自動跟蹤太陽光伏發電設備控制器的設計
引言
能源是人類面臨經濟發展科技技能和環境維護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,同時通常最普遍且最方便使用的是電能。因而太陽能 光伏發電是最有套用前景的太陽能利用方式。目前,光伏發電的成本太高,世界各國正在積極改進電池製造工藝。採用新技術以提高轉換效率,降低光伏發電的成本。全自動跟蹤太陽發電設備從控制技術出發,採用新的光伏發電裝置技術,與固定式相比發電能力提高35％,成本下降25％。
全自動跟蹤控制是控制器的核心任務。本文設計的這套控制裝置是以工控計算機作為檢測與控制的核心產品,利用其PCI匯流排插槽、插入採集卡和I／O卡,實現巡迴 檢測多路模擬信號以及開關信號,可對檢測信號進行採集、顯示、查詢、圖形圖像處理、列印輸出,並且具有自校準、自診斷和自測試功能,同時可以根據測試的結 果進行自動控制,形成智慧型化控制器。
2 全自動跟蹤控制器硬體設計
2.1 硬體結構的基本組成
全自動跟蹤太陽光伏發電控制器主要由各種感測器、轉換電路、A／D採集卡、工控計算機、I／O卡、執行元件等組成。其硬體結構圖。 各種感測器檢測到的參數信號通過轉換電路,轉換成標準的1 V～5 V電信號,傳輸到模-數(A／D) 採集卡,將採集的各參數信號轉換為計算機可以處理的數字量,然後計算機對這些經過離散並量化的數位訊號進行監測與處理,並通過輸入／輸出卡(I／O)輸出 控制信號,以控制執行元件的接通或斷開。利用人機界面的系統監控軟體。設定系統運行方式,選擇控制算法,顯示實時和歷史的數據與圖表、分析、保存、報警、 列印、傳送命令控制系統運行等功能。
2.2 感測器的選擇和模擬輸入電路設計
該裝置可檢測14路系統參數,分別是光伏陣列的輸出電壓／電流、跟蹤光強、環境光強、蓄電池充電電流／電壓、逆變器的輸出交流電流、交流電壓、環境溫度、蓄電池溫度、光伏陣列溫度、太陽方位角、高度角和風速。
電流檢測是採用北京中新康達電子有限公司生產的電流感測器CHT50A-S實現的。該電流互感器的主要感測器件是霍爾元件,採用磁平衡原理。檢測精度高, 線性度好,而且檢測電路與被檢測電路完全隔離。但電流互感器實際上是電流一電流變換器,即將被測電流轉換為0 mA～50 mA標準電流,並以電流源方式輸出,為了獲得可供A／D採集卡採集的電壓信號,還必須外加電壓取樣電路,將電流信號轉變成電壓信號。其檢測電路原理。
電壓檢測是採用北京中新康達電子有限公司生產電壓感測器HT500VI實現的。該電壓感測器利用霍爾元件,採用磁補償原理,大功率電阻把電壓輸入變換為電 壓感測器的0 mA～10 mA標準輸入電流,並以電流源方式輸出,為了獲得可供A／D採集卡採集的電壓信號,還必須外加電壓取樣電路,將電流信號轉變成電壓信號。檢測電路原理如圖 2所示。環境溫度檢測是採用AD590溫度感測器實現的,它具有較高的精度和重複性,相對於熱敏電阻精度有所提高,且檢測溫度範圍為：-55℃～+155℃。檢測 電瓶溫度和光伏陣列溫度採用PT100鉑電阻。為了獲得A/D採集卡採集的電壓信號,還必須外加電壓取樣電路。取樣電路採用高阻抗同相放大器。檢測電路原理。太陽光強和太陽能電池組件表面光強的檢測非常重要,是系統太陽能電池組件性能和聚光發電效率的一個重要參數。在太陽光的照射下,由於太陽電池的輸出短路電 流與太陽輻照度成正比,故選取一塊經標準光強標定好的光電池作為光強感測器,只要測出其輸出短路電流和表面溫度即可推算出當時其表面所受的輻射光強。檢測 電路原理。 風速檢測是採用長春氣象儀研究所生產的FC-1型風速風向感測器。風杯風速儀是用風杯旋轉架作為感應元件,一個多齒轉盤和光電斷器用來將轉子速度轉換為與 風速成正比的頻率電信號,為了獲得A／D採集卡採集的電壓信號,還必須外加電壓取樣電路。將電頻率信號轉變成電壓信號。把頻率信號送入頻率／電壓轉換器 中,經過取樣電路,就可以得到與風速成正比的標準電壓信號。其檢測電路原理。
2.3 自動跟蹤太陽與蓄電池充放電控制
太陽位置的變化會引起照射在平面鏡鏡面光強的變化,要使平面鏡接收到最大的光強,應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,可利用兩個步進電機驅動平面鏡作兩軸運動,達到跟蹤太陽的目的。在高度角和方位角跟蹤時分別利用兩隻2CU型光電二極體作為太陽位置的敏 感元件。4隻光電二極體安裝在同一個半球形的感測器殼內。每對二極體被中間隔板隔開,對稱地放在隔板兩側。感測器俯視結構如圖6(a)所示。當鏡面對準太 陽時,太陽光平行於隔板,兩隻二極體的感光量相等,輸出電壓相同。當太陽光略有偏移時,隔板的陰影落在其中一隻二極體上,使兩隻二極體的感光量不等,輸出 電壓也不相等。根據輸出電壓確定步進電機的轉向,控制相關的繼電器動作,接通步進電機使其轉動。當轉到太陽光重新平行於隔板時,兩隻二極體輸出相同電壓, 繼電器斷開,電機停轉。光電二極體信號放大電路。
3 全自動跟蹤控制器的軟體設計
系統運行流程圖如圖7所示。本軟體設計採用Windows作業系統作為工作平台,以採集卡和I／O卡的驅動程式作為程式語言,主要包括主程式、採集數據子 程式、監控子程式、跟蹤子 程式、蓄電池充放電子程式等。此系統中數據採集量巨大,數據的處理要求高,隨著時間的推移,數據的統計、保存、查詢都會變的更加複雜。因此,必須採用先進 的資料庫管理技術。系統採用Visual Basic6.0軟體平台。
結束語
光伏發電系統輸出電壓為75 V,功率為3 kW。只要對控制器的部分軟硬體作適當的改動,即可適用於更大或更小容量的光伏系統。
該控制器是集光、機、電於一體的多功能智慧型控制器,系統經過長時間的實驗模擬運行,具有精度高、操作方便、運行穩定等特點,提高了太陽能發電設備的利用率,大幅度降低了太陽能發電的成本。
參考見：http://www.industech.com.cn/
