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基于PLC的太阳能系统控制设计
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2010-05-18
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1. 分析太阳跟踪装置的结构特点、运动特征及可能的工作状态,提出合理的控制方法。 2. 根据所提出的控制策略设计控 3. 分析系统的软硬件配制,选取控制芯片。 4. 选取恰当的传感器,并编制控制程序,实现精确跟踪。
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目 录
1. 绪论....................................................................................................................3
1.1. 太阳能自动跟踪系统概述......................................................................3
1.1.1. 压差式太阳能跟踪器....................................................................3
1.1.2. 控放式太阳跟踪器........................................................................3
1.1.3. 时钟式跟踪器................................................................................3
1.1.4. 比较控制式太阳跟踪器................................................................4
1.2. 太阳能自动跟踪系统的研究现状和发展趋势......................................4
1.2.1. 光电跟踪........................................................................................4
1.2.2. 视日运动轨迹跟踪........................................................................4
1.3. 本设计的主要内容..................................................................................6
2. 太阳能自动跟踪系统的运动分析....................................................................7
2.1. 现有系统的运动方式..............................................................................7
2.1.1. 地平坐标系跟踪方法的应用........................................................7
2.2. 现有执行机构的结构..............................................................................9
2.2.1. 立柱转动式跟踪器........................................................................9
2.2.2. 陀螺仪式跟踪器..........................................................................10
2.2.3. 齿圈转动跟踪器..........................................................................11
2.3. 球面 3 自由度并联结构........................................................................11
2.3.1. 球面三个基本概念......................................................................11
2.3.2. 球面多边形的三角公式..............................................................13
2.3.3. 三自由度并联球面机构分析......................................................13
2.3.4. 球面三自由度并联结构分析......................................................14
2.3.5. 球面 3 自由度并联结构..............................................................15
3. 太阳能自动跟踪系统的结构设计..................................................................16
3.1. 检测装置的设计....................................................................................16
3.1.1. 传感器定义..................................................................................16
3.1.2. 光电传感器..................................................................................16
3.2. 传动系统的设计....................................................................................18
3.3. 步进电机的选择....................................................................................19
3.3.1. 步进电机概述..............................................................................19
3.3.2. 步进电机型号的选择..................................................................19
4. 太阳能自动跟踪系统的控制..........................................................................21
4.1. 控制系统概述........................................................................................21
4.1.1. 自动控制系统..............................................................................21
4.1.2. 单片机控制系统..........................................................................22
4.1.3. 太阳能跟踪器的控制..................................................................23
4.2. AT89c51 单片机概述.............................................................................23
4.2.1. 单片机定义..................................................................................23
4.2.2. 单片机内部结构与功能..............................................................24
