【正文】 氣自我保護功能，如強風天氣，系統(tǒng)會自動將太陽能電池組件保持水平位置，以減少迎風面。自動模式下，系統(tǒng)首先通過 雨水傳感器檢測天氣情況，如是雨天則自動停止在原位不工作；非雨天情況下，系統(tǒng)則進一步自動辨別陰晴天氣，非陰天系統(tǒng)自動追蹤太陽，以使太陽能電池組件的輻照最大化。 本系統(tǒng)利用安裝在太陽能電池組件的不同方位光敏傳感器檢測太陽與電池組件相對位置，檢測結果傳輸給 PLC， PLC 通過變頻器、伺服放大器分別驅動三相低速同步電機和伺服電機動作，實現水平角和俯仰角兩軸控制。如何提高太陽能的轉換和利用率、降低發(fā)電系統(tǒng)建造成本是研究太陽能發(fā)電系統(tǒng)的兩大難題。 1 揚州市職業(yè)大學汽車與電氣工程系 畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 作 者 : 學 號： 教研室 : 機電一體化 專 業(yè) : 機電一體化技術 題 目 : 基于 PLC 的太陽能追光系統(tǒng)電氣設計 指導者： 評閱者： 2021 年 5 月 2 揚州市職業(yè)大學汽車與電氣系 畢業(yè)設計（論文）評語 學生姓名： 班級、學號 題 目： 基于 PLC 的太陽能追光系統(tǒng)電氣設計 綜合成績： 指導者評語： 能基本完成設計任務，具有一定的分析問題和解決問題的能力，完成了電路原理圖與軟件程序的編制，論文結論基本正確，完成了一定的工作量 建議該生畢業(yè)設計成績?yōu)?65分。 指導者 (簽字 )： 戴亦宗 2021 年 5 月 6 日 3 畢業(yè)設計（論文）評語 評閱者評語： 評閱者 (簽字 )： 年 月 日 答辯委員會（小組）評語： 答辯委員會（小組）負責人 (簽字 )： 年 月 日 4 畢業(yè)設計說明書（論文）摘要 摘 要 隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴重，太陽能等新能源的開發(fā)、利用越來越受到社會的關注，太陽能是一種理想的清潔綠色能源，但轉 換和利用率不高，造成了太陽能利用的局限性很大。本系統(tǒng)基于三菱 PLC 等自動化產品設計一種結構簡單、成本低廉且精度高的太陽能自動追蹤系統(tǒng)，以提高太陽能的利用率。用戶通過 GOT 可以選擇系統(tǒng)工作模式：自動、手動模式。手動模式下，用戶可以依據需求手動調節(jié)太陽能電池組件的水平角和俯仰角。 由于時間及作者目前的知識限制，跟蹤系統(tǒng)只是進行粗略的角度跟蹤，有較大誤差，今后如有機會再進行改進。能源是國民經濟和社會發(fā)展的基礎，社會經濟發(fā)展得越快，人類對能源的需求就越大，利用能源時可能對環(huán)境造成較大程度的破壞。正是由于上述原因，世界能源問題日益嚴峻，表現在如下方面： 能源緊缺 世界上大部分國家能源供應不足，據統(tǒng)計近 10 年內化石燃料 (煤、石油與天然氣等 )能量消耗增加了近 20倍，預計今后十年化石燃料的用量將翻一番，但全球己 探明的石油儲量只能用到 2050年，天然氣也只能延續(xù)到 2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。 溫室效應 化石能源的利用產生大量的溫室氣體而導致溫室效應，引起全球氣候變化。能源問題關系到經濟是否能夠可持續(xù)發(fā)展?，F在人們常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。據有關資料顯示 :石油儲量的綜合估算，可支配的化學能源的極限大約為 1180一 1510億噸，以 1995年世界石油的年開采量 32億噸?？飘厴I(yè)設計說明書（論文） 第 2 頁 共 47 頁 計算，石油儲量大約在 2050年左右宣告枯竭 。煤的儲量約為 5600億噸， 1995年煤炭開采量為 3億噸，可以供應 169年 。能源短缺的形勢很嚴峻，當前世界多數國家對能源問題都很重視。太陽能、綠色生物能、燃料電池、海洋能等新能源的研究與應用為人們描繪出希望。 系統(tǒng)研究背景 太陽能 是已 知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。 太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢已成為當今國內外最具發(fā)展前景的新能源之一。但太陽 能存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。