CC BY
68УДК 681.522
А.Н. Рыбалев
СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ
В статье описывается система позиционирования солнечной энергетической установки, разработанная и изготовленная на кафедре автоматизации производственных процессов и электротехники Амурского государственного университета.
Ключевые слова: солнечная батарея, система позиционирования, программируемый логический контроллер.
SOLAR BATTERY POSITIONING SYSTEM
The article describes thepositioning system of solar power plant, designed and manufactured at the Department of automation of industrial processes and electrical Amur State University.
Key words: solar panel positioning system, a programmable logic controller.
Введение
Амурская область является одним из лидеров в России по среднегодовому приходу солнечной радиации: 4-5 кВтХч на квадратный метр в день (этот показатель соизмерим с югом Германии и севером Испании, где солнечная энергетика достаточно хорошо развита) [1]. Известно, что наиболее эффективное использование солнечных батарей достигается в случае применения систем слежения за Солнцем. По результатам исследований выяснено, что «установка одноосевой системы слежения позволит повысить эффективность фотоэлектрической установки на 20...30% в зависимости от региона, уменьшить срок окупаемости системы на 3-5 лет. Стоимость производимой электроэнергии в этом случае уменьшится с 0.20 $/Вт до 0.15 $/Вт. Добавление второй координаты слежения позволит увеличить мощность на 7... 10%, но значительно повысит стоимость системы, стоимость электроэнергии составит 0.12. .0.13 $/Вт» [2].
Во многих системах слежения за солнцем применяются измерительные преобразователи освещенности и достаточно сложные следящие системы автоматического регулирования, построенные на базе микроконтроллеров [3].
Между тем, зная широту и долготу местности, текущие дату и время, можно определить координаты солнца на небе (азимут и высоту), а имея систему измерения положения солнечной батареи и достаточно простую релейную систему позиционирования, - ориентировать батарею на солнце с достаточной степенью точности и при небольших расходах энергии. Так, например, если система измерения азимута батареи способна фиксировать до х возможных состояний, можно уверенно сказать, что привод поворота по азимуту будет включаться в работу не более чем х раз в сутки, причем каждый раз на весьма непродолжительное время. Кроме того, потребуется достаточно длительное включении привода для возврата в исходное положение при уходе солнца за горизонт. В случае с высотой максимальное число включений равно удвоенному числу состояний, а возврат привода в исходное положение не требуется.
При таком подходе, естественно, система управления должна 1) быть способна производить достаточно сложные вычисления; 2) иметь «на борту» энергонезависимые часы/календарь реального времени.
Такую систему трудно реализовать на микроконтроллере, но достаточно просто - на программируемом логическом контроллере (ПЛК). Конечно, стоимость ПЛК выше стоимости микроконтроллера, но нужно иметь в виду, что с повышением мощности установки удельная стоимость системы управления снижается на фоне затрат на силовые элементы (приводы и системы их коммутации), а кроме того, ПЛК предоставляют весьма полезный дополнительный функционал.
В статье рассмотрена система позиционирования на базе ПЛК, вычисляющая «текущее» положение солнца на небе. В то же время установка потенциально позволяет реализовать и вариант экстремальной системы автоматической ориентации батареи без применения внешних датчиков освещенности, но с измерением параметров электрической энергии (напряжения и тока).
Аппаратная часть системы
На рис. 1 показано схематичное изображение установки «в исходном виде», без элементов, которые были разработаны и смонтированы в процессе создания системы управления.
Рабочими органами системы позиционирования солнечной батареи являются электроприводы линейного перемещения постоянного тока напряжения 12 В производства ЕСО-WORTHY (Китай), обеспечивающие повороты батареи вокруг вертикальной (по азимуту) и горизонтальной (по высоте) осей. Приводы снабжены встроенными концевыми выключателями. Полный ход первого привода обеспечивает изменение азимута от 120 до 240°. Второй привод на полный ход не задействован и выполняет поворот по высоте от 0 до 90°. При этом в положении 0° отключение привода осуществляется встроенным концевым выключателем, а в положении 90° - системой управления, так как дальнейшее движение ограничивается элементами конструкции и привод начинает работать на упор. Структура системы управления показана на рис. 2.
Рис. 1. Установка в исходном виде.
Рис. 2. Структурная схема системы управления.
