PLC在CPV太阳能跟踪系统上应用.pdf

P L C 与D C S PL C an d DCS 自动化技术 与应用 2 01 4年第 3 3卷第 2期 P L C在 C P V太阳能跟踪系统上应用 刘 克 大 中国船舶重工集团公司第七三研究所 ， 黑龙江哈尔滨1 5 0 0 7 8 摘要 第三代太阳能电池采用聚光光伏技术 C o n c e n t r a t e d P h o t o v o l t a i c ， C P V ， 第一代品硅电池和第二代薄膜F U 池相比， 它具有 更高的转换效率、更好的耐高温性能和更环保的资源利用优势。太I；} I 能跟踪系统是C } V技术关键的组成部分， 它的逃 日效果 直接影响着 c P V电池的转换效率。本文从太阳能跟踪系统的原理 发， 针刘 C P V系统追日的高精度要求和同内光伏产业的 0 E M市场现况， 着重阐述了一种以S I MAT1 C S 7 1 2 0 0 P I C为核心的低成本解决方案在具体项目巾的应用。 关键词 聚光光伏 c P v ； 太阳能跟踪系统 ； s 1 MA TI C S 7 1 2 0 0 P L C 中图分类号 TM5 7 1 ． 6 l 文献标 码 B 文章编号 1 0 0 3 - 7 2 4 1 2 0 1 4 0 2 0 0 3 9 0 4 Ap p l i c a t i o n o f PL C f o r CP V So l a r T r a c k i n g Sy s t e m LI U Ke 。 d a No ． 7 0 3 Re s e a r c h I n s t i t u t e o f CS I C， Ha r b i n 1 5 0 0 7 8 Ch i n a Ab s t r a c t T h e t h i r d g e n e r a t i o n s o l a r c e l l a p p l i e s C o n c e n t r a t e d P h o t o v o l t a i c o r C P V t e c h n o l o g y wi t h h i g h e r c o n ＼ e r s i o n e f f i c i e n c y ， b e t t e r h i g h t e m p e r a t u r e r e s i s t a n t p e r f o r ma n c e a n d to o l ‘ e e n v i r o n m e n t a l l y fi ’ i e n dl y u t i l i z a t i o n o f r e s ou l ’ c e s ，a s c o m p a r e d w i t h t h e f i r s t a n d t h e s e c o n d g e n e r a t i o n o n e s ． So l a r t r a c k i n g s y s t e m p l a y s a v i t a l r ol e i n CP V t e c h． Co n s i d e r i n g t h e d e ma n d o f h i g h a c c u r a c y t o l ’ s o l a r t r a c k e r a n d t h e e x i s t i n g c i r c u ms t a n c e o f P V OEM ma r k e t i n Ch i n a ， t h i s p a p e r ma i n l y s t a t e s t h e p r i n c i p l e o f s o l a r t r a c k i n g s ys t e m a n d p u t s f o l ‘ Wil l ‘d a t y p i c a l l ow C O S t s ol u t i o n b a s e d o n SI M A TI C S7 1 2 0 0 PL C． Ke y wo r d s CP V； s o l a r t r a c k i n g s y s t e m； S I M A TI C S 7 1 2 0 0 P LC 1 引言 太阳能作为一种绿色可再生能源 ， 越来越受到人们 的亲睐， 目前第一 、第二代太阳能利用技术在人们的生 活 、工 作 中得到 了广 泛 的作用 。