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1 引言 能源是人類(lèi)面臨經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境維護平衡需要解決的最根本最重要的問(wèn)題。太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電是最有應用前景的太陽(yáng)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)以提高轉換效率，降低光伏發(fā)電的成本。全自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)發(fā)電設備從控制技術(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，利用其PCI總線(xiàn)插槽、插入采集卡和I／O卡，實(shí)現巡回檢測多路模擬信號以及開(kāi)關(guān)信號，可對檢測信號進(jìn)行采集、顯示、查詢(xún)、圖形圖像處理、打印輸出，并且具有自校準、自診斷和自測試功能，同時(shí)可以根據測試的結果進(jìn)行自動(dòng)控制，形成智能化控制器。 2 全自動(dòng)跟蹤控制器硬件設計 2.1 硬件結構的基本組成 全自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光伏發(fā)電控制器主要由各種傳感器、轉換電路、A／D采集卡、工控計算機、I／O卡、執行元件等組成。其硬件結構圖如圖1所示。 各種傳感器檢測到的參數信號通過(guò)轉換電路，轉換成標準的1 V～5 V電信號，傳輸到模-數(A／D) 采集卡，將采集的各參數信號轉換為計算機可以處理的數字量，然后計算機對這些經(jīng)過(guò)離散并量化的數字信號進(jìn)行監測與處理，并通過(guò)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(kāi)。利用人機界面的系統監控軟件。設置系統運行方式，選擇控制算法，顯示實(shí)時(shí)和歷史的數據與圖表、分析、保存、報警、打印、發(fā)送命令控制系統運行等功能。 2.2 傳感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(huán)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(huán)境溫度、蓄電池溫度、光伏陣列溫度、太陽(yáng)方位角、高度角和風(fēng)速。 電流檢測是采用北京中新康達電子有限公司生產(chǎn)的電流傳感器CHT50A-S實(shí)現的。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。檢測精度高，線(xiàn)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(shí)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，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，還必須外加電壓取樣電路，將電流信號轉變成電壓信號。其檢測電路原理如圖2所示。 電壓檢測是采用北京中新康達電子有限公司生產(chǎn)電壓傳感器HT500VI實(shí)現的。該電壓傳感器利用霍爾元件，采用磁補償原理，大功率電阻把電壓輸入變換為電壓傳感器的0 mA～10 mA標準輸入電流，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，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(huán)境溫度檢測是采用AD590溫度傳感器實(shí)現的，它具有較高的精度和重復性，相對于熱敏電阻精度有所提高，且檢測溫度范圍為：-55℃～+155℃。檢測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，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。檢測電路原理如圖3所示。 太陽(yáng)光強和太陽(yáng)能電池組件表面光強的檢測非常重要，是系統太陽(yáng)能電池組件性能和聚光發(fā)電效率的一個(gè)重要參數。在太陽(yáng)光的照射下，由于太陽(yáng)電池的輸出短路電流與太陽(yáng)輻照度成正比，故選取一塊經(jīng)標準光強標定好的光電池作為光強傳感器，只要測出其輸出短路電流和表面溫度即可推算出當時(shí)其表面所受的輻射光強。檢測電路原理如圖4所示。 風(fēng)速檢測是采用長(cháng)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)杯旋轉架作為感應元件，一個(gè)多齒轉盤(pán)和光電斷器用來(lái)將轉子速度轉換為與風(fēng)速成正比的頻率電信號，為了獲得A／D采集卡采集的電壓信號，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(jīng)過(guò)取樣電路，就可以得到與風(fēng)速成正比的標準電壓信號。