基于PLC的太陽能追光系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 作作 者者: 學(xué)學(xué) 號：號： 教教學(xué)學(xué)點(diǎn)點(diǎn): 專專 業(yè)業(yè):機(jī)電一體化 題題 目目:基于基于 plcplc 的太陽能追光系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的太陽能追光系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者：指導(dǎo)者： 評閱者：評閱者： 2012 年 5 月 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說說明明書書（論論文文）中中文文摘摘要要 摘摘 要要 太陽能（solar energy），一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。 自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件， 并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能 進(jìn)一步發(fā)展。太陽能的利用有被動(dòng)式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種

2、方式。太陽能 發(fā)電一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能，化 學(xué)能，水的勢能等等。隨著化石能源的逐漸減少開發(fā)新型能源一逐漸變成人類發(fā)展的 前提。太陽能以及核能成為人類可能的選擇，相比之下太陽能更加的清潔，方便。 隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，太陽能等新能源的開發(fā)、利用越來越受到社 會(huì)的關(guān)注，太陽能是一種理想的清潔綠色能源，但轉(zhuǎn)換和利用率不高，造成了太陽能 利用的局限性很大。如何提高太陽能的轉(zhuǎn)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。本系統(tǒng)基于三菱 plc 等自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、 成本低廉且精度高的太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，以提高太陽能的利用

3、率 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(jié)果傳輸給 plc，plc 通過變頻器、伺服放大器分別驅(qū)動(dòng)三相低速同步 電機(jī)和伺服電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)水平角和俯仰角兩軸控制。用戶通過 got 可以選擇系統(tǒng)工 作模式：自動(dòng)、手動(dòng)模式。自動(dòng)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(dòng)停止在原位不工作；非雨天情況下，系統(tǒng)則進(jìn)一步自動(dòng)辨別陰晴天氣， 非陰天系統(tǒng)自動(dòng)追蹤太陽，以使太陽能電池組件的輻照最大化。手動(dòng)模式下，用戶可 以依據(jù)需求手動(dòng)調(diào)節(jié)太陽能電池組件的水平角和俯仰角。同時(shí)系統(tǒng)具有惡劣天氣自我 保護(hù)功能，如強(qiáng)風(fēng)天氣，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將太陽能電池組件保持水

4、平位置，以減少迎風(fēng)面。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：plc 變頻器 伺服 太陽能 追蹤 機(jī)械系統(tǒng) 目目 錄錄 摘摘 要要.- 4 - 目目 錄錄.- 1 - 第第 1 1 章章 緒論緒論.4 1.1 系統(tǒng)研究背景.4 1.1.1 太陽能介紹.4 1.1.2 光伏板的介紹.4 1.1.3 太陽能利用的特點(diǎn).4 1.2 系統(tǒng)研究目的.5 1.3 太陽能利用現(xiàn)狀.5 1.4 系統(tǒng)擬研究內(nèi)容.6 1.5 本章總結(jié).6 第第 2 2 章章 方案論證方案論證.7 2.1 追蹤方案論證.7 2.1.1 視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤.7 2.1.2 光電軌跡追蹤.8 2.1.3 追蹤方案.8 2.2 機(jī)械傳動(dòng)方案論證.9 2.3 控制

5、器論證.9 2.4 操作界面論證.10 2.5 驅(qū)動(dòng)控制方案論證.10 2.6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)論證.10 2.7 系統(tǒng)方案.10 2.8 本章小結(jié).11 第第 3 3 章章 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).11 3.1 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu).11 3.2 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成.12 3.3 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理.14 3.4 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝注意事項(xiàng).18 3.5 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)元器件清單.19 3.6 本章小結(jié).20 第第 4 4 章章 電氣控制設(shè)計(jì)電氣控制設(shè)計(jì).20 4.1 傳感器設(shè)計(jì).20 4.1.1 太陽位置傳感器設(shè)計(jì).21 4.1.2 雨水傳感器.23 4.1.3 風(fēng)速傳感器.24 4.2 變頻器連接

