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1、南京信息职业技术学院毕业设计论文作者 学号 系部 机电学院 专业 机电一体化技术 题目 太阳追踪器控制系统设计 指导教师 评阅教师 完成时间： 2011年 4月19日 毕业设计(论文)中文摘要太阳追踪器控制系统摘要：太阳能光伏发电是改善生态环境、提高人类生存质量的绿色能源之一，研究太阳能发电技术意义重大。太阳跟踪器须在露天下工作，因此必须考虑到结构的稳定性，运动结构必须可以自锁，因此选择滑动螺旋副和蜗轮蜗杆传动。在本设计中，采用了两个传感器，一个高精度传感器，一个大角度传感器。控制器首先读取大角度传感器的信号，根据光线照射的情况驱动两个电机，调整方位角和俯仰角，即大角度传感器跟踪到位，之后控制
2、器接收高精度传感器信号，同样根据光线照射情况驱动电机，再次调整方位角和俯仰角，使高精度传感器跟踪到位，这样控制器又接收大角度传感器信号，如此反复，达到随时跟踪太阳的目的。并且为了节约能源，在夜间跟踪器应静止不动。关键词：太阳能；跟踪器；PLC毕业设计(论文)外文摘要Solar Tracking Control SystemAbstract: Solar photovoltaic power generation is to improve the ecological environment, improve the quality of human life one of the green
3、 energy research solar power technology is of great significance. Sun-tracking device shall be open to work, it must take into account the structural stability of the structure must be able to exercise self-locking, and therefore select the slide Screw worm drive. In this design, using two sensors,
4、a high-precision sensor, a wide-angle sensor. Controller first reads the wide-angle sensor signal, according to light exposure conditions to drive two motors, to adjust azimuth and elevation, that wide-angle sensor tracking in place, followed by high-precision sensor controller receives the signal,
5、the same drive under light exposure situations motor, further adjustment of azimuth and elevation, so high-precision sensor tracking in place, so that the controller has received wide-angle sensor signal, and so repeatedly, to keep the purpose of tracking the sun.And in order to save energy should b
6、e stationary in the night tracker Keywords: Solar energy; tracking device; PLC目 录一 绪 论1二 太阳能自动追踪器的现状22.1 压差式太阳能跟踪器22.2 控放式太阳追踪器22.3 时钟跟踪器22.4 比较控制式太阳跟踪器2三 太阳能自动跟踪器存在的问题4四 结构设计5五 传感器65.1高精度传感器65.2大角度传感器7六 控制策略及程序设计8七 触摸屏控制界面设计10结论12致谢13参考文献14附件1：PLC控制程序15一 绪 论太阳能光伏发电是改善生态环境、提高人类生存质量的绿色能源之一，研究太阳能发电技术意
7、义重大。如何提高太阳能电池光电转换率则是光伏发电能否推广应用的根本所在。太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有本质上的区别。这就对太阳能的收集与利用提出了更高的要求。提高太阳能电池光伏电池最大功率，可以从太阳能电池的材质上入手，或从逆变电源设计上入手1；另一途径是让太阳能电池跟着阳光旋转，使太阳能电池与阳光入射角保持垂直，以达到光能最大获取率2。这要依靠太阳跟踪器来实现。太阳跟踪器35，故名思意，基本功能就是使光伏阵列随着太阳而转动。太阳能跟踪器根据结构和控制原理不同有单轴控制和双轴控制。一般双轴系统可提高发电量35%左右，单轴系统可提高2O%左右，聚光型跟踪系统会更
