沿海太阳能电池板的保护装置及智能向光控制.pdf

12 智青春创未来 第十一届“三菱电机杯”全国大学生电气与自动化大赛论文集 沿海太阳能电池板的保护装置 及智能向光控制 摘要 为了实现沿海太阳能电池板在台风等自然灾害的保护，本文设计了沿海太阳能电池板的保护装置及智能向光控制。该装置采用 三菱PLC作为主控制器，通过收合太阳能电池板叶片并将光伏旋转组件自动折叠存放至保护箱中，实现对太阳能电池板的有效保 护。该装置还具有智能向光的功能，能够根据当前太阳所在位置自动调整太阳能电池板的方向和角度，有效地提高了太阳能的利 用效率。 关键词 太阳能电池板；保护装置；智能向光；三菱PLC 1 引言 面对世界性的能源危机，各国都非常重视新能源的发展和 应用。根据欧洲、日本等能源机构预测，2020年，太阳能光伏 发电量将占全球发电量的1%；2040年将占全球发电量的21%； 2050年左右，太阳能将成为全球主力替代能源1。 在沿海地区，台风发生频率较高，太阳能电池板非常容易 在台风天气下损毁，极大地限制了太阳能光伏发电在沿海地带的 发展。2015年10月，广东省湛江市太阳能光伏电站的光伏板矩阵 因“彩虹”台风遭到严重破坏；2016年6月，江苏盐城某公司的3 兆瓦屋顶光伏项目因龙卷风摧毁。目前，太阳能电池板的保护措 施主要采用光伏支架保护，但光伏支架很难在强台风中对太阳能 电池板进行有效的保护2。 在内陆地区，太阳能电池板在沙尘暴、冰雹等灾害下易损 坏且难以清洁管理，在一定程度上限制了太阳能电池板在内陆地 区的发展3。 在传统保护装置无法满足太阳能电池板有效保护的情况 下，本文将太阳能电池板组设计为花瓣式结构，可对太阳能电池 板叶片进行360收放以及对光伏旋转装置的自动折叠存放，将 整个装置降至保护箱中保护，避免了台风等对太阳能电池板的直 接接触。 由于太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时 间不断变化的问题，很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的， 不能充分利用太阳能资源，发电效率低4。因此本设计采用仿生 学原理，仿照向日葵，将太阳能电池板设计为智能向光，根据当 前太阳位置自动调整太阳能电池板的方向和角度吸收太阳能，有 效地提高了太阳能的利用效率5。 2 系统结构 系统总体结构由PLC的电源模块、CPU、输入输出模块、AD 转换模块及AC220V、DC24V、DC5V电压源组成。输出模块主要 控制系统的俯仰部分、旋转部分、升降部分及叶片收展部分的电 机。输入模块连接不同的按钮，CPU根据不同按钮的输入执行相 对应的程序，控制输出部分动作，完成相对应功能。如图1所示。 图1 系统总体结构 Protection of Coastal Solar Panels and Automatic Tracking of the Solar Control Abstract: In order to realize the protection of costal solar panels against the natural disasters such as typhoon, this paper designed a protection device and intelligent light control. This device uses MITSUBISHI PLC as the main controller to achieve effective protection of solar panels by combining the solar panel blades and automatically folding the photovoltaic rotating components into the protection box. This device also has the function of adjusting the direction and angle of solar panels automatically, according to the current location of the sun, which improves the effi ciency of solar energy effectively. Key words: Solar panel; Protection device; Intelligent to light; MITSUBISHI PLC 李瑞昌，罗朋（广东海洋大学，广东 湛江 524088） 万方数据 13 智青春创未来 第十一届“三菱电机杯”全国大学生电气与自动化大赛论文集 3 系统设计 3.1 硬件设计 硬件控制结构，如图2所示。硬件连接结构，如图3所示。 图2 硬件控制结构 图3 硬件连接结构 （1）压差采集 在装置顶端的光照强度采集器由四个5549光敏电阻和十字 挡光板组成，如图4所示。四个光敏电阻的位置分别位于十字挡 光片的四个内角处，每对对角的光敏电阻在不同的光照强度采集 的电压值不同。