其檢測電路原理如圖5所示。 太陽(yáng)能電池陣列角度檢測是采用北京天�？瓶萍脊綝WQ-360-BZ-V型角度傳感器實(shí)現的，該傳感器具有分辨率高、溫度穩定性好等突出優(yōu)點(diǎn)。 2.3 自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)與蓄電池充放電控制 太陽(yáng)位置的變化會(huì )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(yáng)光線(xiàn)照射垂直，因此必須使平面鏡跟蹤太陽(yáng)。太陽(yáng)位置由高度角和方位角確定，可利用兩個(gè)步進(jìn)電機驅動(dòng)平面鏡作兩軸運動(dòng)，達到跟蹤太陽(yáng)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(yáng)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。每對二極管被中間隔板隔開(kāi)，對稱(chēng)地放在隔板兩側。傳感器俯視結構如圖6(a)所示。當鏡面對準太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)光平行于隔板，兩只二極管的感光量相等，輸出電壓相同。當太陽(yáng)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。根據輸出電壓確定步進(jìn)電機的轉向，控制相關(guān)的繼電器動(dòng)作，接通步進(jìn)電機使其轉動(dòng)。當轉到太陽(yáng)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(kāi)，電機停轉。光電二極管信號放大電路如圖6(b)所示。 蓄電池作為光伏發(fā)電系統的重要元件，延長(cháng)其使用壽命是關(guān)鍵問(wèn)題。蓄電池在充電過(guò)程中過(guò)量充電或是在放電過(guò)程中過(guò)量放電都會(huì )對蓄電池的性能造成不良影響，所以采用計算機實(shí)時(shí)檢測蓄電池的端電壓，根據充放電要求，控制充放電電子開(kāi)關(guān)的導通和截止，從而延長(cháng)蓄電池的使用壽命。確保系統的正常運行。蓄電池放電即負載用電可以采用兩點(diǎn)控制方式，當蓄電池電壓下降到一定值時(shí)報警，提醒工作人員節約用電，減少負荷；當電壓下降到更低的下限值時(shí)，系統切斷負載，從而防止蓄電池過(guò)放電造成的損壞。 為了提高系統運行的可靠性，還設有自動(dòng)防風(fēng)保護功能，當風(fēng)力達到8級以上時(shí)，通過(guò)風(fēng)速傳感器檢測到風(fēng)速報警信號后，由計算機系統的繼電器輸出放翻控制動(dòng)作，使太陽(yáng)能電池組件和多平面鏡陣快速收平，當風(fēng)力降下來(lái)時(shí)，延遲10分鐘，解除防風(fēng)狀態(tài)，恢復平面鏡陣的跟蹤過(guò)程。 此系統還設有夜晚自動(dòng)恢復原始排放狀態(tài)功能，當系統采集的實(shí)時(shí)環(huán)境光強和實(shí)時(shí)時(shí)間都小于設定的最小經(jīng)濟發(fā)電光強和傍晚時(shí)間時(shí)，平面鏡陣恢復到原始位置，等待第二天的運行。 2.4 采集卡與I／O卡的選擇 數據采集選用中泰研創(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轉換輸入和PS-003通用接線(xiàn)端子板配合使用完成現場(chǎng)數據采集與處理；開(kāi)關(guān)量輸出輸入輸出采用PC-6408光隔離開(kāi)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場(chǎng)信號輸出控制。 3 全自動(dòng)跟蹤控制器的軟件設計 系統運行流程圖如圖7所示。本軟件設計采用Windows操作系統作為工作平臺，以采集卡和I／O卡的驅動(dòng)程序作為編程語(yǔ)言，主要包括主程序、采集數據子程序、監控子程序、跟蹤子 程序、蓄電池充放電子程序等。此系統中數據采集量巨大，數據的處理要求高，隨著(zhù)時(shí)間的推移，數據的統計、保存、查詢(xún)都會(huì )變的更加復雜。因此，必須采用先進(jìn)的數據庫管理技術(shù)。系統采用Visual Basic6.0軟件平臺。 4 結束語(yǔ) 光伏發(fā)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件作適當的改動(dòng)，即可適用于更大或更小容量的光伏系統。 該控制器是集光、機、電于一體的多功能智能控制器，系統經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的實(shí)驗模擬運行，具有精度高、操作方便、運行穩定等特點(diǎn)，提高了太陽(yáng)能發(fā)電設備的利用率，大幅度降低了太陽(yáng)能發(fā)電的成本。 |
