒng)關(guān)閉收縮光伏電池板從而達(dá)到保護(hù)裝置作用。

2.4 ?A/D轉(zhuǎn)換模塊EM235

EM235模擬量輸入模塊與西門子PLC用電纜連接，風(fēng)速檢測輸出信號UF、露點(diǎn)檢測輸出信號UL被轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供PLC讀取。

3 ?自動跟蹤策略及提升發(fā)電效能分析

3.1 ?控制系統(tǒng)自動跟蹤策略

本文設(shè)計(jì)的雙軸聯(lián)動自動追日控制策略采用光電跟蹤方式。光電跟蹤是通過光敏電阻、光敏二極管等光敏傳感器感知太陽方位的變化[12]，PLC控制器通過光敏器件檢測的光信號從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)動作[13]。

3.2 ?控制系統(tǒng)提升發(fā)電效能分析

通過理論分析與計(jì)算表明，與傳統(tǒng)固定安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)相比較，在緯度越高的地帶采用雙軸聯(lián)動跟蹤的光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電能效轉(zhuǎn)換提升效率越高[14]。本文以湖南省長株潭地區(qū)的固定安裝式、單軸東西向跟蹤、單軸南北向跟蹤和雙軸聯(lián)動跟蹤的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率進(jìn)行綜合比較，其日光電轉(zhuǎn)換能效曲線如圖5（a）～圖5（d）所示。

在不考慮擋光條件以及系統(tǒng)耗損下，與傳統(tǒng)固定安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)相比較：采用單軸東西向跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電效率提升≥1.4倍;采用單軸南北向跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電效率提升≥1.2倍;而采用雙軸聯(lián)動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電效率提升≥1.6倍。

4 ?控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?控制系統(tǒng)自動控制主程序流程

自動跟蹤控制系統(tǒng)主程序首先檢測風(fēng)速、露點(diǎn)程度以及光伏電池板的位置，若果檢測風(fēng)速過大或露點(diǎn)程度達(dá)到閾值，控制器預(yù)判環(huán)境不合格將停止裝置，收入裝置存儲箱從而保護(hù)裝置。當(dāng)外部條件合格，主程序?qū)ρb置進(jìn)行檢測，啟動伸展卷軸光伏板子程序，啟動雙軸聯(lián)動跟蹤子程序?？刂葡到y(tǒng) ? ?主控制程序主體分為卷軸伸展運(yùn)行過程和卷軸收縮折疊過程，其控制流程圖如圖6（a）和圖6（b） ? ? 所示。

4.2 ?卷軸翼展、收縮折疊控制子程序

卷軸翼展折疊部分包括主體支柱的伸縮和光伏電池板的翼展、收縮折疊。主體支柱伸展時(shí)，通過固定于箱體內(nèi)部的推桿電機(jī)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)上升移動，上升到一定高度后觸動限位開關(guān)進(jìn)行鎖死。卷軸翼展光伏電池板分有兩翼，可卷曲為正六邊形，翼展和折疊時(shí)由直流電機(jī)驅(qū)動正、反棘輪以類似于卷閘門的形式依次展開和折疊，前一片為后一片的支撐，展開完畢后呈兩個平面翼，折疊完畢后呈兩個卷軸。

4.3 ?雙軸聯(lián)動跟蹤控制子程序

雙軸聯(lián)動方向調(diào)節(jié)部分安裝主體支柱上，跟蹤方向包括水平回轉(zhuǎn)和豎直俯仰兩個方向，實(shí)現(xiàn)雙自由度跟蹤。其中一個步進(jìn)電機(jī)被安裝支柱上，通過減速機(jī)構(gòu)直接帶動支柱的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)功能。另一個步進(jìn)電機(jī)通過齒輪傳動實(shí)現(xiàn)豎直俯仰功能。

5 ?監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)通過PLC、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺和智能APP終端實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸，主要解決實(shí)時(shí)監(jiān)控問題[15]。硬件部分組裝完成后，在對數(shù)據(jù)處理與機(jī)械控制方面進(jìn)行調(diào)試，并對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。軟件部分則通過網(wǎng)關(guān)，將設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給云平臺，并在用戶端APP上顯示各類數(shù)據(jù)。并且通過現(xiàn)有的4G無線傳輸技術(shù)，把云平臺與GPRS網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息的交互[16]。如果調(diào)試出現(xiàn)問題，根據(jù)問題而制定具體的解決方案。其監(jiān)控平臺技術(shù)路線流程框圖如圖7所示。

