作者：楊金付 王建平

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)巡回檢測多路模擬信號以及開關(guān)信號，可對檢測信號進(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)、自診斷和自測試功能，同時可以根據(jù)測試的結(jié)果進(jìn)行自動控制，形成智能化控制器。

2 全自動跟蹤控制器硬件設(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。

各種傳感器檢測到的參數(shù)信號通過轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的1 V～5 V電信號，傳輸?shù)侥?數(shù)(A／D) 采集卡，將采集的各參數(shù)信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字量，然后計(jì)算機(jī)對這些經(jīng)過離散并量化的數(shù)字信號進(jìn)行監(jiān)測與處理，并通過輸入／輸出卡(I／O)輸出控制信號，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(shí)際上是電流一電流變換器，即將被測電流轉(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，還必須外加電壓取樣電路，將電流信號轉(zhuǎn)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(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，還必須外加電壓取樣電路，將電流信號轉(zhuǎn)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(xiàn)的，它具有較高的精度和重復(fù)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。

太陽光強(qiáng)和太陽能電池組件表面光強(qiáng)的檢測非常重要，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，只要測出其輸出短路電流和表面溫度即可推算出當(dāng)時其表面所受的輻射光強(qiáng)。檢測電路原理如圖4所示。

風(fēng)速檢測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，一個多齒轉(zhuǎn)盤和光