因此，設計開發(fā)能自動追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，是非常有價值的研究課題。目前，提高太 陽能 利用率的研究主要集中在兩方面：一方面是提高太 陽能裝 置的能量 轉換 率，另一方面是提高太 陽能 的集 熱 率；前者 屬于 能量 轉換領域 ，還 有待研究，而后者利用 現 有的技 術則可 解 決 【 1】 。 太陽能電池發(fā)電原理：利用光伏發(fā)電，即通過一對有光響應的器件將光能轉換成電能 。 太陽能電池板的發(fā)電量 與太陽光入射角器件將光能轉換成電能 。 采用自動追光系統(tǒng)轉換率可提高 40%。太 陽落 山 時 ，追蹤 裝 置朝向西 邊 ，然后停止工作，并能 夠 復位； 當 遇到 烏 云遮住太 陽 時，追蹤 裝 置 傳 感 單 元 無 法反 應 出太 陽光 線 的 變 化， 當烏 云 過 后太 陽 可能 偏離 較 大的角度， 這 種情 況 下就要求追蹤 裝 置 傳 感探測單 元能 夠在較 大的范 圍內 反 應 出太 陽 光 線 的 變 化。這種大型精密儀器由于價格昂貴，通用性和性價比不高。1998 年美國加州成功的研究了 ATM兩軸跟蹤器，該裝置在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使熱接收率進一步提高。 2021 年 2 月美國亞利桑那大學推出了新型太陽能跟蹤裝置， 該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結構，結構緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應用領域。 專科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 4 頁 共 47 頁 市場急需一種追蹤 范圍廣 、精度高，原理 結 構 簡單 、方便使用的太 陽 追蹤 裝 置，并盡 快 將 一技 術轉 化 為 生 產 力， 從 而推 動 太 陽能 的普及利用，拓 寬 太 陽能 的利 用領 域。 本章總結 本章簡單介紹 太陽能電池組件輻照追蹤系統(tǒng)的研制背景、目的、現狀及擬研究內容。每轉一周為一晝夜，一晝夜又分為 24h，所以地球每個小時自轉 15176。地球的自轉軸與公轉運行的軌道面 (黃道面 )法線傾斜成 23176。的夾角， 而且地球公轉時其自轉軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。 假設觀察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對太陽在天球上的周年視運動情況做如下描述。 )，地球北半球的天文春季開始。太陽在正午的高度等于 90176。春分過后，太陽的生落點逐日移向北方，白晝時間增長，黑夜時間縮短，正午時太陽的高度逐日增加。 ? +23176。白晝最長，這時候地球北半球天文夏季開始。 秋分日 (9月 23日 )，太陽又從赤道以北到達赤道 (太陽的赤緯 ? =0176。在周日視運動中，太陽多出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長。冬至日 (12月 2日 )，太陽正午高度達最小值 90176。 27180。冬至過后，太陽正午高度逐日升高，同時白晝增長，太陽的升落又趨向正東和正西，直到春分日 (3月 21日 )太陽從赤道以南到達赤道。但是相對于某一固定地點來說，每天太陽東升西落，方位每時每刻都不樣；即使是同一地點不同日期的同一時刻也會因為太陽赤緯角的變化引起太陽高度的不同?，F有太陽輻照追蹤方式根據追蹤原理的不同可分為兩類 :視日運動軌跡追蹤方式和光電追蹤方式 【 5】 。一些簡單的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)采用此追蹤方式，即只在方位角上對太陽進行追蹤，使光伏發(fā)電效率增高，但是太陽高度角變化所帶來的效率損失也是很大的。太陽赤緯（與太陽直射點緯度相等）以δ表示，觀測地地理緯度用φ表示（太陽赤緯與地理緯度都是北緯為正，南緯為負），地方時 (時角 )以 t 表示，有太陽高度角的計算公式： ta c o sc o sc o ss i ns i ns i n h ???? ?? （ 21） 正午時間 日升日落，同一地點一天內太陽高度角是不斷變化的。 圖 21日照圖 光電軌跡追蹤 光電追蹤是使用光電傳感器作為探測組件，實時探測太陽位置并將信號送達 PLC、單片機等控制核心進行處理后來完成對太陽位置的探測和追蹤。