На схеме присутствуют следующие обозначения: СБ - солнечная батарея; ЭП - электроприводы; БОВ - блок ограничения высоты, автоматически отключает электропривод поворота по высоте при достижении горизонтального положения батареи (высоты, равной 90°); БК - блок коммутации, осуществляет коммутацию электроприводов в автоматическом и в ручном режимах; СРУ - система ручного управления, представлена переключателем режима ручной/автомат и четырьмя кнопками ручного управления приводами; ПЛК - программируемый логический контроллер, по текущим дате и времени, а также введенным широте и долготе местности определяет и индицирует положение солнца, измеряет и индицирует текущее положение солнечной батареи, в автоматическом режиме управляет процессом позиционирования, измеряет и индицирует напряжение и ток солнечной батареи; БКН - блок контроля направления, определяет и сообщает ПЛК направление движения приводов в ручном режиме для корректной работы программного элемента, ответственного за измерение положения батареи; БКВ - блок концевых выключателей, сигнализирует ПЛК о достижении электроприводами конечных положений и формирует сигнал запрета движения для блока ограничения высоты; ДП - датчики положения импульсного типа.
На рис. 3 показана принципиальная схема системы управления.
Функцию блока ограничения высоты БОВ выполняют реле К7, управляемое «внешним» концевым выключателем SQ1, срабатывающим при высоте, равной 90°, и диод У05. Схема позволяет приводу беспрепятственно двигаться в направлении уменьшения высоты, тогда как при движении в обратную сторону и достижении максимальной высоты контакт К7.1 отключает привод.
Блок коммутации БК представлен реле К1 - К4, управляемыми контроллером в автоматическом режиме или кнопками на лицевой панели шкафа управления в ручном. Реле шунтированы обратными диодами У01 - У04 для защиты цепей от перенапряжения при коммутации. Контакты реле с индексами 2,3 используются в мостовых схемах реверсивного включения электродвигателей М1 и М2, контакты с индексом 1 выполняют функцию защиты от одновременного включения пар реле К1,К2 и К3,К4 и короткого замыкания в цепях двигателей.
В систему ручного управления СРУ входят переключатель SA1 и кнопки SB1 - SB4. Перекидной контакт SA1.2 переключателя обеспечивает переключение управления реле К1 - К4 от контроллера к кнопкам и обратно, а контакт SA1.1 сообщает контроллеру о режиме работы системы. В связи с нехваткой дискретных входов контроллера пришлось задействовать его аналоговый вход, настроенный на измерение сопротивления.
В качестве контроллера использован ПЛК 73 фирмы «ОВЕН». Выбор был обоснован тем, что, во-первых, данный контроллер имелся в распоряжении и был накоплен большой опыт работы с ним, а во-вторых, функциональные возможности ПЛК 73 хорошо подходят для решения поставленной задачи. В частности, контроллер снабжен дисплеем и клавиатурой, которые позволяют вводить необходимые параметры и непосредственно наблюдать результаты работы системы без подключения к ПК. Единственным недостатком выбора является малое количество дискретных входов (8 при необходимых 9), в связи с чем пришлось использовать дополнительно аналоговый вход. В контроллере задействованы:
8 дискретных входов (2 - для подключения индуктивных датчиков положения солнечной батареи, 2 - для определения направления движения приводов в ручном режиме и 4 - для сигналов концевых выключателей);
4 дискретных выхода для управления реверсивными электроприводами;
3 аналоговых входа для определения режима управления, измерения напряжения и тока солнечной батареи. Напряжение измеряется на первом входе с помощью делителя напряжения на сопротивлениях Я3 - Я5, ток - на втором входе с помощью шунта Я2. Первый и второй входы конфигурируются на измерение напряжения от 0 до 1 В.
220В
К солнечной батарее К потребителю
Ьа
съ
3
X
Я *
к
Рис. 3.. Принципиальная схема системы.
Ьа
с
съ *
К* Оч
Блок контроля направления представлен поляризованными реле К5 и Кб, срабатывающими при подаче на двигатели напряжения определенной полярности. Контакты реле подают сигналы на дискретные входы контроллера.
Блок концевых выключателей включает «внешние» (не встроенные в приводы) концевые выключатели SQ1 - SQ4, «сообщающие» контроллеру о достижении приводами конечных положений. Помимо этого второй контакт выключателя SQ1 задействован в работе БОВ. Концевые выключатели построены на базе герконов.
Для измерения положения батареи по высоте и азимуту применены бесконтактные индуктивные датчики ЬЛ12Ы - 5Р1. Они формируют импульсы, количество которых пропорционально значениям соответствующих углов. Датчики положения и концевые выключатели реализованы в конструкции, показанной на рис. 4.
Через фигурное отверстие в алюминиевой пластине 1 движется алюминиевая рейка 4, увлекаемая штоком привода, с концом которого она связана с одной стороны. На пластине установлены индуктивный датчик 2 и концевые выключатели 3. В рейку с шагом 1 см вкручены металлические шпильки диаметром 3 мм. Датчик срабатывает при прохождении очередной шпильки непосредственно под ним. Свободный конец рейки изогнут на угол 90°, на изгибе располагается винт, воздействующий на один из концевых выключателей. На другой концевой выключатель воздействует деталь в форме уголка, прикрепленная к концу рейки, связанному со штоком привода.
