1、引言

能源是人類面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境維護(hù)平衡需要解決的最根本最重要的問題。太陽能是一種極為豐富的清潔能源，同時(shí)通常最普遍且最方便使用的是電能。因而太陽能光伏發(fā)電是最有應(yīng)用前景的太陽能利用方式。目前，光伏發(fā)電的成本太高，世界各國正在積極改進(jìn)電池制造工藝。采用新技術(shù)以提高轉(zhuǎn)換效率，降低光伏發(fā)電的成本。全自動(dòng)跟蹤太陽發(fā)電設(shè)備從控制技術(shù)出發(fā)，采用新的光伏發(fā)電裝置技術(shù)，與固定式相比發(fā)電能力提高35％，成本下降25％。

全自動(dòng)跟蹤控制是控制器的核心任務(wù)。本文設(shè)計(jì)的這套控制裝置是以工控計(jì)算機(jī)作為檢測(cè)與控制的核心，利用其PCI總線插槽、插入采集卡和I／O卡，實(shí)現(xiàn)巡回檢測(cè)多路模擬信號(hào)以及開關(guān)信號(hào)，可對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集、顯示、查詢、圖形圖像處理、打印輸出，并且具有自校準(zhǔn)、自診斷和自測(cè)試功能，同時(shí)可以根據(jù)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)控制，形成智能化控制器。

2、全自動(dòng)跟蹤控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)的基本組成

全自動(dòng)跟蹤太陽光伏發(fā)電控制器主要由各種傳感器、轉(zhuǎn)換電路、A／D采集卡、工控計(jì)算機(jī)、I／O卡、執(zhí)行元件等組成。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

各種傳感器檢測(cè)到的參數(shù)信號(hào)通過轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的1 V～5 V電信號(hào)，傳輸?shù)侥?數(shù)（A／D） 采集卡，將采集的各參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字量，然后計(jì)算機(jī)對(duì)這些經(jīng)過離散并量化的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與處理，并通過輸入／輸出卡（I／O）輸出控制信號(hào)，以控制執(zhí)行元件的接通或斷開。利用人機(jī)界面的系統(tǒng)監(jiān)控軟件。設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行方式，選擇控制算法，顯示實(shí)時(shí)和歷史的數(shù)據(jù)與圖表、分析、保存、報(bào)警、打印、發(fā)送命令控制系統(tǒng)運(yùn)行等功能。

2.2 傳感器的選擇和模擬輸入電路設(shè)計(jì)

該裝置可檢測(cè)14路系統(tǒng)參數(shù)，分別是光伏陣列的輸出電壓／電流、跟蹤光強(qiáng)、環(huán)境光強(qiáng)、蓄電池充電電流／電壓、逆變器的輸出交流電流、交流電壓、環(huán)境溫度、蓄電池溫度、光伏陣列溫度、太陽方位角、高度角和風(fēng)速。

電流檢測(cè)是采用北京中新康達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的電流傳感器CHT50A-S實(shí)現(xiàn)的。該電流互感器的主要傳感器件是霍爾元件，采用磁平衡原理。檢測(cè)精度高，線性度好，而且檢測(cè)電路與被檢測(cè)電路完全隔離。但電流互感器實(shí)際上是電流一電流變換器，即將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換為0 mA～50 mA標(biāo)準(zhǔn)電流，并以電流源方式輸出，為了獲得可供A／D采集卡采集的電壓信號(hào)，還必須外加電壓取樣電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。其檢測(cè)電路原理如圖2所示。

電壓檢測(cè)是采用北京中新康達(dá)電子有限公司生產(chǎn)電壓傳感器HT500VI實(shí)現(xiàn)的。該電壓傳感器利用霍爾元件，采用磁補(bǔ)償原理，大功率電阻把電壓輸入變換為電壓傳感器的0 mA～10 mA標(biāo)準(zhǔn)輸入電流，并以電流源方式輸出，為了獲得可供A／D采集卡采集的電壓信號(hào)，還必須外加電壓取樣電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。檢測(cè)電路原理如圖2所示。

環(huán)境溫度檢測(cè)是采用AD590溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的，它具有較高的精度和重復(fù)性，相對(duì)于熱敏電阻精度有所提高，且檢測(cè)溫度范圍為：-55℃～+155℃。檢測(cè)電瓶溫度和光伏陣列溫度采用PT100鉑電阻。為了獲得A/D采集卡采集的電壓信號(hào)，還必須外加電壓取樣電路。取樣電路采用高阻抗同相放大器。檢測(cè)電路原理如圖3所示。

太陽光強(qiáng)和太陽能電池組件表面光強(qiáng)的檢測(cè)非常重要，是系統(tǒng)太陽能電池組件性能和聚光發(fā)電效率的一個(gè)重要參數(shù)。在太陽光的照射下，由于太陽電池的輸出短路電流與太陽輻照度成正比，故選取一塊經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)標(biāo)定好的光電池作為光強(qiáng)傳感器，只要測(cè)出其輸出短路電流和表面溫度即可推算出當(dāng)時(shí)其表面所受的輻射光強(qiáng)。檢測(cè)電路原理如圖4所示。

