基于PLC的太阳能追光系统机械设计

- 1 - 毕业设计论文作作 者者: 学学 号：号： 教教学学点点: 专专 业业:机电一体化题题 目目:基于基于 PLC 的太阳能追光系统机械设计的太阳能追光系统机械设计指导者：指导者： 评阅者：评阅者： 2012 年 5 月- 2 -毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要摘摘 要要太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。随着化石能源的逐渐减少开发新型能源一逐渐变成人类发展的前提。太阳能以及核能成为人类可能的选择，相比之下太阳能更加的清洁，方便。随着能源和环境问题的日益严重，太阳能等新能源的开发、利用越来越受到社会的关注，太阳能是一种理想的清洁绿色能源，但转换和利用率不高，造成了太阳能利用的局限性很大。如何提高太阳能的转换和利用率、降低发电系统建造成本是研究太阳能发电系统的两大难题。本系统基于三菱 PLC 等自动化产品设计一种结构简单、成本低廉且精度高的太阳能自动追踪系统，以提高太阳能的利用率本系统利用安装在太阳能电池组件的不同方位光敏传感器检测太阳与电池组件相对位置，检测结果传输给 PLC，PLC 通过变频器、伺服放大器分别驱动三相低速同步电机和伺服电机动作，实现水平角和俯仰角两轴控制。用户通过 GOT 可以选择系统工作模式：自动、手动模式。自动模式下，系统首先通过雨水传感器检测天气情况，如是雨天则自动停止在原位不工作；非雨天情况下，系统则进一步自动辨别阴晴天气，非阴天系统自动追踪太阳，以使太阳能电池组件的辐照最大化。手动模式下，用户可以依据需求手动调节太阳能电池组件的水平角和俯仰角。同时系统具有恶劣天气自我保护功能，如强风天气，系统会自动将太阳能电池组件保持水平位置，以减少迎风面。关键词关键词：PLC 变频器 伺服 太阳能 追踪 机械系统 - 1 -目目 录录摘摘 要要.- 4 -目目 录录.- 1 -第第 1 1 章章 绪论绪论.41.1 系统研究背景.41.1.1 太阳能介绍.41.1.2 光伏板的介绍.41.1.3 太阳能利用的特点.41.2 系统研究目的.51.3 太阳能利用现状.51.4 系统拟研究内容.61.5 本章总结.6第第 2 2 章章 方案论证方案论证.72.1 追踪方案论证.72.1.1 视日运动轨迹追踪.72.1.2 光电轨迹追踪.82.1.3 追踪方案.82.2 机械传动方案论证.92.3 控制器论证.92.4 操作界面论证.102.5 驱动控制方案论证.102.6 驱动电机论证.102.7 系统方案.102.8 本章小结.11第第 3 3 章章 机械传动机构设计机械传动机构设计.11 - 2 -3.1 机械系统结构.113.2 机械传动机构组成.123.3 机械传动机构工作原理.143.4 机械传动机构安装注意事项.183.5 机械传动机构元器件清单.193.6 本章小结.20第第 4 4 章章 电气控制设计电气控制设计.204.1 传感器设计.204.1.1 太阳位置传感器设计.214.1.2 雨水传感器.234.1.3 风速传感器.244.2 变频器连接及设置.244.2.1 变频器连接.244.2.2 变频器参数设置.254.3 伺服放大器连接与设置.264.3.1 伺服放大器连接.264.3.2 伺服放大器参数设定.264.4 伺服电机连接.274.5 三相交流电机连接.274.6 PLC 电气连接.274.7 电气控制箱设计与安装.284.8 电气元器件清单.304.9 本章小结.30第第 5 5 章章 系统软件设计系统软件设计.305.1 GOT 画面设计.305.2 系统控制策略.305.3 梯形图程序设计.315.4 模拟量收集.315.5 本章小结.31 - 3 -第第 6 6 章章 系统调试系统调试.326.1 调试一般准则.326.1.1 调试的基本任务.326.1.2 调试前的准备工作.326.1.3 调试前的检查.326.1.4 调试的一般顺序.336.2 机械传动机构调试.336.3 传感器调试.346.4 GOT 调试.346.5 系统联合调试.386.5.1 晴天.386.5.2 阴天.386.5.3 雨天.386.5.4 大风天气.396.5.5 紧急情况.396.6 本章小结.39第第 7 7 章章 结论结论.397.1 总结.397.2 系统的提升.397.3 展望.40参考文献参考文献.40致谢致谢.41附录附录.42附录 A 机械传动结构元器件清单.42附录 B 程序顺序功能图.43 4第第 1 1 章章 绪论绪论1.1 系统研究背景系统研究背景1.1.11.1.1 太阳能介绍太阳能介绍太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。随着化石能源的逐渐减少开发新型能源一逐渐变成人类发展的前提。太阳能以及核能成为人类可能的选择，相比之下太阳能更加的清洁，方便。1.1.2 光伏板的介绍光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的固体 光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表以及计算机提供能源，较复杂的 光伏系统可为房屋提供照明，并入电网供电。 光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多 电能。近年，天台及建筑物表面均可使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多 电能。近年，天台及建筑物表面均可使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统1.1.3 太阳能利用的特点优优点点 （1）普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。 (2）无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。 (3）巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130 万亿吨煤， 5其总量属现今世界上可以开发的最大能源。 (4）长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。 缺点（1）分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向 1 平方米面积上接收到的太阳能平均有 1000W 左右；若按全年日夜平均，则只有 200W 左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有 1/5 左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。 (2）不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。 (3)效低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。清立新能源未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。目前已实用的主要有以下两种。 光热电转换。 光电转换。 1.21.2 系统研究目的系统研究目的太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前，提高太阳能利用率的研究主要集中在两方面：一方面是提高太阳能装置的能量转换率，另一方面是提高太阳能的集热率；前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决【1】。无论哪种太阳能利用设备，如果它的采光装置能自动追踪太阳并始终保持与太阳光垂直，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。1.31.3 太阳能利用现状太阳能利用现状就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电、太阳能无线监控等方式。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有 300 多年的历史。真正将太阳 6能作为“近期急需的补充能源 ”， “未来能源结构的基础 ”，则是近来的事。 20世纪 70 年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从 1615 年法国工程师所罗门 德考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。在 1615 年1900 年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。 20 世纪的 100 年间，太阳能科技发展历史大体可主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。 自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素， 1973 年 10 月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护该国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。于是，西方一些人惊呼：世界发生了 “能源危机”（有的称“石油危机”） 。这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发 展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。 1973 年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在 1974 年公布了政府制定的 “阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房 、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。 核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。：太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后中国引进技术。虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对中国太阳能事业的发展造成不良影响。这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使 人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。 1.41.4 系统拟研究内容系统拟研究内容本系统尝试利用三菱电机相关 FA 产品：PLC、变频器、伺服放大器、私服电机等设计、制造一种简单、经济、高效并能实现两轴控制的太阳能电池组件辐照追踪系统。1.51.5 本章总结本章总结 本章介绍了太阳能的发展史及采光元件，介绍了太阳能的发展现状及前景，介绍本系统设计的目的及意义。