第一 代 晶硅 电池 ， 分 为 多晶硅电池和单晶硅电池 ， 转换效率为 1 2 ％ 2 0 ％， 技术 成熟， 是当前的主流， 第二代薄膜太阳能电池 ， 主要材料 为 非 晶硅和 I I VI 族 化合 物半 导体 ， 尽管 转换 效率 仅 7 ％ 1 2 ％， 但系统 成本优势 明显 ， 特别是在 光伏建筑 一体 化 B I P V 应用广 泛 ； 现在 ， 正在兴起第三 代太 阳能 电池 ， 它是以砷化镓 G a A s 为代表的 I I I V族化合物半导体， 利 用光学组件将太阳光汇聚后 ， 再进行光伏发电的聚光太 阳能技术 C o n c e n t r a t e d P h o t o v o l t a i c ， C P V 。与前两代 电池相 比， C P V电池具有大光谱吸收、高转换效率等特 收稿 E 1 期 2 0 1 3 0 7 1 7 点 ， 其 理 论 转 换率 可 超 过 5 0％ 。 目前 产 业 化三 接 面 I n G a P ／ G a As ／ G e 太阳能电池转换效率达 3 5 ％ 4 0 ． 7 ％。 表 一 为各种太 阳能 电池的能量转化效率对 比情况。 表 1 各种太阳能 电池的能量转化效率 比较 薄 膜型 太 阳能 7 1 2 ％ 晶圃型太 阳能 1 2 ％ 、 2 0 ％ 传 统核 能 电厂 3 0 ％ 火力 发 电 3 6 ． 8 O 聚光型太阿熊 c P v 3 1 ％ 4 0 ． 7 ％ 新式 核能 电厂 4 2 ％ 、 5 7 ％ 根据国内太阳能行业基本国情 ， 我们以西门子 S 7 l 2 0 0 P L C为控制核心开发了 C P V太阳能跟踪器， 如图 1所示。该跟踪器满足了低成本实现 CP V高精度跟踪 控制的技术思路。实际证明， 跟踪器的运行精度可达到 0 ． 1 。， 可满足 C P V 电池板对追 日系统的要求。 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 l 4 年 第3 3 卷 第2 期 P L C 与D C S PLC a n d DCS 图 1 C P V太阳能跟踪系统 j I ≯ _ 一 [ e _， 口 C P V 系统模组 主要 由太 阳能 电池 、高 聚光镜面 菲 涅尔透镜等光学聚光元件、太阳光追踪器组成。应用菲 涅尔透镜的作用就是将光线从相对较大的区域面积转 换成相当小的面积上， 这种透镜也被称做集光器或聚光 器。在实际应用中， 系统还应安装二次聚光设备。垂直 入射的太阳光 光强最大 通过聚光元件会聚成光斑 ， 在 中心位置 与 太 阳能 电池 重合 ， 而且 聚光倍 率越 高 ， 要 求 的误差越小 目前 5 0 0倍聚光器要求太阳能垂直照射误 差小于 0 ． 3度 。 太阳能跟踪控制系统 或称追 日系统 通过先进的算 法和精密的传感器和执行机构 ， 控制太阳能电池板 自动 跟 踪太 阳轨迹 ， 使 其一直 正对 太 阳 ， 以达 到最 大效率 利 用太阳光的目的。西门子太阳能跟踪控制系统依据美 国国家可再生资源实验室 NRE L 开发的天文算法 ， 为用 户提供基于S 7 1 2 0 0 P L C的程序库函数S o l a r P o s i t i o n i n g A l g o r i t h m S P A ， 可计算出高精度的太阳方位水平 角 Az i mu t h Y和俯仰角 Z e n i t h 0 z 参数 参见图2 。 图 2 太阳方位角定义 CP V板跟踪太阳的调整原理 ，如下图 3 所示， 以俯 仰角为例 ， 设在 t 0时刻， 太阳矢量角与太阳能跟踪器指 向重合 初始位置 ， 设为 Z e n 一 0 ， 即跟踪器当前俯仰角 Ze n一0 。当在t l 时刻时， 通过 S P A计算出的太阳俯仰角 为 Z e n 一 1 ， 若 l Z e n l Z e n 0 l △ ／ 2 △为角度允许 偏差值 ， 大小可调整 时，则跟踪器相应动作 ， 调整到 Z e n 0△角度的位置 注 “ △”或 “ ～A”视太阳运 行的俯仰角而定 ， 总之要使跟踪器调整到它的前面 ， 并 设置跟踪器当前俯仰角 Z e n 一 0 z - △。这样就完成了 一 次俯仰角方 向的 自动跟踪。水平角方 向的跟踪也采 用 同样 的原理 。 图 3 跟踪器动作原理 跟踪器动作流程如图4所示。 0 案确 定 S I MA TI C S 7 1 2 0 0 是西门子公司于 2 0 0 9 年 发布的 一 款面 向中小型 自动化的模块化控制器 ，它具有集成 P RO F I NE T通信接 口、强大 的集成工艺功能和灵活 的可 扩展性能， 为各种工艺任务提供了简单的通信和有效的 解决方案， 可满足控制各种各样的设备的自动化需求。 