風(fēng)速檢測(cè)是采用長春氣象儀研究所生產(chǎn)的FC-1型風(fēng)速風(fēng)向傳感器。風(fēng)杯風(fēng)速儀是用風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)架作為感應(yīng)元件，一個(gè)多齒轉(zhuǎn)盤和光電斷器用來將轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)換為與風(fēng)速成正比的頻率電信號(hào)，為了獲得A／D采集卡采集的電壓信號(hào)，還必須外加電壓取樣電路。將電頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。把頻率信號(hào)送入頻率／電壓轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)過取樣電路，就可以得到與風(fēng)速成正比的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。其檢測(cè)電路原理如圖5所示。

太陽能電池陣列角度檢測(cè)是采用北京天海科科技公司DWQ-360-BZ-V型角度傳感器實(shí)現(xiàn)的，該傳感器具有分辨率高、溫度穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點(diǎn)。

2.3 自動(dòng)跟蹤太陽與蓄電池充放電控制

太陽位置的變化會(huì)引起照射在平面鏡鏡面光強(qiáng)的變化，要使平面鏡接收到最大的光強(qiáng)，應(yīng)使鏡面與太陽光線照射垂直，因此必須使平面鏡跟蹤太陽。太陽位置由高度角和方位角確定，可利用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)平面鏡作兩軸運(yùn)動(dòng)，達(dá)到跟蹤太陽的目的。在高度角和方位角跟蹤時(shí)分別利用兩只2CU型光電二極管作為太陽位置的敏感元件。4只光電二極管安裝在同一個(gè)半球形的傳感器殼內(nèi)。每對(duì)二極管被中間隔板隔開，對(duì)稱地放在隔板兩側(cè)。傳感器俯視結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示。當(dāng)鏡面對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，太陽光平行于隔板，兩只二極管的感光量相等，輸出電壓相同。當(dāng)太陽光略有偏移時(shí)，隔板的陰影落在其中一只二極管上，使兩只二極管的感光量不等，輸出電壓也不相等。根據(jù)輸出電壓確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，控制相關(guān)的繼電器動(dòng)作，接通步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)到太陽光重新平行于隔板時(shí)，兩只二極管輸出相同電壓，繼電器斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn)。光電二極管信號(hào)放大電路如圖6（b）所示。

蓄電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要元件，延長其使用壽命是關(guān)鍵問題。蓄電池在充電過程中過量充電或是在放電過程中過量放電都會(huì)對(duì)蓄電池的性能造成不良影響，所以采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的端電壓，根據(jù)充放電要求，控制充放電電子開關(guān)的導(dǎo)通和截止，從而延長蓄電池的使用壽命。確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。蓄電池放電即負(fù)載用電可以采用兩點(diǎn)控制方式，當(dāng)蓄電池電壓下降到一定值時(shí)報(bào)警，提醒工作人員節(jié)約用電，減少負(fù)荷；當(dāng)電壓下降到更低的下限值時(shí)，系統(tǒng)切斷負(fù)載，從而防止蓄電池過放電造成的損壞。

為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，還設(shè)有自動(dòng)防風(fēng)保護(hù)功能，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到8級(jí)以上時(shí)，通過風(fēng)速傳感器檢測(cè)到風(fēng)速報(bào)警信號(hào)后，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的繼電器輸出放翻控制動(dòng)作，使太陽能電池組件和多平面鏡陣快速收平，當(dāng)風(fēng)力降下來時(shí)，延遲10分鐘，解除防風(fēng)狀態(tài)，恢復(fù)平面鏡陣的跟蹤過程。

此系統(tǒng)還設(shè)有夜晚自動(dòng)恢復(fù)原始排放狀態(tài)功能，當(dāng)系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)環(huán)境光強(qiáng)和實(shí)時(shí)時(shí)間都小于設(shè)定的最小經(jīng)濟(jì)發(fā)電光強(qiáng)和傍晚時(shí)間時(shí)，平面鏡陣恢復(fù)到原始位置，等待第二天的運(yùn)行。

2.4 采集卡與I／O卡的選擇

數(shù)據(jù)采集選用中泰研創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的PC-6330模擬量輸入采集卡，單端16路12位A／D轉(zhuǎn)換輸入和PS-003通用接線端子板配合使用完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理；開關(guān)量輸出輸入輸出采用PC-6408光隔離開關(guān)量輸入輸出接口卡，DI為16路，DO也為16路，與PS-002繼電器板配合使用完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸出控制。

3、 全自動(dòng)跟蹤控制器的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖7所示。本軟件設(shè)計(jì)采用Windows操作系統(tǒng)作為工作平臺(tái)，以采集卡和I／O卡的驅(qū)動(dòng)程序作為編程語言，主要包括主程序、采集數(shù)據(jù)子程序、監(jiān)控子程序、跟蹤子 程序、蓄電池充放電子程序等。此系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集量巨大，數(shù)據(jù)的處理要求高，隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、保存、查詢都會(huì)變的更加復(fù)雜。因此，必須采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)。系統(tǒng)采用Visual Basic6.0軟件平臺(tái)。

4 、結(jié)束語

光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓為75 V，功率為3 kW。只要對(duì)控制器的部分軟硬件作適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，即可適用于更大或更小容量的光伏系統(tǒng)。

該控制器是集光、機(jī)、電于一體的多功能智能控制器，系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行，具有精度高、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，提高了太陽能發(fā)電設(shè)備的利用率，大幅度降低了太陽能發(fā)電的成本。

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