Techniques of Automation &Applications
郝明1,2，杨庆禹1，吴文凯1,2
（1.黑龙江省科学院自动化研究所，黑龙江哈尔滨150090；2.黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨150020）
摘
要：本文介绍了一种基于PLC 控制的太阳能发电装置，该装置具有自动追踪当前太阳位置的功能，从而调节太阳能发电板的位 置，使得阳光直射太阳能板，从而提高太阳能的采集效率。
关键词:PLC；太阳花；太阳位置中图分类号：TP273
文献标志码:B
文章编号:1003-7241(2019)07-0154-04
Design of Folding Sunflower Automatic Tracing System
HAO Ming 1,2,Yang Qing-yu 1,WU Wen-kai 1,2
(1.Institute of Automation,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090China;2.Institute of Advanced Technology,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090China )
Abstract:This paper introduces a solar power generating device based on PLC control,which has the function of automatically
tracking the current solar position,thus adjusting the position of the solar panel and making the sun shine directly into the solar panel.Thus improve the collection efficiency of solar energy.
Key words:PLC;sunflower;sun position
收稿日期:2019-03-19
1引言
在改革开放的近50年间，我国的能源行业发生巨变，能源生产和消费总量跃升世界首位，清洁能源消
费比重持续提升，给社会经济发展注入源源不断的动力。在“绿发展”的理念下，风电、太阳能光伏发电等可再生新能源的重要性愈发体现，构建了清洁低碳、安全高效的能源体系，推动着我国能源在实现高质量发展上不断取得新进展。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输对环境无任何污染，为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代，所以研究实现对太阳能的高效利用具有重大意义[1]。太阳能发电的效率一直是人们关心和研究的重点，在太阳能采集的问题上，保持太阳光入射角度与太阳能发电板成90°角，将大大提高太阳能的发电效率。本项目的研究重点是如何实时将太阳能发电板的位置调整在与太阳光入射角成90°的位置上[2]。
2计算太阳位置
本系统采用PLC 程序控制，由PLC 计算出追光系统所处地理位置的太阳高度角和方位角，再通过直流电机调整装置的高度仰角与方位角，进而对太阳位置实施跟踪的动作。通过查阅相关文献和天文学知识，采用如下公式对太阳的高度角和方位角进行计算： 2.1太阳赤纬角计算
太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，
以δ表示，在一年当中，太阳赤纬角每天都在变化。但不超过-27.23～27.23的范围。夏天最大变化到夏至日的27.23；冬天最小变化到冬至日的-27.23。太阳赤纬随季节变化，按照库伯方程[3]，如公式（1）
所示：
（1）
n：一年中日期的序号
2.2太阳高度角的计算
太阳高度角是指从太阳中心直射到当地水平面的夹
角，以h 表示。其值再0°到90°，日出日落为0°，太阳
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在天正顶时是90°，太阳的高度角计算公式为公式（2）：
sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost
（2）
h：太阳高度角，φ：地理纬度，δ：太阳赤纬，t：太阳时角不锈钢勾花网
2.3太阳方位角的计算
太阳方位角计算公式如公式（3）所示：cosA=(sinh*sinφ-sinδ)/(cosh*cosφ)A （3）
h：太阳高度角φ：地理纬度δ：太阳赤纬
通过以上公式的推导，我们知道某个地点的经纬度
坐标，和当前时间后，就可以将太阳相对于这个地点的方位角，高度角计算出来，方便了我们对太阳角度的跟踪[4]。
3控制系统硬件设计
太阳花装置如图1所示[5]，主要分为固定底座和回转展开两个部分，底座部分固定于地面，内含有设备的控制电路板、回转减速电机及蓄电池等装置。回转展开部分太阳花装置的工作部分，将太阳能转化成电能，由电机控制叶片的全周展开、俯仰回转追光动作。叶片由十二片
花瓣形太阳能电池板及骨架底板构成，能够折叠，也能够全周展开形成太阳花的外形[6]。
图1太阳花外观结构示意图