6、及設(shè)置.24 4.2.1 變頻器連接.24 4.2.2 變頻器參數(shù)設(shè)置.25 4.3 伺服放大器連接與設(shè)置.26 4.3.1 伺服放大器連接.26 4.3.2 伺服放大器參數(shù)設(shè)定.26 4.4 伺服電機(jī)連接.27 4.5 三相交流電機(jī)連接.27 4.6 plc 電氣連接.27 4.7 電氣控制箱設(shè)計(jì)與安裝.28 4.8 電氣元器件清單.30 4.9 本章小結(jié).30 第第 5 5 章章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).30 5.1 got 畫面設(shè)計(jì).30 5.2 系統(tǒng)控制策略.30 5.3 梯形圖程序設(shè)計(jì).31 5.4 模擬量收集.31 5.5 本章小結(jié).31 第第 6 6 章章 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試.3

7、2 6.1 調(diào)試一般準(zhǔn)則.32 6.1.1 調(diào)試的基本任務(wù).32 6.1.2 調(diào)試前的準(zhǔn)備工作.32 6.1.3 調(diào)試前的檢查.32 6.1.4 調(diào)試的一般順序.33 6.2 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)試.33 6.3 傳感器調(diào)試.34 6.4 got 調(diào)試.34 6.5 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試.38 6.5.1 晴天.38 6.5.2 陰天.38 6.5.3 雨天.38 6.5.4 大風(fēng)天氣.39 6.5.5 緊急情況.39 6.6 本章小結(jié).39 第第 7 7 章章 結(jié)論結(jié)論.39 7.1 總結(jié).39 7.2 系統(tǒng)的提升.39 7.3 展望.40 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).40 致謝致謝.41 附錄附錄.42 附錄 a

8、 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)元器件清單.42 附錄 b 程序順序功能圖.43 第第 1 1 章章 緒論緒論 1.1 系統(tǒng)研究背景系統(tǒng)研究背景 1.1.11.1.1 太陽能介紹太陽能介紹 太陽能（solar energy），一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作 發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以 陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減 少下，才有意把太陽能進(jìn)一步發(fā)展。太陽能的利用有被動(dòng)式利用（光熱轉(zhuǎn)換） 和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是 地球上許多能量的來源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢能等等。隨著化石能源的逐

9、漸減少開發(fā)新型能源一逐漸變成人類發(fā)展的前提。太陽能以及核能成為人類可 能的選擇，相比之下太陽能更加的清潔，方便。 1.1.2 光伏板的介紹 光伏板組件是一種暴露在陽光下便會(huì)產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全 部以半導(dǎo)體物料（例如硅）制成的固體 光伏電池組成。由于沒有活動(dòng)的部分， 故可以長時(shí)間操作而不會(huì)導(dǎo)致任何損耗。簡單的光伏電池可為手表以及計(jì) 算機(jī)提供能源，較復(fù)雜的 光伏系統(tǒng)可為房屋提供照明，并入電網(wǎng)供電。 光伏 板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多 電能。近年，天臺(tái) 及建筑物表面均可使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一 部分，這些光伏設(shè)施通常被稱為附設(shè)于建筑物的光伏系

10、統(tǒng)。 組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多 電能。近年，天 臺(tái)及建筑物表面均可使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的 一部分，這些光伏設(shè)施通常被稱為附設(shè)于建筑物的光伏系統(tǒng) 1.1.3 太陽能利用的特點(diǎn) 優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn) （1）普遍：太陽光普照大地，沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高 山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且無須開采和運(yùn)輸。 (2）無害：開發(fā)利用太陽能不會(huì)污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán) 境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的。 (3）巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于130 萬億噸煤， 其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。 (4）長久：根據(jù)目

11、前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億 年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個(gè)意義上講，可以說太陽的能量是 用之不竭的。 缺點(diǎn) （1）分散性：到達(dá)地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度 很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時(shí)太 陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向 1 平方米面積上接收到的太陽能 平均有 1000w 左右；若按全年日夜平均，則只有 200w 左右。而在冬季大 致只有一半，陰天一般只有 1/5 左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在 利用太陽能時(shí)，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當(dāng)大的一套收集 和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價(jià)較高。 (2）不穩(wěn)

12、定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件 的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太陽 輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。 為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭 的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量 貯存起來，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽能利用中較為薄弱 的環(huán)節(jié)之一。 (3)效低和成本高：目前太陽能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可 行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因?yàn)樾势?，成本較 高，總的來說，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競爭。在今后相