4.2.3. 单片机的工作方式和振荡器......................................................28
4.3. 控制系统接线图....................................................................................29
4.4. 步进电机的控制....................................................................................30
4.4.1. 其基本控制作用如下:.................................................................30
4.4.2. 具体的控制方法如下:.................................................................31
4.5. 系统控制程序........................................................................................32
5. 技术经济分析..................................................................................................43
致谢......................................................................................................................44
1. 绪论
能源问题,环保问题是当今世界各国面临的重大问题之一。能源危机日益
加剧,环境污染已经威胁到自然界的生态平衡。统计数据表明,目前世界上
70%的能源来自矿物燃料的燃烧,排放出大量有害气体颗粒,是人类最大的健
康污染源,也是地球‘温室效应’的祸首。能源发展过程中的环境保护问题已经成
为联合国首脑会议的重要议题之一。
科学家们公认,太阳能是未来人类最合适,最安全,最绿色,最理想的替
代能源。目前太阳能利用的妆化率约为 10%-20%。理论分析表明:太阳的跟踪
与非跟踪,能量的接受率相差 37.7%。研究开发太阳能跟踪装置,可以提高太
阳能的接收率,拓宽太阳能的利用领域。
1.1.太阳能自动跟踪系统概述
1.1.1. 压差式太阳能跟踪器
压力差式传感器是根据当入射太阳光发生偏斜时,密闭容器的两侧受光面
积不同,会产生压力差,在压力的作用下,使装跟踪器重新对准太阳。根据密
闭容器内所装介质的不同,可分为重力差式,气压差式,和液压式。该机构结
构简单,制作费用低,纯机械控制,不需电子控制部分及外接电源。但是,该
机构只能用于单轴跟踪,精度很低。
1.1.2. 控放式太阳跟踪器
控放式太阳能跟踪器在太阳能接收器的西侧放置一偏重,作为太阳光接收
器向西的转动力,并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制,慢慢
释放此转动力,使太阳光接收器向西偏转运动。该机构成本低廉,纯机械控制,
不需电子控制部分及外接电源。但是该机构不能自动复位,不能满足昼夜更替
之后的跟踪需求,除非另外加复位机构;而且该跟踪器只能用于单轴跟踪,精
度低。
1.1.3. 时钟式跟踪器
时钟式跟踪器是一种主动式的跟踪器,有单轴和双轴两种形式。其控制方
法是定时法:根据太阳在天空中每分钟的运动角度,计算出太阳光接收器每分
钟应转动的角度,从而确定出电动机的转速,使得太阳光接收器根据太阳的位
置而相应变动。其特点是电路简单,但由于时钟累积误差不断增加,系统的跟
踪精度很低;同时需外接电源,日夜不停的运转,浪费能源。
1.1.4. 比较控制式太阳跟踪器
利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理,将四个完全相同的光敏电阻
分别放置于太阳光接收器的东南西北方向边沿处。如果太阳光垂直照射太阳能
电池板时,东西(南北)两个光敏电阻接收到的光照强度相同,所以它们的阻
值完全相等,此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板的法线有夹角时,接
收光强多的光敏电阻阻值减小,信号采集电路可以采集到光敏电阻的信号差值,
控制电路将此差值转换成控制信号,驱动电动机转动,直至两个光敏电阻上的
光照强度相同。其优点在于控制较精确,且电路也比较容易实现。但是这类跟
踪器价格昂贵,且不能适应自然界中光线的变化,跟踪效果不太理想。
1.2.太阳能自动跟踪系统的研究现状和发展趋势
目前太阳能利用最普遍的形式是通过集热器将太阳能转换为热能,为了收集
到尽可能多的太阳能,最好采取跟踪方式,使太阳光收集器的采光面始终对准太阳。
跟踪太阳的方法有很多,但不外乎采用这两种方式:光电跟踪和根据视日运动
轨迹跟踪;前者是闭环的随机系统,后者是开环的程控系统。
1.2.1. 光电跟踪
目前,国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式,这些光电跟踪装置都
使用光敏传感器如硅光电管。在这些装置中,光电管的安装靠近遮光板,调整遮光
板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区;当太阳西移时遮光板的阴影
偏移,光电管受到阳光直射输出一定值的微电流,作为偏差信号,经放大电路放大,
由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高,结构设
计较为方便;但受天气的影响很大,如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况,
太阳光线往往不能照到硅光电管上,导致跟踪装置无法对准太阳,甚至会引起执行
机构的误动作。
1.2.2. 视日运动轨迹跟踪
根据跟踪系统的轴数,视日运动轨迹系统可分为单轴和双轴两种。
1.2.2.1. 单轴跟踪
单轴跟踪一般采用:a 倾斜布置东西跟踪;b 焦线南北水平布置,东西跟踪;c 焦
线东西水平布置,南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪,工
作原理基本相似。图 1.1 是第 3 种跟踪方式的原理,跟踪系统的转轴(或焦线)东西
向布置,根据事先计算的太阳赤纬角的变化,柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动
跟踪太阳。采用这种跟踪方式,一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母
线相垂直,此时热流最大;而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是
结构简单,但是由于入射光线不能始终与主光轴平行,收集太阳能的效果并不理想。
图 1.1 单轴焦线东西水平布置(南北跟踪)
Fig.l.1 Uniaxial and transmeridional horizontal disposal(south-noth track)
1.2.2.2. 双轴跟踪
如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的
太阳能,全跟踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种
方式:极轴式全跟踪和高度角-方位角式全跟踪。
a. 极轴式全跟踪
极轴式全跟踪原理如图 1.2 所示:聚光镜的一轴指向天球北极,即与地球自转轴相
平行,故称为极轴;另一轴与极轴垂直,称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转,
其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳的视日运动;反
射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化,通常根据季节的变化定期
调整。这种跟踪方式并不复杂,但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线,极轴支
承装置的设计比较困难。
图 1.2 极轴式跟踪
Fig.1.2 Ahial type track
b.高度角-方位角式太阳跟踪
高度角-方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪,其原理如图 3 所
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- lg1372602014-08-27能用,有参考价值。
a534076595
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