将两电阻压差对两个相反的固定数值进行比较， 当压差大于正固定数值时，控制旋转或俯仰的电机正转；当压差 小于负固定数值时，控制旋转或俯仰的电机反转；当压差在负固 定数值和正固定数值范围之间时，电机断电自锁。 图4 压差采集光敏电阻位置 为了使采集电压随光照强度的增加而增加，本设计采用外 接下拉电阻的方式。为了降低电阻在较强的光照强度的情况饱和 现象，采用型号5549的光敏电阻。在5V电源供电且室内无光条 件下，电压近乎为0；室内日光灯条件下，所测电压为1.5V；室 内聚光灯下，电压电压为4.15V；室外无阳光直射的条件下，电 压为3.85V；室外有阳光直射，电压为4.65V。通过这些数据的整 合，选定在两个光敏电阻所测压差为0.4V时电机动作。 （2）俯仰装置 装置俯仰部分由电动推杆、活动支架和上托盘组成。在电 动推杆的最短及最长距离的位置都设有行程开关。通过两个接触 器对电动推杆进行正反转的控制。智能向光运行时，电动推杆根 据压差的大小伸长或缩短推杆。 （3）旋转装置 由57步进电机、步进电机驱动器、直角减速器、改造的直 角减速器旋转轴、上主轴和下主轴组成。步进电机带动直角减速 器旋转，带动上主轴旋转，实现旋转功能；在控制上，PLC根据 采集到的压差值或手动按下旋转键的时长发出相应的脉冲数控制 步进电机的旋转步数。通过改变步进电机驱动器的方向控制端子 的电平控制步进电机的旋转方向，进而驱动步进电机带动的上主 轴旋转到相应位置。 （4）升降装置 由电动推杆、下主轴和活动支架组成。电动推杆的推拉实 现下主轴的升和降，其推拉由内部电机的正反转实现，外部通过 两个接触器由三菱PLC的两个输出口控制。在启动保护装置时， 电动推杆由原来的最大位置状态收缩为最小位置状态，下主轴及 以上部件由正常状态下降为保护箱保护状态。在解除保护装置 时，电动推杆工作流程与启动保护时相反，解除保护后，装置恢 复到正常状态。 （5）叶片收展 由直流减速机、联轴器、特制轴、特制活动圆环（含上圆 环、中圆环、下圆环）、太阳能电池板叶片、筒套、固定圆环和 上下托盘组成。直流减速机通过联轴器与特制轴相连接，从而带 动最上面的固定圆环运动，由电机的正反转实现各叶片从上往 下逐渐展开或者收合。直流减速机以每分钟10转的速度旋转，断 电时具有自锁的功能。通过控制PLC中的定时器控制电机旋转时 间，进而控制叶片展开或收合的角度。保护装置启动时，太阳能 电池板叶片逐渐收合，由圆形花朵展开状态收合为一花瓣形状； 当解除保护状态后，由一花瓣形状展开为圆形花朵形状。 （6）软件设计 4 系统调试 在不同光照强度的环境下，光敏电阻采集的压差有所不 压差采集： 智能向光QPLC 光敏电阻光源 电动推杆1太阳能电池板叶片 步进驱动器步进电机上主轴 折叠保护 直流减速机太阳能电池板叶片 电动推杆2下主轴 叶片俯仰： 主轴旋转： 叶片收展： 主轴升降： 万方数据 14 智青春创未来 第十一届“三菱电机杯”全国大学生电气与自动化大赛论文集 同，在进行多次的调试后，选择最适合当地光照强度的动作压 差；在动作压差的选择上，综合考虑了太阳能电池板光伏发电量 与智能向光跟踪动作频率的关系，选择最合适的动作压差；为了 整个装置运行稳定及减少动作惯性的影响，在选择旋转部分旋 转速度时，经过多次测试，选择以15秒每转的速度旋转；在选择 俯仰部分俯仰速度时，选择以4mm每秒的速度俯仰；在选择升降 部分的升降速度时，选择以4mm每秒的速度的升降；在旋转、俯 仰、升降和叶片收展部分的电机选取上，采用了掉电自锁结构， 在掉电的情况下不能旋转。经过各部分的调整，系统可实现预期 目标。 5 结语 装置采用三菱PLC作为控制器，实现了太阳能电池板的保护 和智能向光控制。本装置还具有提升空间，例如通过检测风速的 大小自动开启保护装置等。本装置在功能上同样还适用于沙尘 暴、冰雹等灾害情况下。因此在适用性方面具有很大发展前景， 整个装置在未来的光伏发电领域也具有很大的推广和应用价值。 作者简介： 李瑞昌（1994-），男，广东梅州人，广东海洋大学在读本科，自动 化专业。 罗 朋（1988-），男，河南安阳人，助教，硕士研究生，就职于广 东海洋大学，研究方向为电气工程。 图5 自动模式PLC程序流程 图6 手动模式PLC程序流程 参考文献： 1 杨忠. 太阳能光伏发电现状与发展趋势J. 金陵科技学院学报, 2008, 24 ( 1 ) : 9 - 13. 2 韦媛. “彩虹”台风灾害对太阳能光伏电站损毁性影响原因分析和应对措施J. 通讯世界, 2015 ( 22 ) : 103 - 105. 3 范迪飞, 董兵海, 王世敏, 等. 太阳能电池板表面自清洁技术的研究进展J. 材料导报, 2015, 29 ( 19 ) : 111 - 115. 4 罗维平. 基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统的研究J. 伺服控制, 2009, 35 ( 9 ) : 138 - 140. 5 王雪文, 王洋, 阎军锋, 等. 太阳能电池板自动跟踪控制系统的设计J. 西北大学学报: 自然科学版, 2004, 34 ( 2 ) : 163 - 164. 万方数据