13、當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)， 太陽能利用的進(jìn)一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。 清立新能源未來太陽能的大規(guī)模利用是用來發(fā)電。利用太陽能發(fā)電的方式 有多種。目前已實(shí)用的主要有以下兩種。 光熱電轉(zhuǎn)換。 光電轉(zhuǎn)換。 1.21.2 系統(tǒng)研究目的系統(tǒng)研究目的 太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽能 的收集和利用提出了更高的要求。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(zhuǎn)換率，另一方面是提高太陽能的集 熱率；前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決 【1】 。無論哪種太陽能利用設(shè)備，如果它的采光裝置能自動(dòng)追蹤太陽并始終保持 與太陽光垂直，

14、它就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能。 1.31.3 太陽能利用現(xiàn)狀太陽能利用現(xiàn)狀 就目前來說，人類直接利用太陽能還處于初級階段，太陽能集熱、太陽能熱 水系統(tǒng)、太陽能暖房、太陽能發(fā)電、太陽能無線監(jiān)控等方式。 將太陽能作為一種能源和動(dòng)力加以利用，只有 300 多年的歷史。真正將太陽 能作為“近期急需的補(bǔ)充能源 ”， “未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) ”，則是近來的事。 20 世紀(jì) 70 年代以來，太陽能科技突飛猛進(jìn)，太陽能利用日新月異。近代太陽能 利用歷史可以從 1615 年法國工程師所羅門 德考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太 陽能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)算起。該發(fā)明是一臺(tái)利用太陽能加熱空氣使其膨脹做功而 抽水的機(jī)器。

15、在 1615 年1900 年之間，世界上又研制成多臺(tái)太陽能動(dòng)力裝 置和一些其它太陽能裝置。這些動(dòng)力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽光， 發(fā)動(dòng)機(jī)功率不大，工質(zhì)主要是水蒸汽，價(jià)格昂貴，實(shí)用價(jià)值不大，大部分為 太陽能愛好者個(gè)人研究制造。 20 世紀(jì)的 100 年間，太陽能科技發(fā)展歷史大體 可主要原因是太陽能利用技術(shù)處于成長階段，尚不成熟，并且投資大，效果 不理想，難以與常規(guī)能源競爭，因而得不到公眾、企業(yè)和政府的重視和支持。 自從石油在世界能源結(jié)構(gòu)中擔(dān)當(dāng)主角之后，石油就成了左右經(jīng)濟(jì)和決定一個(gè) 國家生死存亡、發(fā)展和衰退的關(guān)鍵因素， 1973 年 10 月爆發(fā)中東戰(zhàn)爭，石油 輸出國組織采取石油減產(chǎn)、提價(jià)等辦

16、法，支持中東人民的斗爭，維護(hù)該國的 利益。其結(jié)果是使那些依靠從中東地區(qū)大量進(jìn)口廉價(jià)石油的國家，在經(jīng)濟(jì)上 遭到沉重打擊。于是，西方一些人驚呼：世界發(fā)生了 “能源危機(jī)”（有的稱 “石油危機(jī)”） 。這次“危機(jī)”在客觀上使人們認(rèn)識到：現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底 改變，應(yīng)加速向未來能源結(jié)構(gòu)過渡。從而使許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國家， 重新加強(qiáng)了對太陽能及其它可再生能源技術(shù)發(fā) 展的支持，在世界上再次興起 了開發(fā)利用太陽能熱潮。 1973 年，美國制定了政府級陽光發(fā)電計(jì)劃，太陽能 研究經(jīng)費(fèi)大幅度增長，并且成立太陽能開發(fā)銀行，促進(jìn)太陽能產(chǎn)品的商業(yè)化。 日本在 1974 年公布了政府制定的 “陽光計(jì)劃”，其中太陽能的研究開發(fā)項(xiàng)目 有：太陽房 、工業(yè)太陽能系統(tǒng)、太陽熱發(fā)電、太陽電池生產(chǎn)系統(tǒng)、分散型和 大型光伏發(fā)電系統(tǒng)等。為實(shí)施這一計(jì)劃，日本政府投入了大量人力、物力和 財(cái)力。 核電發(fā)展較快，對太陽能的發(fā)展起到了一定的抑制作用。：太陽能利用投資 大、效果差、貯能難、占地廣，認(rèn)為太陽能是未來能源，主張外國研究成功 后中國引進(jìn)技術(shù)。雖然，持這種觀點(diǎn)的人是少數(shù)，但十分有害，對中國太陽 能事業(yè)的發(fā)展造成不良影響。