基于plc的太阳能电池板追踪器

绪论1.1能源与环保随着时代的前进，人类社会和经济的发展速度日益增加，但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因，世界能源问题日益严峻，表现在如下方面：1.1.1能源紧缺世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番，但全球己探明的石油储量只能用到2050年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。1.1.2环境污染由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。1.1.3温室效应化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程，有关国际组织己召开多次会议，限制各国COZ等温室气体的排放量。能源问题关系到经济是否能够可持续发展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。据有关资料显示:石油储量的综合估算，可支配的化学能源的极限大约为1180一1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量32亿吨专科毕业设计说明书（论文）计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭;天然气储备估计在13180~152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57一65年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为3亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期，核聚变在2050年前没有实现的希望。能源短缺的形势很严峻，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰。1.2系统研究背景太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及，如何提高太阳能利用装置的效率，始终是人们关心的话题，太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外最具发展前景的新能源之一。光伏（PV）发电技术在国外已得到深入研究和推广,我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段。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，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，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。根据据实验，在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。1.2.1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。无论哪种太阳能利用设备，如果专科毕业设计说明书（论文）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。太阳能电池发电原理：利用光伏发电，即通过一对有光响应的器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角有关，当太阳光线与太阳电池板平面垂直时转换率最高。采用自动追光系统转换率可提高40%。因此在这样一个大前提下，我们需要制作一套全自动太阳能追光系统，实现了最大限度地使用太阳能，相信在不久的将来，它可以真正用到实处，用到人们的日常生活中1.2.2系统研究现状太阳辐照追踪装置要对应于昼夜、阴晴更替。太阳落山时，追踪装置朝向西边，然后停止工作，并能够复位；当遇到乌云遮住太阳时，追踪装置传感单元无法反应出太阳光线的变化，当乌云过后太阳可能偏离较大的角度，这种情况下就要求追踪装置传感探测单元能够在较大的范围内反应出太阳光线的变化。现有用于太阳观测科学研究的太阳追踪装置虽然追踪准确但是价格太昂贵，如国家气象计量站研制的FST型全自动太阳跟踪器采用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的设计弥补了赤道架型太阳跟踪器的缺点，具有全自动、全天候、跟踪精度高等优点这种大型精密仪器由于价格昂贵，通用性和性价比不高。普通民用太阳追踪装置比如1997年美国Blackace研制的单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的白动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的热接收率仅提高了15%1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，该装置在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使热接收率进一步提高。JoeI.H.Goodman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有人直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从为、到西跟踪太阳，以提高夏天季节里能量的获取率。2002月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。这些普通民用太阳追踪装置，普遍存在的问题是精度差。专科毕业设计说明书（论文）市场急需一种追踪范围广、精度高，原理结构简单、方便使用的太阳追踪装置，并尽快将一技术转化为生产力，从而推动太阳能的普及利用，拓宽太阳能的利用领域。1.2.3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、伺服电机等设计、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。1.3本章总结本章简单介绍太阳能电池组件辐照追踪系统的研制背景、目的、现状及拟研究内容。专科毕业设计说明书（论文）方案论证2.1追踪方案论证众所周知，地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24h，所以地球每个小时自转15。地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)法线倾斜成2327的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。每年的春分日(3月12日)，太阳从赤道以南到达赤道(太阳的赤纬占=0)，地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90-为观察者当地的地理纬度)。春分过后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。夏至日(6月2日)，太阳正午高度达到最大值90-+2327，白昼最长，这时候地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。秋分日(9月23日)，太阳又从赤道以北到达赤道(太阳的赤纬=0)，地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中，太阳多出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。秋分过后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日(12月2日)，太阳正午高度达最小值90--2327，黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。冬至过后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日(3月21日)太阳从赤道以南到达赤道。2.1.1视日运动轨迹追踪太阳能光伏发电系统的发电效率与太阳高度角、大气透明度、海拔高度、日照时数、专科毕业设计说明书（论文）太阳能电池光电转换效率等有关。但是相对于某一固定地点来说，每天太阳东升西落，方位每时每刻都不样；即使是同一地点不同日期的同一时刻也会因为太阳赤纬角的变化引起太阳高度的不同。太阳能发电系统要求电池组件始终尽可能最大限度垂直太阳入射光线，太阳追踪系统的工作状况对整个系统的发电效率有很重大的影，。现有太阳辐照追踪方式根据追踪原理的不同可分为两类:视日运动轨迹追踪方式和光电追踪方式太阳位置每天都在变化，但其运行规律是确定、可以计算的，视日运动轨迹追踪方式就是通过计算太阳每一时刻的位置来控制机械完成追踪。一些简单的太阳能光伏发电系统采用此追踪方式，即只在方位角上对太阳进行追踪，使光伏发电效率增高，但是太阳高度角变化所带来的效率损失也是很大的。一、太阳高度角计算1、一般时间太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬（与太阳直射点纬度相等）以δ表示，观测地地理纬度用φ表示（太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负），地方时(时角)以t表示，有太阳高度角的计算公式：coscoscossinsinsinh（2-1）2、正午时间日升日落，同一地点一天内太阳高度角是不断变化的。日出日落时角度都为0，coscoscossinsinsinh(2-2)由两角和与差的三角函数公式，可得cos(sinh（2-3）对于太阳位于天顶以南的地区而言，（2-4）二者合并，因为无论是，都是为了求当地纬度与太阳直射纬度之差，不会是负的，因此都等于它的绝对值，所以正午太阳高度角计算公式：（2-5）根据太阳高度角的计算，确定太阳能集热装置的俯仰角，可以预设太阳能集热装置专科毕业设计说明书（论文）的运动轨迹，这种方式最大的缺点就是不能精确追踪太阳，不能随环境的变化而变化。图2-1日照图2.1.2光电轨迹追踪光电追踪是使用光电传感器作为探测组件，实时探测太阳位置并将信号送达PLC、单片机等控制核心进行处理后来完成对太阳位置的探测和追踪。当太阳位置变化时，这些传感器组件会得到不同的输出结果，根据这样的变化情况就可以知道太阳的变化情况或者知道太阳具体的偏差位置。一些太阳能追踪系统直接使用太阳能接收器作为传感组件，比如太阳能电池板。这类追踪系统的工作原理是先给定一个方向让转动轴转动，如果太阳能电池板上的输出增高，说明太阳在这这个方向上，则相应电机继续转动下去；反之如果输出降低，说明太阳在相反方向，则控制相应电机反转。这类系统简单，但是稳定性差、追踪精度低、追踪回应慢。其它的追踪系统一般采用单独的光电传感器来检测太阳位置，这些传感器采用不同的光感组件，有光电二极管、光电三极管、光电池、光敏电阻等。光电追踪方式的优点很多，在国内外受到高度的关注。一方面，这种追踪方式属于死循环控制方式，可以时刻检测太阳位置，对系统的初始安装精度要求较低，不会受到累积误差的影响；另一方面，这种传感器信号少，运算简单。专科毕业设计说明书（论文）光电追踪方式也存在着致命的缺点，就是追踪的稳定性问题。这种回馈式的工作方式较容易受到干扰光的影响，并且受天气的影响也较大，如何克服这样的问题就成为了国内外学者研究较多的领域。传感器的性能对追踪系统的影响较大，如何设计一个即能准确和精确反应太阳位置又能克服干扰的太阳位置光电传感器就成为一个关键问题2.1.3追踪方案视日运动轨迹追踪方式和光电追踪方式各有优缺点，因此实际运用中有很多系统都是综