硬件和軟件均調(diào)試成功后，對整個系統(tǒng)進(jìn)行模擬檢測。將實(shí)時(shí)采集到的風(fēng)力、露點(diǎn)程度、光線方位等環(huán)境參數(shù)通訊傳送至手機(jī)APP或其他個人終端。用戶能通過個人終端獲取信息并能用終端操控該裝置的運(yùn)動，關(guān)閉裝置時(shí)讓其收縮進(jìn)收納箱里。

6 ?結(jié)論

本文對卷軸翼展追日式光伏發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)械、硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。發(fā)電系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)由支撐部分、翼展折疊部分和方向調(diào)節(jié)部分組成。利用四象限光敏傳感器來檢測光照強(qiáng)度從而開始實(shí)現(xiàn)雙軸聯(lián)動追日功能;同時(shí)，依靠EM235收集風(fēng)速、露點(diǎn)等模擬電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，并傳送到PLC;再經(jīng)過PLC控制部分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整個卷軸翼展光伏發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤控制功能和通訊功能[17]。當(dāng)外界環(huán)境的風(fēng)速、露點(diǎn)程度達(dá)到設(shè)點(diǎn)閾值（系統(tǒng)所認(rèn)定的惡劣天氣）裝置將自動收縮，實(shí)現(xiàn)收納保護(hù)功能。

本設(shè)計(jì)在一定程度上彌補(bǔ)了固定式和單軸跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足。在相同環(huán)境條件下，有效地增加了太陽能接收率，提高了光伏發(fā)電效率。同時(shí)，系統(tǒng)所具備的收縮折疊與儲存功能可以在惡劣條件下實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件部分的保護(hù)，從而達(dá)到降低硬件損耗，延長使用壽命，減少維修成本，有效提高光伏發(fā)電效率的目的[18]。是光伏發(fā)電系統(tǒng)又一新突破，推動了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈義. 我國太陽能的空間分布及地區(qū)開發(fā)利用綜合潛力評價(jià)[D]. 蘭州大學(xué)， 2014.

[2] 朱艷偉. 光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提高理論方法及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 華北電力大學(xué)， 2012.

[3] 李凡雙. 追日式光伏智能充電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及物模研究[D]. 青島科技大學(xué)， 2018.

[4] 莫倫偉. 雙軸式太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究[D]. 山東科技大學(xué)， 2011.

[5] 楊劉. 一種新型太陽能跟蹤裝置的研究[D]. 西安建筑科技大學(xué)， 2014.

[6] 陳舟. 太陽能雙軸自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]. 湖北工業(yè)大學(xué)， 2015.

[7] 拜景彬. 基于全生命周期理論的光伏系統(tǒng)能耗分析[D]. 西安建筑科技大學(xué)， 2015.

[8] 苗向陽. 太陽能玻璃的加工及應(yīng)用技術(shù)研究[D]. 中國建筑材料科學(xué)研究總院， 2009.

[9] 徐靜. 自動跟蹤式獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D]. 杭州電子科技大學(xué)， 2009.

[10] 何燕陽. 基于PLC的太陽能板自動跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用， 2015， 5（04）： 51-54.

[11] 宋曉峰. 某海島風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 青島理工大學(xué)， 2014.

[12] 袁志國， 闕沛文， 黃作英. 一種太陽自動跟蹤裝置的設(shè)計(jì)[J]. 自動化與儀表， 2007（02）： 30-33.

[13] 王博林. 太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)的研究[D]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2016.

[14] 翟騰， 高宏玲， 盧麗芳. 提升光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的技術(shù)研究[J]. 工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新， 2015， 02（02）： 167-176.

[15] 許紫晗. 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D]. 內(nèi)蒙古大學(xué)， 2016.

[16] 王運(yùn)生. 基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式熱泵機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[D]. 安徽建筑大學(xué)， 2019.

[17] 閆怡璇. 基于PLC的模擬控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用設(shè)計(jì)[D]. 西華大學(xué)， 2012.

[18] 郭镥， 羅安， 黎燕， 彭雙劍. 新型光伏逆變器及其前饋功率預(yù)測控制[J]. 電力自動化設(shè)備， 2013， 33（06）： 119-123.