基于PLC的太陽(yáng)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(hào)：號(hào)： 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(yáng)能追光系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能追光系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者：指導(dǎo)者： 評(píng)閱者：評(píng)閱者： 2012 年 5 月 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書書（論論文文）中中文文摘摘要要 摘摘 要要 太陽(yáng)能（solar energy），一般是指太陽(yáng)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(yáng)提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽(yáng)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(yáng)能 進(jìn)一步發(fā)展。太陽(yáng)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(yáng)能 發(fā)電一種新興的可再生能源。廣義上的太陽(yáng)能是地球上許多能量的來(lái)源，如風(fēng)能，化 學(xué)能，水的勢(shì)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(yáng)能以及核能成為人類可能的選擇，相比之下太陽(yáng)能更加的清潔，方便。 隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能等新能源的開發(fā)、利用越來(lái)越受到社 會(huì)的關(guān)注，太陽(yáng)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(yáng)能 利用的局限性很大。如何提高太陽(yáng)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(yáng)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(jiǎn)單、 成本低廉且精度高的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，以提高太陽(yáng)能的利用

3、率 本系統(tǒng)利用安裝在太陽(yáng)能電池組件的不同方位光敏傳感器檢測(cè)太陽(yáng)與電池組件相 對(duì)位置，檢測(cè)結(jié)果傳輸給 plc，plc 通過(guò)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(guò) 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(guò)雨水傳感器檢測(cè)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(yáng)，以使太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能介紹.4 1.1.2 光伏板的介紹.4 1.1.3 太陽(yáng)能利用的特點(diǎn).4 1.2 系統(tǒng)研究目的.5 1.3 太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀.5 1.4 系統(tǒng)擬研究?jī)?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(yáng)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(yáng)能介紹太陽(yáng)能介紹 太陽(yáng)能（solar energy），一般是指太陽(yáng)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(yáng)提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以 陽(yáng)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(yáng)能進(jìn)一步發(fā)展。太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電一種新興的可再生能源。廣義上的太陽(yáng)能是 地球上許多能量的來(lái)源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢(shì)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(yáng)能以及核能成為人類可 能的選擇，相比之下太陽(yáng)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(yáng)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(méi)有活動(dòng)的部分， 故可以長(zhǎng)時(shí)間操作而不會(huì)導(dǎo)致任何損耗。簡(jiǎn)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(yáng)能利用的特點(diǎn) 優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn) （1）普遍：太陽(yáng)光普照大地，沒(méi)有地域的限制無(wú)論陸地或海洋，無(wú)論高 山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且無(wú)須開采和運(yùn)輸。 (2）無(wú)害：開發(fā)利用太陽(yáng)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(lái)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(yáng)輻射能約相當(dāng)于130 萬(wàn)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(zhǎng)久：根據(jù)目

11、前太陽(yáng)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(shuō)太陽(yáng)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(yáng)輻射的總量盡管很大，但是能流密度 很低。平均說(shuō)來(lái)，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(yáng)輻射的輻照度最大，在垂直于太陽(yáng)光方向 1 平方米面積上接收到的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng) 輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。 為了使太陽(yáng)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(jìng)爭(zhēng) 的替代能源，就必須很好地解決蓄能問(wèn)題，即把晴朗白天的太陽(yáng)輻射能盡量 貯存起來(lái)，以供夜間或陰雨天使用，但目前蓄能也是太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能利用裝置，因?yàn)樾势停杀据^ 高，總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)。在今后相

13、當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)， 太陽(yáng)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(lái)太陽(yáng)能的大規(guī)模利用是用來(lái)發(fā)電。利用太陽(yáng)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(yáng)能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對(duì)太陽(yáng)能 的收集和利用提出了更高的要求。目前，提高太陽(yáng)能利用率的研究主要集中在 兩方面：一方面是提高太陽(yáng)能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，另一方面是提高太陽(yáng)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(wú)論哪種太陽(yáng)能利用設(shè)備，如果它的采光裝置能自動(dòng)追蹤太陽(yáng)并始終保持 與太陽(yáng)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(yáng)能。 1.31.3 太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀 就目前來(lái)說(shuō)，人類直接利用太陽(yáng)能還處于初級(jí)階段，太陽(yáng)能集熱、太陽(yáng)能熱 水系統(tǒng)、太陽(yáng)能暖房、太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能無(wú)線監(jiān)控等方式。 將太陽(yáng)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(yáng) 能作為“近期急需的補(bǔ)充能源 ”， “未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) ”，則是近來(lái)的事。 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，太陽(yáng)能科技突飛猛進(jìn)，太陽(yáng)能利用日新月異。近代太陽(yáng)能 利用歷史可以從 1615 年法國(guó)工程師所羅門 德考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太 陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能動(dòng)力裝 置和一些其它太陽(yáng)能裝置。這些動(dòng)力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽(yáng)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(yáng)能愛(ài)好者個(gè)人研究制造。 20 世紀(jì)的 100 年間，太陽(yáng)能科技發(fā)展歷史大體 可主要原因是太陽(yáng)能利用技術(shù)處于成長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)，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(guó)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(zhēng)，石油 輸出國(guó)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(zhēng)，維護(hù)該國(guó)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(guó)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(shí)到：現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)必須徹底 改變，應(yīng)加速向未來(lái)能源結(jié)構(gòu)過(guò)渡。從而使許多國(guó)家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家， 重新加強(qiáng)了對(duì)太陽(yáng)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(yáng)能熱潮。 1973 年，美國(guó)制定了政府級(jí)陽(yáng)光發(fā)電計(jì)劃，太陽(yáng)能 研究經(jīng)費(fèi)大幅度增長(zhǎng)，并且成立太陽(yáng)能開發(fā)銀行，促進(jìn)太陽(yáng)能產(chǎn)品的商業(yè)化。 日本在 1974 年公布了政府制定的 “陽(yáng)光計(jì)劃”，其中太陽(yáng)能的研究開發(fā)項(xiàng)目 有：太陽(yáng)房 、工業(yè)太陽(yáng)能系統(tǒng)、太陽(yáng)熱發(fā)電、太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)能的發(fā)展起到了一定的抑制作用。：太陽(yáng)能利用投資 大、效果差、貯能難、占地廣，認(rèn)為太陽(yáng)能是未來(lái)能源，主張外國(guó)研究成功 后中國(guó)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(duì)中國(guó)太陽(yáng) 能事業(yè)的發(fā)展造成不良影響。