本控制系统 中所用西门子 P LC硬件配置如下 C P U l 2 1 4 C为太 阳能跟 踪控 制系统 的核心 ， 承担 了 整个系统中几乎所有的检测、运算、控制任务。它集成 的 1 4 ． D I 2 4 V D C、1 0 ． D O 2 4 V D C和 2 A1 0- 1 0 V DC， 分别 用于传感 检测 信号 输入和控 制执 行机构 永磁 同步 减速电机 动作； 强大的6 4位浮点运算能力可非常精确 地计算经度 、纬度、方位角 、俯仰角等值 。 C M1 2 4 l 为串口通信模块， 用来与 G P S接收器连接， 采集来 自GPS的数据。由于系统中选型的 GPS符合 NME A0 1 8 3 协议标准 ， 且为 RS 2 3 2的接 口输 出， 所 以本 项 目中选型订 货号 为 6 ES 7 2 4 l _l A H 3 0 一O X B O 的 CM l 241 R2 3 2 P L O 与D C S PL C a nd DCS 图4 跟踪动作流程 图 C S M1 2 7 7 是一款应用于 S I MAT I C S 7 1 2 0 0 的结构 紧凑和模 块化设计 的工业 以太 网交换机 ，用 来扩 展 C PU 1 2 l 4 C的以太网接 口， 以便实现与编程计算机、操 作员面板和其他控制器的同步通信 。 4 软 仁 开 发 项 目中所用 到的主要 数字量 I ／O点 分配如 表 3 。 主要程序块的功能如下 O B1“ Ma i n ” ， 主程序块， 它调用 F B或 F C， 包括接收 G P S数据， 计算 S P A的 Az i mu t h和 Z e n i t h角度， 手动模 式下的程序块，自动模式下的程序块 ， 示教参考点的程 序块 ， 设备保护功能等程序。 O B 1 0 0“ S t a r t u p ” ， 启动程序块， 对系统的诸多初始 自动化技 术与应用 2 01 4年第 3 3卷第 2期 状 态 进 行处理 。 F C 2 0 1 “ Ma n u a l ” ， 手动操作程序 F C， 可控制 C P V 板在两维方 向上的运动。 FB1 75 “ gp s r c v ” DBl 7 5 ， GP S接收库 函数 ， 由西 门子公司提供 ， 它接收 GP S数据， 并将时间信息写入到 P LC系统 时间。 FB2 0 ‘ ‘ S ys t e m Ti me a nd Po s i t i o n Se t t i ng” DB2 0， 包含两部分内容， 一部分是在关闭 GP S同步时间的情况 下， 将 HMI 项目中虽然未选型， 但是在调试机上仍需要 Wi n CC B a i c Ru n t i me 支持， 提供调试用数据接 口。 输 入的时间写入到系统时间； 另一部分是在示教参考点情 况下， 将 S P A计算出的太阳当前 Az i mu t h和Z e n i t h作为 跟踪器 CP V板的当前位置 示教参考点计算初始值 。 一 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 I 4 年 第3 3 卷 第2 期 P L C 与D C S PLC a n d DCS 表 3 数字量 I／ 0点分配表 水平 方 向端 限 位保 护开 关输 入 C P V板上 限位 开 关 俯仰 方 向 参考 位置 输 入 C P V板 下 限位 开关 输入 俯仰 方 向端 限 位保 护开 关输 入 C P V板 正 转 限位 开 关输 入 C P V板反 转 限位 开 关 水 平 方 向参 考位 置 输 入 手动 紧 急停 车 输入 机 l的 运转 方 向， 使 C P V板 在 俯 仰方 向 向上 运 动 与 Q 0 ． 5结 合使 用 机 1的运 转 方 向， 使 C P V板 在 俯 仰方 向向下 运动 ， 与 q 0 ． 5结 台使 用 机 2的 运转 方 向， 使 C P V板 在 水平 方 向反转 运动 ， 与 Q 0 ． 4结 含使 用 机 2的遥转方向， 使 C P V板在水平方 向正转运动， 与 Q 0 ． 4结合使用 控制 电机 2的运行 控制 电机 l的运行 FB 1 0 5 “ Te a c h HomeP o s i t i o n ” D B 1 0 5 ， 包含两部 分 内容 ， 一部分 是计 算示 教参 考点情 况 下 ， 参 考点 接近 开关的位置 ； 另一部分是计算跟踪器在水平角和俯仰角 的另一端的限位开关位置 水平方向正转 限位和俯仰方 向下限位 ， 这两个位置 除了保护设备外， 还可作为 日出 日落时跟踪器是否应该启动追 日动作的判断依据之一。 