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论文方法大全-太阳能跟踪器

2021-04-12 13:13:42

  随着全球资源的不断消耗,各国开始对资源的控制和利用十分的重视,太阳能技术利用自然条件转换成电能的优势得到发展,一个国家、社会经济的发展都需要能源的消耗,所以能源的储量显得尤为重要。随着化石、石油这些不可再生能源的日益枯竭,如何才能有效利用这些能源或者寻找可以替代这些不可再生能源成为广大科研工作者的研究重点。因此,研究太阳能跟踪器对未来资源再生的意义十分的重要。本文太阳能跟踪器作为研究的对象,学习其工作原理、系统结构、数学模型、控制电路设计。再了解其工作原理后选取本文所设计的方案,完成PLC程序流程图和主程序。本论文设计主要做如下几类工作:

  第一章对所设计的太阳能跟踪器进行简单的阐述,基于PLC的太阳能追踪器的结构主要包括光伏板、左光敏电阻、右光敏电阻、传动齿轮、转轴和电机,学习其工作原理。

  第二章简述太阳能跟踪器中所用到的硬件工作原理,包括步进电机、机械跟踪设计、变压器、二极管。

  本文基于PLC设计的太阳能跟踪器,其设计核心就是PLC,设计的太阳能跟踪器中,需要同时具有自动跟踪运行和手动运行两种模式。根据上述工作原理和PLC输入输出配置,设计PLC控制程序

  1.1设计思路

  太阳能作为一种取之不尽的清洁能源,可有效增加社会能源的可利用量,且对环境不产生污染,因此,对光伏发电的研究一直成为能源领域研究热点。在光伏发电中,最常用的控制方式是最大功率跟踪控制,即为了获得最大的太阳能发电效率,需要让光伏板始终正对太阳照射方向,使太阳光散射减少,单位时间内可吸收更大能量。本设计采用PLC作为控制器,设计一个太阳能跟踪器,它可随着太阳光照强度的改变自动调节方向,从而使得光伏板达到效率最高位置。基于PLC的太阳能追踪器的结构如图1-1所示,主要包括光伏板、左光敏电阻、右光敏电阻、传动齿轮、转轴和电机。

  1.2工作原理

  其工作原理为:整个装置朝南安装,则光伏板正对太阳偏移方向;两块光敏电阻分别置于光伏板左右两侧,用以检测东西方向的光照情况;当右侧光敏电阻阻值降低,输出电流增大,此时左侧光敏电阻阻止升高,输出电流减小,表示右侧光照强度高于左侧,需要将光伏板向右转动;同理,当左侧光敏电阻阻值降低,输出电流增大,此时右侧光敏电阻阻止升高,输出电流减小,表示左侧光照强度高于右侧,需要将光伏板向左转动;通过电机驱动安装在光伏板底部的传动齿轮,即可控制光伏板按照顺时针和逆时针的方向转动,最终控制流过左右侧光敏电阻的电流相等,即此时光伏板正对太阳,从而实现光伏板跟踪太阳的自动控制。

  本设计中硬件设计部分的核心是光照强度检测电路,设计中采用光敏电阻的光强度比较法,电路连接如图1-2所示。设计中利用的是光敏电阻的感光特性,它是一种用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器,其工作原理是基于内光电效应。光照愈强,阻值就愈低,随着光照强度的升高,电阻值迅速降低,亮电阻可小至1千欧姆以下。光敏电阻对光线十分敏感,其在无光照时,呈高阻状态,暗电阻一般可达1.5兆欧姆。因此,光敏电阻又称为光电导探测器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。还有另一种入射光弱,电阻减小,入射光强,电阻增大。本设计中,将左右光敏电阻并联接入到直流开关电源中,在两条支路上分别加入电流检测传感器,用以检测流过的电流值,将两个电流值送入到电流比较模块,获得比较结果1、-1、0。如果两个光敏电阻所受的光照强度是相同的,说明此时太阳正对光伏板,电流比较模块输出值为0,不需要驱动电机;如果两个光敏电阻所受的光照强度是左大右小,说明此时太阳偏于光伏板左侧,电流比较模块输出值为1,驱动电机向左旋转;如果两个光敏电阻所受的光照强度是左小右大,说明此时太阳偏于光伏板右侧,电流比较模块输出值为-1,驱动电机向右旋转。这种电路只用到一个供电开关,结构简单,可靠性高。