一些太陽能追蹤系統(tǒng)直接使用太陽能接收器作為傳感組件，比如太陽能電池板。這類系統(tǒng)簡單，但是穩(wěn)定性差、追蹤精度低、追蹤回應慢。 【 7】 光電追蹤方式的優(yōu)點很多，在國內外受到高度的關注。 專科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 8 頁 共 47 頁 光電追蹤方式也存在著致命的缺點，就是追蹤的穩(wěn)定性問題。傳感器的性能對追蹤系統(tǒng)的影響較大，如何設計一個即能準確和精確反應太陽位置又能克服干擾的太陽位置光電傳感器就成為一個關鍵問題 【 9】 。但是這種方式成本較高，不適合小型光伏電站的發(fā)展；另外這種系統(tǒng)操作復雜，容易出現錯誤追蹤問題。鑒于光電追蹤控制方式存在的缺點，本系統(tǒng)將令設計一種傳感器來滿足需要，并完成相應系統(tǒng)設計工作。 單軸追蹤結構簡單，相較于固定不動的太陽能接受器件而言，能夠一定程度上的提高系統(tǒng)接收光能效率，但是效果并不理想。 【 10】 本系統(tǒng)采用雙軸追蹤方式追蹤太陽，分為東西水平方向和俯仰角控制，水平方向最大限位角度為 180 度，俯仰角度最大 90 度，在一天當中，機械系統(tǒng)要隨時跟著太陽轉動，這就要求系統(tǒng)的速度要慢。本系統(tǒng)電 機和機械裝置之間的配合采用渦輪蝸桿傳動，傳動比 30:1，這樣電機轉 30圈，裝置才轉 1 圈，這樣保證了整個系統(tǒng)的精度。由于伺服電機本身非常精確，在傳動機構上采用同步帶輪，使用同步帶輪可以減少在傳動過程中的誤差。 工控機 (Industrial Personal Computer)即工業(yè)控制計算機，是一種增強型的可以適合工業(yè)環(huán)境的個人計算機。但是它也有一些缺點，比如數據處理能力差、存儲選擇性差和價格較高等 【 9】 。 FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。單片機的應用非常普遍，價格也較為便宜；單片機制作的主控板受制版工藝、布局結構、器件質量等因素的影響導致抗干擾能力差，故障率高，不易擴展，對環(huán)境依賴性強 ,開發(fā)周期長。 【 12】 PLC 是經過幾十年實際應用中檢驗過的控制器，其抗干擾能力強，故障率低，易于設備的擴展，便于維護，開發(fā)周 期短、 通用性 強 ，控制程序可 變 、使用方便功能 強 、適應 面 廣 、 編 程 簡單 ，容易掌握 ；但成本相對單片機要高。 在傳統(tǒng)工業(yè)控制和生產社會實踐當中用于控制的主要是按鈕元件，按鈕元件控制有很多優(yōu)越性，但是占用一定的空間。同時， GOT 有很強的人機互動，可以監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行 情況，減少控制電路的規(guī)模。 ?？飘厴I(yè)設計說明書（論文） 第 10 頁 共 47 頁 驅動控制方案論證 由于太陽在東西水平方向上運行軌跡的速度與季節(jié)、地點有較大關系，因此系統(tǒng)在水平方向應能實現無極調速，且轉速不能隨電壓和負載的變化而變化，只能通過改變頻率來改變電機的轉速， 本系統(tǒng)采用三菱 FRA7NC 變頻器。 驅動電機論證 東西水平方向上，機械系統(tǒng)的基本要求是能夠隨太陽東升西落的過程轉動 180 度，此過程歷經大約 10小時，這一過程就必須要求電 機能夠低速運行，同步電機的轉速n=60f/p(f:電源頻率 p:磁極對數 )，磁極對數一般不能變動，本文選用小型 90TYDL三相低速同步電機。 系統(tǒng)方案 綜上所述，太陽能電池組件輻照追蹤系統(tǒng)的整體框圖如圖 22所示。 ?？飘厴I(yè)設計說明書（論文） 第 12 頁 共 47 頁 3 機械傳動機構設計 能實現兩軸運動的太陽能電池組件輻照追蹤控制系統(tǒng) 機械結構主要由 3部分組成，分別是底座，圓盤，太陽能電池支架。 圓盤的轉動 ,用三相同步電機經過減速器，帶動圓盤轉動。當第二天太陽再次升起的時候裝置重新啟動，追蹤太陽。俯仰角有兩個限位開關，只允許太陽能電池板旋轉 90度，當太陽能電池板觸碰到限位開關后，立即停止旋轉。 機械傳動機構安裝注意事項 三相同步電機和伺服電機在啟動的瞬間都有較大的瞬間扭矩，所以必 須與底座和圓盤有效固定。放軸的支撐架要滿足的要求：支架相對放置在過圓盤圓心的圓盤上，靠近邊緣，板上的圓孔的軸線過圓盤的圓心，以保證軸的自由轉動。