Количество металлических шпилек на рейке датчиков поворота вокруг вертикальной и горизонтальной осей равно 30 и 19 соответственно, что обеспечивает позиционирование с абсолютной погрешностью не более ±6° по азимуту и 4,8° по высоте.
Общий вид установки, оснащенной системами измерения и контроля положения представлен на рис. 5.
Лицевая панель и компоновка приборов шкафа управления показаны на рис. 6.
а)
+
Рис. 4. Конструкция датчика положения и концевых выключателей: а) вид сбоку; б) вид сверху.
Рис. 5. Общий вид установки.
Рис. 6. Шкаф управления.
Программное обеспечение
Структура программы ПЛК показана на рис. 7.
Во всех режимах контроллер занимается измерением и индикацией параметров электрической энергии солнечной батареи, вычислением и индикацией положения солнца, измерением и индикацией положения солнечной батареи, а также индикацией конфигурационных параметров (широты, долготы и часового пояса) и текущих даты и времени, полученных от энергонезависимых часов контроллера.
Для решения этих задач создано конфигурационное меню «Координаты» с пунктами: «Широта», «Долгота», «Часовой пояс» (типа INT), «Южная широта», «Западная долгота» (типа BOOL) и написан программный код, формирующий четыре рабочих экрана (рис. 8).
Алгоритм вычисления положения солнца (азимута и высоты) по текущим координатам (широте и долготе), дате и времени был разработан на основе материалов статьи [4]. Алгоритм был упрощен, но по-прежнему обладает высокой точностью. Ошибка вычисленных позиций солнца не превышает 1-2 угловых минут.
Текущее положение батареи сохраняется в энергонезависимой памяти контроллера (в так называемых RETAIN- переменных).
Рис. 7. Структура программы.
Рис. 8. Рабочие экраны.
Система может находиться в одном из трех режимов: позиционирование, инициализация и ручное управление.
Подпрограмма позиционирования служит для перевода системы из начального либо любого другого положения в положение, когда солнечная батарея ориентирована на солнце. Подпрограмма вызывается путем нажатия на клавиатуре контроллера кнопки «Б2».
Основной целью подпрограммы инициализации является перевод солнечной установки в начальное состояние (до срабатывания соответствующих концевых выключателей электроприводов). Подпрограмма вызывается нажатием на клавиатуре контроллера кнопки «П». Перевод установки в начальное положение также осуществляется при уходе Солнца за горизонт.
Подпрограмма ручного управления служит для снятия питания с дискретных выходов с целью предотвращения появления ложных цепей, которые приводят к ошибкам в работе установки. Пе-
реход в ручной режим осуществляется путем перемещения переключателя 8Л1 в нижнее положение. Факт перехода установки в ручное положение идентифицируется аналоговым входом Л13. Для отладки программного обеспечения разработан экран визуализации (рис. 9).
Рис. 9. Визуализация в СоБе8у8.
Заключение
Разработанная система позиционирования солнечной батареи была смонтирована и опробована, в результате была доказана ее работоспособность. В дальнейшем установка будет использоваться для проведения экспериментов по определению эффективности систем слежения с применением различных алгоритмов и в учебном процессе в качестве лабораторного стенда по изучению релейных следящих и экстремальных систем автоматического регулирования.
Автор выражает благодарность высококвалифицированному рабочему кафедры автоматизации производственных процессов и производств В.П. Харькову, изготовившему все металлические конструкции стенда, а также выпускникам 2016 г. Д.А. Деревянко, А.Ю. Козыреву, выполнившим монтажные работы в рамках дипломного проектирования.
1. Портал-Энерго.гц [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://portal-energo.ru/articles/details/id/905.
2. Системы слежения за Солнцем/ М.В. Китаева, А.В. Юрченко, А.В. Скороходов, А.В. Охорзина // Вестник науки Сибири. - 2012. - № 3 (4). - С.61-67.
3. Автономная система слежения за Солнцем для солнечной энергосистемы / А.В. Юрченко, М.В. Китаева, А.В. Охорзина, А.В. Скороходов // Контроль, измерение, информатизация: Материалы XII Междунар. научно-техн. конф. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2011. - С. 179-183.
4. Van Flandern, T. C., Pulkkinen, K. F. Low-precision formulae for planetary positions// Astrophysical Journal Supplement Series. - Vol. 41, Nov. 1979. - P. 391-411.