  二.硬件的原理说明

  2.1步进电机

  作为太阳能跟踪器的驱动设备,根据论文所要求的设计采用步进电机来实现。生产设施中的机器人手臂如何不停的重复一个准确的动作?自动铣床是怎么在高精度下工作的,这都是步进电动机的功劳,为了准确的分拣硬币,选用了步进电动机。它可以不需要闭环控制就可以控制转子的角度,这就是步进电动机最显著的特点(即一个简单准确的开环控制系统)。

  步进电机有永磁式类型和反应式类型,但目前在市面上混合式具有的优点被得以广泛的使用。

  首先了解简单的可变磁阻电机是如何工作的:这个电机有6个可以通过三相交流电的定子凸齿,电机转子由一叠铁板叠成,和定子不同,它有4个凸齿,凸齿数量不同有意为之,这样子的话就每一次可以只有一对转子凸齿和定子凸齿对齐。如果把线圈U断电而线圈V通电,那么很容易就可以得到转子的转动。从几何上说,每转一次就是30度。在下一步,线圈V断电线圈W通电,随后,线圈U再次被通电,简而言之,电机用最小磁阻来达到预定的位置,步进角为30度。通过一个小方法,可以将步进角提升至15度。如果线圈U和线圈V同时通电,转子会转到两线圈独立通电的中间,也就是转15度。之后,U断电,转子对齐V,再对W通电,这种操作被称为半步进。在步进电机的分类中,使用最为广泛的叫做混合步进电机。混合电机有一个齿状铁凸起,是实实在在的励磁转子,所以转子的一端励磁是北极另一端是南极,这款电机的准确性源自转子齿凸和定子齿凸的一个巧妙设计:转子有50个凸齿,实际上定子齿凸是比转子齿凸少两个的,所以只有48个齿凸,两两对应分成三组,当把U线圈通电,一对线圈将会产生北极磁性,而另一对产生南极的,异性磁极相吸对齐;同性磁极相斥错开。然后线圈V通电,就会为了和新生产的北极对齐,将会转一点点角度,转子转了1.8度。接着,以相反的磁极对U通电,转子再一次转了1.8度,得益于电机,这个过程可以非常精确的重复运行。

  步进电机在太阳能跟踪器中属于执行元件,在太阳能进行跟踪时,控制转轴实现位置的调整,带动电池板实时对光照进行跟踪,广泛使用于不同地理环境。

  2.2变压器

  输入采用变压器及整流电路作为输出,通过调整电阻值产生24V的电压作为PLC电源输出。

  变压器能够在一个电压接收AC功率,而在另一个电压提供它,以这种方式实现更好的传输功率,具有较长的距离传输电力。以三相变压器为例来说明变压器的结构和工作原理。基本的工作原理很简单,就是电磁感应,根据电磁感应定律,线圈中变化的磁通量将会产生感应电动势,利用一个线圈和一个交变磁场就可以产生变化的磁通量,通有电流的导体周围会产生磁场,随着线圈中电流的不断变化,线圈周围的磁场也会随之不断变化,在由铁磁材料构成的磁芯的辅助下,这种磁通量的变化可以传递到次级线圈。根据电磁感应定律,这种变化的磁场将会在次级线圈产生感应电动势,因为线圈是按规律排列的很多匝,所以一次变化中产生的电动势是每个独立的线圈产生的电动势总和,初级线圈和次级线圈的磁通量相同,因此每次变化中,初级线圈和次级线圈产生的感应电动势也相同,初级线圈中产生的感应电动势和输入电压有关,次级线圈中产生的感应电动势计算公式如下:

  这意味着如果初级线圈的匝数比初级线圈少,相反,就会比初级感应电动势大,基于能量守恒定律,初级线圈和次级线圈的电流必须遵守以下规律:

  三相变压器使用了三个像这样的单相变压器,但在结构上稍微有所不同,初级线圈和次级线圈通轴放置,在三相变压器中有很多这样的结构,大功率的变压器通常会使用一种特殊的绕组叫做圆盘式绕组,这种圆盘式绕组由内部线圈和外部线圈交叉连接;低电压绕组采用三角形连接;高电压采用星形连接。因此在高压侧,线电压会近一步上升至高压侧的倍,这也意味着,三相升压变压器可以引出四根线、三根火线和一根中线。高压绝缘套管需要带出电气能量,变压器的核心由薄的绝缘硅刚片组成,这种薄绝缘硅钢片重叠在一起形成了三相变压器的核心,这种结构是为了减少由于涡流效应造成的能量损失,低电压绕组通常穿过磁芯,在初级线圈向次级线圈电压转换时各种形式的能量损失都会产生,所有的能量损失都以热的形式散发出去,所以变压器通常浸在冷却油中进行冷却,冷却油通过自然对流的方式进行散热,由于吸热,油箱中的油会膨胀,油枕用来调整体积的改变。

  2.3二极管的内部原理及应用

  二极管的目的是限制电路中的电流,电只能流入一个通过二极管的方向。基本上,二极管是电的单向阀,二极管由硅等半导体组成,纯硅没有自由电子,但一般使用的硅都不是纯净的,一部分参杂了N型杂质,而另一部分参杂了P型杂质。因此,在二极管的N侧有自由电子,而在P侧,有电子的空位,在二极管的PN结处会有非常有趣的现象,N侧富余的电子倾向迁移到P侧的空穴中,所以P侧边界略微带负电,N侧边界略带正电,所产生的消耗区,由此产生的电场将抵抗任何进一步的电子自发迁移,简而言之,形成了电流的势垒。如果对二极管连接外部电源,电源将吸引电子和空穴,电流在此情况下不能形成,这种情况被称为二极管的反向偏置。由此可见,消耗区的宽度增大,但是如果电源的正极连接到二极管的P侧,情况将完全不同。假定电源具有足够的电压以克服势垒,电子将立刻被负极推开,当电子穿过势垒,它们将被耗尽能量,并且很容易占据P区的空穴。但是由于正极的吸引,这些电子现在可以跳到P区中的临近空穴,并在外部电路中流动,这就称为二极管二点正向偏置。简单的说,二极管的作用就像是一个电流的单向阀。改变输入电压并研究二极管的反应,在反向偏置时,可以观察的微量的电流;在正向偏置,不到0.7V时,可以观察到微量的电流,但是在穿越这道势垒的势能后,电流立即急剧增加。可以注意到二极管的电压不会超过0.7V太多,即使输入了高电压,这是由于N正向偏置状态,二极管对电流的阻碍非常小。在反向偏置时,施加非常高的电压就会损伤普通的二极管,并产生大电流。二极管的单向电流特性产生了一些有趣的应用,像一个桥式整流器,在正半周,该电路图如图导通,而另外两个二极管处于反向偏置状态,在负半周反之,因此将在输出端获得相同的电流,通过使用滤波电容与稳压器可以使输出更加平滑。

  太阳能电池板由称为太阳能电池的较小单元组成,常见的太阳能电池是由硅制成的,一种是半导体,是地球上第二丰富的元素,在太阳能电池中,晶体硅夹在导电层之间,每个硅原子通过四个强建连接到其相邻原子,它将电子保持在原位。因此没有电流可以流动,硅太阳能电池使用两个不同的硅层,N型硅具有多余的电子,P型硅具有额外的电子空间,称为空穴。两种硅相遇的地方,电子就可以在P/N结上徘徊,在一侧留下正电荷,并在另一方面产生负电荷,可以将光视为微小颗粒的流动叫做光子,从太阳射出来,当这些光子以足够的能量撞击硅电池时,它可以将电子从建上敲下来,留下一个空穴,带负电的电子和带正电的空穴的位置,就可以随意走动,但是由于P/N结处的电场,只会走一条路,电子被吸引到N侧,而孔被拉到P侧,流动电子由电池顶部的细金属收集,从那里经过外部电路,像给灯泡供电一样,然后再穿过背面的导电铝板,每个硅电池只输出半伏,但是可以将它们串联再模块中以获取更多的动力,十二个光伏电池足以为手机充电。