8、高6。本文主要阐述一种双轴太阳跟踪器控制系统的设计方案。二 太阳能自动追踪器的现状2.1 压差式太阳能跟踪器压差式跟踪器的原理是：当入射太阳光发生偏射时，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，不需要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。2.2 控放式太阳追踪器控放式太阳追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于控制，慢慢释放此动力，使太阳光接受器向西偏转
9、运动。该机构陈本低廉，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。2.3 时钟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，但由于时钟积累误差不断增加，系统的跟踪精度很低，同时需要外接电源，日夜不停的运转，浪费能源。2.4 比较控制式太阳跟踪器利用光敏电阻在光照是阻值发生变化的原理，将四个完全相同
10、的光敏电阻分别放置在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）两个光敏电阻接受到的光照强度相同，所以他们的阻值完全相等，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，接受光强多的光敏电阻值减小，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。三 太阳能自动跟踪器存在的问题在众多跟踪器中，纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低。跟踪的目的在于提高能量密度，
11、如果精度低，跟踪效率低，还额外提高了成本，在设备中添加跟踪器就失去了原来的意义。所以，精度相对较高的光敏电阻控制的太阳跟踪器的控制方式比较好，但如上所述还存在很多问题。要开发出真正的廉价、高精、实用的自动跟踪器。在其基础上还得解决一下问题：这类跟踪器虽然原理简单，但就现存跟踪器来说。它们实现该原理的成本还是很高。只适用于一些科研方面的运用和军事方面的运用。成本问题是制约太阳能运用发展的一个重要问题，如果想普及太阳能的运用，使之为市场所接受，就必须将其价格降低到市场可以接受的范围之内。跟踪器不能适应自然界中光线的各种变化。机械执行部分存在一些问题，不能满足要求或者价格过高，设计机械执行机构应该注
12、意以下事项：a、机构运动行程满足跟踪范围的要求，并要避免极限位置的锁死；b、采用合理机构，减小机构的工作能耗；c、在满足以上性能的同时，尽量简化结构和加工工艺。四 结构设计太阳跟踪器须在露天下工作，因此必须考虑到结构的稳定性，运动结构必须可以自锁，因此选择滑动螺旋副和蜗轮蜗杆传动。如图1所示。电机1驱动蜗杆运动，从而带动蜗轮旋转，蜗轮带动立轴旋转，实现跟踪太阳在经度上的位置变化。电机2驱动丝杠，丝杠与螺母产生相对运动，从而推动太阳能电池板围绕轴1旋转，实现跟踪太阳在纬度上的位置变化。传感器不断将太阳的位置信号送到控制器，再由控制器发出信号驱动两个电动机，调整太阳能电池板的姿态，使得太阳能电池板
13、始终垂直于太阳光线。图1 太阳追踪器结构示意图五 传感器在太阳跟踪器中，传感器用来感测太阳的位置，或者感测太阳光线的入射角度。传感器的精度很大程度上决定了太阳跟踪器的精度。本设计中，采用了两个传感器，一个高精度传感器，一个大角度传感器。5.1高精度传感器将9个光敏电阻在同一平面上组成阵列，并分别编号，如图2所示。将这个光敏电阻阵列置于一个顶端开有一个小孔的封闭壳体中，小孔的直径等于光敏电阻的直径，如图3所示。当光线垂直于阵面照射时，光线将照射在9号光敏电阻上；当光线不垂直时，可能照射在1到8号电阻上。由被光线照射的光敏电阻的编号可以确定光源的方向。由于光敏电阻的阻值与光照强度有关，所以可以通过
14、测量光敏电阻的阻值，确定被光线照射的电阻。在阳光下照射到光敏电阻的光并非是一条线，而是一个光柱，这个光柱有可能同时照射到两个光敏电阻，这时可认为受光面积大的光敏电阻为被照射电阻。图2 光敏电阻阵面图3 传感器原理设光线在光敏电阻阵列上的照射点到9号光敏电阻中心的距离为D，小孔到光敏电阻阵面的距离为H，光线与垂直入射线夹角为，则tan=D/H。根据正弦三角关系，当距离D固定时，H越大，越小，精确度越高。所以在光敏电阻直径一定时，只要将壳体长度加长就可以得到足够高的精度。在壳体很长的情况下，如果光线入射角很大将会带来一个问题。如图4所示，入射角很大时，光线将不能直接照射在光敏电阻上，从而无法判断光
15、源的位置。因此还需要一个传感器来识别大入射角时的光源方向。图4 光线大角度入射5.2大角度传感器如图5所示，大角度传感器外型设计成凸台型，每个编号处安装一个光敏电阻。当光线垂直入射时，如图6所示，由于两边的光敏电阻有倾斜角度，受光面积比中间的电阻小，此时中间的光敏电阻阻值最小。当光线倾斜入射时，如图7所示，左边的光敏电阻受光面积大，因此它的阻值小。通过测量光敏电阻的阻值，可以判断光源的大概方位。为了提高精度，可以在中间的光敏电阻上套一个遮光管，如图8所示。当光线倾斜入射时，遮光管可以遮挡住照射在中间光敏电阻上的光线；当光线垂直入射时，遮光管不会遮挡照射在中间光敏电阻上的光线。因此如果让中间光敏
