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基于PLC控制的光伏发电单轴跟踪控制系统设计
图2.2 光伏发电等效电路
在实际应用中，光伏电池单元输出功率较小，一般不单独作为电源使用。把每个单元进行串、并联并封装后就成为光伏电池组件，功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦，众多光伏电池组件需要再进行串、并联后形成光伏电池阵列(简称光伏阵列)，输出功率可达几百瓦、几千瓦或者是更大的功率。与传统的火电发电方式相比较，它无旋转部分、无气体排出、无噪音，因此，是无污染清洁的发电系统。
2.2 跟踪式光伏发电的基本原理
跟踪式光伏发电即光伏阵列能够自动跟踪太阳的位置，使光伏阵列始终保持与太阳光线垂直，从而获得最大的输出功率。在晴天时，通过太阳光跟踪传感器判断太阳光与光伏电池阵列平面是否垂直，如果垂直，则不驱动电机转动；如果不垂直则发出控制信号，驱动电机转动，再通过传动机构带动电池板转动，使太阳光与电池板垂直，这样周而复始的工作，实现实时跟踪，从而获得最大的能量。在阴天或多云，光线不正常时，系统通过当前时间、当地经纬度计算太阳的方位角和高度角，并通过位置传感器判定电池板阵列的当前位置，控制单元发出控制信号驱动电机转动，再通过传动机构带动电池板转动，使电池板跟随太阳的运行轨迹转动，达到跟踪太阳的目的。
此次设计为光伏发电单轴跟踪控制系统设计。单轴跟踪装置一般采用三种方式： (1)倾斜布置东西跟踪；
(2)焦线南北水平布置，东西跟踪； (3)焦线东西水平布置，南北跟踪。
这三种方式都是南北方向或东西方向的单轴跟踪，工作原理基本相似。以第三种跟踪方式为例，阐述单轴跟踪原理，如图2.3所示。图2.3中单轴跟踪装置的转轴东西方向布置。控制器计算太阳角度的变化，控制转轴转动，使太阳能电池板作俯仰运动，以跟踪太阳。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与电池板相垂直，而在早上或下午太阳光线都是斜射。采用单轴跟踪的特点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集光线的效果并不理想。
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沈阳工程学院毕业设计（论文）
图2.3 单轴跟踪系统
2.3 太阳位置的确定
虽然地球绕太阳运行，但相对来说，在地球上观察到的却是太阳在天空中移动。为了确切地描述太阳在天空中的移动与位置，假定地球不动，以地球为中心，以任意长为半径作一假想球面，天空中包括太阳在内的一切星体，均在这个球面上绕地轴转动，这个假想的球体称为天球。延长地轴线与天球相交的两点称为天极，PN为北天极，PS为南天极，PNPS即为天轴。扩展地球赤道面与天球相交所成的圆QQ’称为天球赤道(图2)。由于黄道面(地球运行的轨道面，也就是太阳视运行的轨道面)与天轴的夹角为66033’，则黄道面与天球赤道面夹角为23027’，太阳沿着天球黄道周而复始地绕地球运行。
图2.4 黄道在天球上的位置
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基于PLC控制的光伏发电单轴跟踪控制系统设计
太阳在天球上的位置每日、每时都有变化。为了确定其位置，常用赤道坐标系和地平坐标系从不同角度来表示。
赤道坐标系——是把地球上的经、纬度坐标系扩展至天球，在地球上与赤道面平行的纬度圈，在天球上则叫赤纬圈；在地球上通过南北极的经度圈，在天球上叫做时圈。以赤纬?和时角?表示太阳的位置。所谓时角，是指太阳所在的时圈与通过南点的时圈构成的夹角，单位为度。自天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。时角表示太阳的方位，因为天球在一天24 h内旋转360o，所以每小时旋转15o。
图2.5赤道坐标系——赤纬和时角
地平坐标系——是以地平圈（通过地心且垂直于当地铅垂线的切平面无限扩大同天球相割而得到的天球大圆。地平圈的两极是天顶Z和天底Z’）为基圈，用太阳高度角Hs和方位角As来确定太阳在天球中的位置。所谓太阳高度角是指太阳直射光线与地平面间的夹角。太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正南向所夹的角，通常以南点S为0 o，向西为正值，向东为负值。
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图2.6地平坐标系——高度角与方位角
地平坐标跟踪式支架以地平面为参照系，跟踪的是2个参数：太阳高度角（太阳射线与地平面的夹角）和太阳方位角（太阳射线在地面上的投影与正南方向的夹角）。
图2.7 地平坐标示意图
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