  2.4 PLC简介

  机器人手臂的精确移动、图形打印机创建的精确图像复制或任何其他类型的运动控制定位系统是都是通过PLC来实现的。PLC属于一款可编程逻辑控制器,PLC的应用领域十分广泛,根据各行各业不同的需求分为:开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网。PLC它的地位可以如此稳固,是因为其有点:可靠性高、丰富的I/O接口模块、采用模块化结构、编程简单易学、安装简单及维修方便等。在使用过程中,PLC能够取代继电器进行逻辑控制,PLC是可以通过存贮程序来完成相对的指令工作。它的结构主要由中央处理单元(CPU)、存贮器(RAM、ROM)、输入/输出单元(I/O)、电源和编程器几部分组成,图2-3是PLC的硬件结构示意图。

  图2-3 PLC硬件结构示意图

  PLC的工作原理就像一台小型计算机一样,层面上讲,它的工作原理与计算机十分的类似。PLC采用扫描技术,通过周期循环扫描来实现,一个扫描周期中一般分为三个阶段:

  (1)输入采样阶段

  PLC通过对输入量的依次扫描后,将他们存储到相应的I/O模块当中。

  (2)用户程序执行阶段

  经过输入采样阶段,进入到用户程序执行阶段,PLC的工作顺序总是从上至下扫描,每扫描一条工作指令,总是先扫描梯形图中最左边的控制单元,实现的方式总是从左至右、从上到下,根据运算结果刷新在系统RAM存储中对应的状态。

  (3)输出刷新阶段

  扫描结束后,最后进入到输出刷新阶段。CPU根据对应的状态与数据刷新全部的输出所存电路,通过电路的驱动输出到所固定的外设当中,才算真正完成PLC的输出。

  上述三个阶段是通过PLC循环反复执行的,需要经过多次的循环,才可以得到最终的效果,所以PLC从输入到输出需要响应时间。

  三.软件设计部分

  3.1机械跟踪部分设计

  太阳能跟踪器的传动部分采用齿轮传动与转轴通过电机转动为跟踪传递动力输出,

  齿轮传动的效率相比较高,可以精准的实现步进运动,对于太阳能跟踪器不间断工作的特点,齿轮传动有着极高的使用价值,其使用寿命、结构紧凑、传动比恒定都提供了跟踪器的可靠性。齿轮传动按齿轮的运动方向不同可以分为三类:直齿轮、斜齿轮、人字齿轮传动,齿轮传动按其啮合方式的不同可以分为以下三类:外啮合、内啮合和齿轮齿条传动。本设计所采用的是平面齿轮传动,在太阳能跟踪器中转轴与传动齿轮的节凑十分的紧凑,使用平面齿轮传动最为适宜。

  在机械跟踪器工作时,首先由电机控制平面齿轮实现运转,平面齿轮带动转轴开始运转,齿轮上所安装得支架与齿轮同步转动,在齿轮上方有俯仰构件,俯仰构件连接着太阳能光伏板实现俯仰转角得跟踪运动。

  3.2控制器选择与控制电路设计

  市场上的PLC种类繁多,在设计一款适合太阳能跟踪器的PLC是至关重要的,只有合理的PLC才可以实现相对流畅的操作,才可以精准的实现机械手臂的精准移动。本论文选用西门子S7 200,这款PLC所拥有的性价比十分的优越,是中小规模的不二之选。S7-200PLC是由多种不同的规格构成且在能告诉处理指令程序、可实现更为复杂的数学运算、内部具有时间/中断驱动、开环定位和PID多种高级控制功能等满足不同要求的显著优点。本系统控制器采用的是西门子S7 200系列PLC,它由CPU、指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功能单元组成,由于其集成度高,具有多种保护电路及自诊断功能,可靠性好。