16、电阻的阻值最小，则入射光线须以接近垂直的角度照射，从而提高了传感器的精度。 图5角度阵列 图6 垂直入射 图7大角度入射 图8 有遮光管的传感器六 控制策略及程序设计控制器首先读取大角度传感器的信号。当大角度传感器的1号、2号或3号光敏电阻的阻值最小时，说明光线从上面照射，光源的位置在上方，控制器驱动图1中的电机2，减小俯仰角；当大角度传感器的6号、7号或8号光敏电阻的阻值最小时，增加俯仰角。当大角度传感器的1号、4号或6号光敏电阻的阻值最小时，控制器驱动电机1向左旋转；当大角度传感器的3号、5号或6号光敏电阻的阻值最小时，控制器驱动电机1向右旋转。如果1号、3号、6号或者8号阻值最小，则电机
17、1和电机2可以同时旋转。当角度调整到位后，9号光敏电阻的阻值最小。控制器检测到大角度传感器9号光敏电阻的阻值最小后，读取高精度传感器的信号，如果高精度传感器的9号光敏电阻阻值最小，说明调整到位。因为光照角度误差为1度时，光照面积误差小于0.02%，这点能量损失与驱动电机的能量相比可以忽略，所以跟踪器调整到位后，可以保持一段时间不动。如果高精度传感器的18号光敏电阻中某一个阻值最小，则控制器驱动电机1或电机2旋转，驱动过程类似于大角度传感器有信号时的驱动情况。传感器中受光照最强的电阻（即阻值最小的电阻）的编号可由比较电路和相关程序确定。为了节约能源，在夜间跟踪器应静止不动。白天或者黑夜可以通过时
18、间来判断。另外阴天的光线为散射光线，这对跟踪器的调整是不利的。在阴天时，跟踪器不应经常动作。跟踪器正常调整位置时有一个合理的时间段，超过这个时间段仍不能调整到位的，可认为是阴天，跟踪器应过一段时间后再尝试调整位置。据此，程序流程图如图9所示。PLC程序见附件1。图9 程序流程图七 触摸屏控制界面设计使用触摸屏可以实现照射点位置的显示，手动调试和实况模拟。触摸屏界面设计如下：图10 触摸屏界面1限位开关M20和M21是追踪器左右旋转的左右极限（可手动控制）。限位开关M22和M23是追踪器俯仰的上下极限（可手动控制）。电机旋转控制按钮M24和M25手动控制电机1的正反转。电机旋转控制按钮M26和M
19、27手动控制电机2的正反转。传感器指示按钮显示光线照射位置。按下进入传感器控制模拟可以进入模拟状态界面。见下图。图11 触摸屏界面2按下开始模拟按钮进入模拟状态。按钮1119表示低精度传感器光敏电阻的阵列，按下其中任一个（表示相应的光敏电阻光线照射强度最高），追踪器发生相应的动作。按钮19表示高精度传感器光敏电阻的阵列，在按钮19按下后（表示低精度传感器检测到光线与电池板已经垂直，但不精确），按下其中任一个按钮（表示相应的光敏电阻光线照射强度最高）, 追踪器发生相应的动作。按下返回控制画面按钮即返回控制画面。结论本设计采用蜗轮蜗杆和滑动螺旋传动，具有自锁性，使得太阳跟踪器具有很好的稳定性。提出
20、了使用九个光敏电阻组成阵列作为传感器，通过比较电路提取信号，避免了模数转换，降低了价格。经试验样机验证，可以很好地实现自动跟随太阳运转。在下一步的研究中，将提高系统的可靠性与易维护性。在传动机构中，丝杠暴露在空气中面积较大，长时间在户外工作，容易锈蚀，影响机构的可靠性，增加机构的维护成本。另外，在阴雨天的跟踪控制策略上仍有待提高，需以更快的速度实现对太阳的准确定位。致谢本论文是在朱方园老师的精心指导下完成的，从课题的立项、开题及课题的开发研究到论文的审稿、定稿，每一步都凝集着朱老师的心血。而且，在整个课题的创作过程中，朱老师给予了我极大的支持，不仅向我提供了理论知识上的支持，而且更重要的是向我
21、提供了实验系统上的支持，使我不仅能在理论上有所收获，而且，能结合具体的实验系统进行实践上的提升，这一切都将使我受益匪浅。最后，衷心感谢大学三年里所有给予我教诲以及帮助过我的老师及同学们，谢谢！参考文献1. 1 孙佩石，何庆领.具有最大功率跟踪功能的光伏用户逆变电源J，合肥工业大学学报（自然科学版），2001，24（6），11151118.2. 2 陈旭平，熊德敏，胡联红.步进电动机在太阳能跟踪器上的应用J. 今日科技，2008（8），4647.3. 3 Roger A Messenge, Jerry VentrePhotovoltaic Systems EngineeringM2nd EditionFL: CRC PRESS，20044. 4 王炳忠，汤洁几种太阳位置计算方法的比较研究J太阳能学报，2001，22(4)：4134175. 5 Stiner W B,H arrigan WSolar Energy Fundamentals and DesignMNew York：John Wiley,19856. 6 伍春生,刘四洋,彭燕昌,许洪华.基于PIC16F877A自动太阳跟踪器的设计J.现代电子技术.2007,30（20）,147149.附件1：PLC控制程序