系统电控部分如图2所示采用西门子S7SMART 200PLC SR60作为控制器。S7-200SMART
是西门子
图2系统控制原理图
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针对中国的OEM 市场研发的新一代PLC，作S7-200CN 的升级产品，一方面继承了S7-200CN 丰富的功能，另一方面融入了新的亮点，S7-200SMART 在包装、纺织、机床、食品、橡塑等众多行业得到广泛应用，在提升设备性能和降低设备成本上发挥着重要作用。
由图1中可以看出，本系统中需要对三个轴进行控制，从而跟踪太阳位置。这三根轴分别为展开轴、俯仰轴与方位轴，其中展开轴的位移范围为0-360°，俯仰轴的位移范围0-90°，方位轴的位移范围0-360°。为了更好的对轴位置进行跟踪，选用了绝对值角位移传感器加装在三根轴上，对三根轴的位置进行反馈。反馈信号与PLC 中的计算值进行比较，得出当前轴位置与当前太阳位置的偏差，再由PLC 控制直流电机进行位置调整，从而达到对太阳位置进行跟踪的功能。
同时对太阳花运行中的各种情况进行了如下的保护功能设计，
1.加装雨量感应传感器，当超过设定的雨量值时，系统将暂时收起叶片
2.加装风速感应传感器，当风速过大时，叶片将收起高温闸板阀
3.加装电池电量传感器，当蓄电池的电量过低时，将控制充电机与太阳能控制器对电池组进行充电操作，以保证电池组的寿命。
4系统软件设计
系统人机接口采用台达触摸屏DOP-B07S411，人机界面窗口如图3。在本系统中，触摸屏与PLC 实时进行通讯，将系统运行的实时数据显示在窗口中，方便操作人员及时了解系统的情况。也提供操作员对系统的各种操作
按钮，方便操作人员手动对系统进行调整和调试。在本系统中，还通过MODBUS 通讯，直接与电量表进行通讯，将发电量与用电量进行统计与显示。
系统控制方式分为手动控制和自动控制如图4，手动控制方式下，可以对单台电机进行正反转启动、停止控制，方便系统调试期间对各个轴位置的调整。自动控制方式为系统常用的控制方式，在程序设计时，共设计了三个子程序：开花子程序、收花子程序、追踪太阳角度子程序。
图4软件系统流程图
数据监控开花子程序：装置将首先将太阳花叶片举高至90°，然后展开太阳花叶片。
图3
变速箱取力器
触摸屏人机界面
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收花子程序：装置执行闭花收起动作，首先将叶片举高至90°，然后方位角电机将装置转到正南位置，展开电机将叶片收起，最后俯仰电机将叶片完全落下。
追踪太阳角度子程序：每过一段时间，装置将根据当前太阳位置进行跟踪动作，在高度角与方位角上进行调整以使太阳光直射叶片。
考虑到风雨天气可能对装置造成破坏的问题，软件设计了以下保护功能，出现如下情况时，将执行收花子程序，风速过高：风速过大时为了保护装置，将执行闭花收起动作，当风速下降到安全速度并保持一段时间后，装置根据当前太阳高度角判断是否执行举起开花动作(小于3°将不再举起，大于3°将举起开花，小于3°认为太阳在地平面以下。）
采光天窗雨雪天气，当下雨或下雪时，装置将执行闭花收起动作，雨雪信号消失一段时间后，装置根据当前太阳高度判断是否执行举起开花动作(小于3°将不再举起，大于3°将举起开花）
5结束语
本文阐述了一种可自动追踪太阳位置的装置。该装置根据太阳相对位置的算法，利用PLC控制技术和电机驱动技术，使太阳能电池板自动保持与太阳光角度接近90°，从而提高太阳能的采集效率。该装置根据天气情况，可自动实现收起与打开，从而可利用在无人值守的场所，为一种高效、安全利用太阳能的装置。
参考文献:
[1]胡兴军.全球光伏产业的加速发展[J].华通技术，2007, 26(3):36-39.
[2]周令琛，王晓伟.太阳能发电最大功率点跟踪装置设计与实现[J].上海第二工业大学学报，2009，26（3）:176-181.
[3]刘贤，蒋逢灵.基于PLC的碟式太阳能跟踪控制系统设计印[J].微型机与应用，2012,31(5):84-86.
[4]周天沛，全自动光伏发电装置的设计[J].自动化技术与应用,2011,30(1):93-95,99.
[5]赵寒涛，吴文凯.折叠式太阳能自动追踪光伏发电装置设计[J].自动化技术与应用,2018,37(9):136-139.
[6]吴文凯，赵欣悦，赵寒涛.太阳能电池板旋转折叠展开装置设计[J].自动化技术与应用,2018,37(10):21-24,32.
减温减压装置撬装重心
作者简介：郝明（1978-），男，副研究院，研究方向：工业自动化控制。
[2]董莘.工业级熔融沉积式3D打印机供料挤出螺杆的研究与设计[J].机械工程师,2016(16):82-85.
[3]郑启宏.如何选择注塑机螺杆[J].上海塑料,2001(3): 27—28.
[4]张勇.电机拖动与控制[M].机械工业出版社,2001.
[5]王忠庆，孙裕霖.电机及拖动基础[M].中国轻工业出版社,1991.
[6]路敦民，王克义，崔洪斌.机电传动及控制[M].哈尔滨工程大学出版社,2005.
作者简介：朱金龙(1981-)，男，工程师，硕士，研究方向：工业设计工程。
通信作者：赵寒涛(1974-)，男，研究员级高级工程师，硕士，研究方向：机电一体化技术。
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