引言
太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，已经和风能成为各国竞相开发的绿色能源。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，如果能始终保持太阳板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的电磁机械系统，是非常有价值的研究课题。
国外研究，单轴太阳能追踪系统比固定式系统能增加25% 的功率输出，而双轴太阳能追踪系统比固定式系统能增加4l% 的功率输出。在商业领域，太阳能追踪系统(sun tracking system)有单轴系统和双轴机械跟踪定位系统。单轴系统只能自东向西追踪太阳，而双轴系统能在自东向西追踪太阳的同时，使太阳能板倾斜从而跟踪太阳的高度变化。
太阳能聚光伺服跟踪系统硬件设计
自动跟踪装置总体结构
太阳能聚光发电伺服跟踪系统采用两轴联动编程控制实现的，上位机采用pc或者PLC控制运动控制器从而控制两个变速电机和相应的执行机构，这些执行机构使得系统能够跟踪太阳的轨迹。从而使系统能够在一天中，始终以最佳的倾角和方向对准太阳，进而最大限度地利用太阳能。
实现x-y二维聚光发电伺服跟踪系统控制硬件结构基本配置如下：上位机采用pc或者plc、运动控制器、pmsm及其驱动器。
pc机或plc与运动控制器之间的通讯由运动控制器内部做pid等相应的信号处理和运算后，给伺服驱动器发出一定频率的脉冲和方向指令，伺服驱动器输出三相交变的交流电流，产生马达力矩使马达运转。位置伺服控制的硬件组成结构图如图1所示。
图1 位置伺服控制硬件结构图
可编程逻辑控制器plc
plc是太阳能追踪系统的核心部件，系统拟采用西门子公司的s7-200系列plc，s7-200具有紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集，用户程序包括位逻辑、计数器、定时器、复杂的数学运算以及与其他智能模块通讯等指令内容，从而使s7-200能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制的目的。另外，选用s7-200主要考虑其不但能用于独立太阳能设备的跟踪系统控制，比如满足边疆偏远地区牧民夜晚用电的需求，而且特别对串并联的大型光伏太阳能阵列的跟踪系统控制，能发挥plc现场总线控制的优势，进行集中控制。
s7_200 cpu 226的特点有：
● 数字输入/输出口24/16
● 可扩展7个模块，248路数字i/0，35路模拟i/0
● 有pid控制器
● 2个rs-485通信/编程模块
● 16k用户程序在线编程
传感器和信号处理单元
设计采用的是光敏电阻光强比较法，是利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方，如果太阳光垂直照射太阳能电池板，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动;当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。光敏电阻光强比较法的优点在于控制精确，电路设计比较容易实现。
图2所示信号处理单元电路，当太阳辐射强度增加时，光电电阻阻值减小，1k可变电阻的压降增加，从而产生与太阳光辐射强度有直接关系的电压信号。两个传感器的输出信号与plc模拟输入端口连接，并对这两个模拟信号进行比较运算，从而输出正确的信号以驱动太阳追踪系统的电磁机构。
图2 信号处理单元
光伏模块和电磁机械运动原理
光电检测模块主要由一个四象限光敏二极管探测器组成。四象限光敏二极管cu301是在同一芯片上制成4个二极管单片(它们之间有十字沟槽间隔)。单元的性能参数基本相同，一致性较好。4个二极管单元相当于直角坐标系中的4个象限，每个象限的二极管有自己的输出。当照射在4个象限光敏二极管上的光斑图像位于十字形划线的中心时，代表4个象限的光敏二极管各自的输出相等，经过运算放大器对信号处理后，输出为零。当光斑产生相对于十字形划线的任何位移时，都会使4个象限光敏二极管的输出随之变化，运算放大器的输出也随之产生相对位移方向上的正负变化，从而可以确定物体在二维方向上的位移。
图3为系统的整体框图。
图3 系统整体框图
系统有自动和手动两种控制方式，s1、s 2为控制按钮，用于手动操作，plc输出的q0或q1。分别连接到两个继电器线圈，以控制太阳板的正反两个运动方向。在自动运行模式下，plc首先比较来自信号处理单元的两个模拟输入的值，然后决定输出q0或者q1 。
系统软件
系统控制程序包括以下两个主要部分。
plc控制和监控程序
s7—200的编程软件是step7-micro/win，用于plc的程序编辑，支持3种编辑模式：lad(梯形图)、fbd(功能模块)和stl(语句表)，主要完成如下工作。
制跟踪系统的运动，控制逻辑见图4所示;
图4 控制过程的逻辑顺序
此子程序是将plc输入与输出状态复制到内存的特定位置，称为标记区域，pc监控程序能随时直接从内存区域读取输入和输出状态;
采样数据存储。这是一个在线采集存储过程。通过ram数据存储内部的特殊矩阵，每一小时读取光敏电阻的值。数据采集白天进行，晚上止，直到第二天日出。采集的时间(小时和分钟)存储在不同的矩阵，然后在pc机的屏幕上显示出来。当ram 内存满时，将不再存储数据，直到复位操作将存储数据清除。程序采用顺序功能图表(sequential functioNIng chart)进行编程，算法如图5示。
图5 存储过程的顺序功能
pc监控和数据处理程序
● 采用面向对象的高级编程语言visual basic 6.0实现以下功能：
● 自动检测pc机rs232串口和plc端口的连接状态
● 系统监控
决定光伏模块的实际位置和运动方向，显示光敏电阻的读数，以及内存溢出标记。
● 模块的强制性前向和反向运动
通过程序界面，发出指令控制plc操作。如果出现系统位置异常，可强迫太阳板按照操作要求恢复初始位置。
● 显示系统设置
显示存储在plc内存中的太阳跟踪系统的设置，如前向和反向运动极限，光线暗度极限，前向和反向停止极限，以及对这些参数设置可直接进行修改。
结语
本文介绍了太阳自动跟踪系统能自动检测昼夜, 并应用了太阳辐射与环境亮度的比较, 使得该自动跟踪系统的准确性高、可靠性强。即使是在天气变化比较复杂的情况下,系统也能正常工作, 提高太阳能的利用效率。如果应用于太阳能电池板, 则可从电池板直接获取电能， 而无需另外输入能量。