FB1 01 “ S PA Ca l cS u n V e c t o r ” D B1 0 1 ， 这是一个 库函数， 它又调用了一系列S P A B l o c k s 。本项 目中将它 放在 OB 1中， 也可以放在循环中断里。 F B 2 0 0“ Au t o T r a c k i n g ” DB 2 0 0 ， 自动跟踪程序 块 ， 它包括以下内容 根据系统时间判断跟踪器工作状 态 ； 白天追 日动作程序； 白天到夜晚转换状态程序； 晚上 及到白天转换状态程序 ； 大风情况下保护程序等。这是 本系统 P L C程序的核心部分。 F C 3 0 0 “ Ho mi n g t i me t o Az i mu t h d e g r e e ” 。示教 参考点情况下 。根据从水平角示教参考点计算初始值 到参考点之间电机的接通时间， 换算成角度。 F C 3 0 1“ Ho mi n g t i me t o Z e n i t h d e g r e e” ， 示教参 考 点情 况下 。根 据从 俯视 角 示教 参考 点计 算 初始值到参考点之间电机的接通时间， 换算成角度。 F B 3 0 0“ A z i mu t h d e g r e e t o r u n t i me ” ， 计算 C P V 板运行一定水平角度需要接通 电机的时间。 F B 3 0 1“ Z e n i t h d e g r e e t o r u n t i me ” ， 计算 C P V板 运行一 定俯仰角度需要接通电机的时间。 5 结束语 目前 ， 学 术界有 许多论 文著作论 述 关于太 阳光照 射 应用 中的太 阳轨迹算 法 。 这些 论 文 中计算 太 阳俯 仰 角 和 水平角精 度在 0． 01 。 以一 k。此 外 ， 某些 算法 仅在 1 5 ～1 O 0年的时间范围内有效。西门子提供的面向S 7 1 2 0 0的 S AP函数库基于 NRE L的 6 4位天文算法 ， 其有 效时问范围为2 0 0 0 ～6 0 0 0 年， 精度可达 0 ． 0 0 0 3 。。实 际应用中考虑到系统中配套的电机、减速机、传感器等 器件， 可使 C P V太阳能跟踪系统的跟踪精度达到0 ． 0 5 。 以内。项 目中直接在 S T E P 7 B a s i c VI O ． 5中调用 S P A 函数库， 编程相当方便 。 西门子控制器系列是一个完整的产品组合 ，S 7 1 2 0 0 在研发过程中充分考虑了系统、控制器、人机界面和软 件的无缝整合和高效协调的需求， 处处体现了西门子全集 成自动化 T o t a l l y I n t e g r a t e d A u t o ma ti o n ， T I A 的设计理念。 爹j ． ＆ [ 1 ]西门子技术文档， s 7 l 2 0 0可编程控制器系统手册f z ] ． S i e me n s AG， 2 01 1 ， 7． 【 2 】西门子技术文档， S o l a r P o s i t i o n i n g Al g o r i t h m S P A S I MAT I C S 7 1 2 0 0 L i b r a r y [ Z 】 ． S i e me n s AG， 2 0 0 9 ， 8 ． 【 3 】I B RAHI M R E DA a n d A F S HI N ANDR E AS， S o l a r Po s i t i o n i n g Al go r i t hm f o r S o l a r Ra d i a t i o n Ap p l i c a t i o n s 【 C 】 ， N a t i o n a l Re n e wa b l e E n e r g y l a b o r a t o r y， 2 0 0 8 ， 1 ． 【 4 ] MI C HAE L F I E D L E R， S o l a r T r a c k e r C o n t r o l C o n c e p t s P o we r e d b y S I MAT I C S 7 1 2 0 0 [ Z 】 ， S i e me n s AG， 2 0 1 0 ， 1 0 ． 作者简介刘克大 1 9 6 8 一 ，男， 本科，高级工程师， 研究方 向工 业 电 气 自动化 。