  图3-1太阳能跟踪器控制台设计

  图3-2 PLC控制电路

  设计的太阳能跟踪器中,需要同时具有自动跟踪运行和手动运行两种模式。自动跟踪运行下,电机可控制光伏板跟随太阳转动;若因维修等其他外部原因需要控制太阳能跟踪器手动转动,则切换到手动运行模式。根据上述分析,设计太阳能跟踪器控制台和PLC控制电路,如图3、图4所示:分别采用自动、手动、左移、右移按钮控制装置运行,对应图4中SB1、SB2、SB3、SB4按钮;其中SB5、SB6分别为总开关按钮和急停按钮;输入按钮SB1—SB6分别对应PLC输入触点I0.0—I0.5;电器KM11、KM12分别控制电机M1正反转运动,实现左转和右转操作。上述为手动运行模式下PLC的控制连接。设计的太阳能追踪器大多数情况下仍运行在自动模式,将左右光敏电阻的电流检测输入分别接入到触点I0.6、I0.7中,通过PLC程序控制继电器KM11、KM12自动运行;输出继电器KMG、KMR分别与绿色指示灯、红色指示灯相连,实时显示系统工作状态。

  根据上述工作原理和电气连接图,给出PLC输入输出分配表:

  表1 PLC输入输出分配

  序号符号地址功能说明

  1 SB1 I0.0自动模式开关

  2 SB2 I0.1手动模式开关

  3 SB3 I0.2左移

  4 SB4 I0.3右移

  5 SB5 I0.4总开关

  6 SB6 I0.5急停开关

  7 SQ1 I0.6左光敏电阻电流检测

  8 SQ2 I0.7右光敏电阻电流检测

  9 KM11 Q0.0电机正转

  10 KM12 Q0.1电机反转

  11 KMG Q0.2绿色指示灯

  12 KMR Q0.3红色指示灯

  四.PLC程序流程图和主程序

  4.1流程图

  根据上述工作原理和PLC输入输出配置,设计PLC控制程序。主程序流程图如图5所示:PLC首先检测是工作在手动状态还是自动状态;若工作在自动状态,则屏蔽手动状态下的各类按钮,同时不断检测左右光敏电阻的电流检测情况;将电流检测值进行大小比较;若电流比较模块输出值为0,不需要驱动电机;若电流比较模块输出值为1,闭合线圈KM11,打开线圈KM12,驱动电机向左旋转;若电流比较模块输出值为-1,闭合线圈KM12,打开线圈KM11,驱动电机向右旋转;若工作在手动状态,不断检测SB3、SB4按钮按下情况,若SB3按下,表示需要向左转动光伏板,则KM11闭合,断开KM12,控制电机正转,若SB4按下,表示需要向右转动光伏板,则KM12闭合,断开KM11,控制电机反转;整个过程中,一旦电机转动,则点亮红色工作指示灯,表示系统处于工作状态,不可触摸;电机停转后,则点亮绿色工作指示灯,表示安全。根据上述原理,给出PLC程序流程图:

  五.总结

  完成太阳能跟踪器的设计使我获取到感受颇深,通过此次的学习,我可以基本的实现PLC的编程、掌握了PLC相关的理论知识,为以后从从事有关PLC方面的工作打下了深厚的基础。在本次的的设计中,理论终究需要实践,实践是检验真理的唯一途径这句话真切的体现出来了,在完成自以为完美的理论后,是一次实践的失败,发现了太阳能跟踪器的不足之处。在本次设计中经过不断的调试,不断失败,不断进步,终于顺利的完成了太阳能跟踪器的基本实现。在设计中,自己也遇到了诸多的问题,自己是无法解决的,最后在老师耐心的指导和同学的帮助下,终于迎刃而解。学习到的不仅是知识的积累,更是一种知难而上的青年奋斗精神,毕业之后面对社会的困难,就要在失败中学会如何成长,如何通过自己的付出与劳动成果得到他人的认可。自己的专业也得到的很大提升,从PLC的入门到基本掌握了PLC的用法,只有自己通过独立思考,自己在专业方面的知识才能掌握的更加牢固,打铁还需自身硬。

  回顾此次设计的太阳能跟踪器设计,从理论的开展到实际的操作,深刻的理解到理论是离不开实际的操作。主要做了以下的工作:

  (1)结合市面上太阳能跟踪器的工作原理与功能的实现,设计出整体的机构与控制方案。学习PLC的基本原理,通过VISIO画出相对应的I/O接线图,选取合适的PLC及整体工作实现的原理画出相应的电路图。

  (2)提出了整体方案与设计之后,通过PLC编程实现设计的功能。