基于PLC的碟式太陽能跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如何提高太陽能的利用率一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-5]。太陽能跟蹤系統(tǒng)使集熱器裝置始終保持與太陽光垂直，就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽能，精確地跟蹤太陽，可以大大提高集熱器的接收率，進(jìn)而提高太陽能的利用率。

目前，太陽能跟蹤方法有光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤兩大類[6-8]。參考文獻(xiàn)[9]提出了基于PLC的單軸跟蹤系統(tǒng)，采用光敏電阻光強(qiáng)比較法，利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)集熱器跟蹤太陽，但該跟蹤方法受天氣影響大，無法在陰雨天氣正常工作，而且該跟蹤系統(tǒng)采用單軸跟蹤，只能在一個(gè)方位上對太陽進(jìn)行跟蹤。參考文獻(xiàn)[10]介紹了基于二維太陽跟蹤裝置的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法計(jì)算出太陽高度角和方位角，進(jìn)而通過PC機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，從而帶動(dòng)集熱器實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。該方法成本低，但是采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤存在累計(jì)誤差，而且自身不能消除。此外，以上光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤中沒有設(shè)計(jì)時(shí)間顯示調(diào)整模塊，無法顯示實(shí)時(shí)時(shí)間和對時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

鑒于此，本文提出了一種基于PLC的碟式太陽能熱發(fā)電的跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案——混合跟蹤方法，當(dāng)太陽輻射光線達(dá)到一定閾值時(shí)，首先通過視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，然后采用光電傳感器跟蹤校正，同時(shí)本系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了時(shí)間顯示調(diào)整模塊，能夠顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，同時(shí)也可以對時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并設(shè)計(jì)了伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)與PLC的連接電路。

1 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
跟蹤控制系統(tǒng)由傳感器、可編程控制器（PLC）、數(shù)碼管顯示器、雙軸跟蹤裝置組成。
　其中雙軸跟蹤裝置包括方位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和高度角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。方位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、行星減速器、一級蝸輪蝸桿、回轉(zhuǎn)軸承組成；高度角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、行星減速器、螺旋升降機(jī)組成。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，由控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速裝置從而驅(qū)動(dòng)集熱器跟蹤太陽，實(shí)現(xiàn)對太陽高度角和方位角兩方位的跟蹤。跟蹤系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 光電傳感器跟蹤模塊
　本系統(tǒng)采用4個(gè)光敏電阻作為傳感器來檢測天空光線的變化，跟蹤太陽的位置，進(jìn)行誤差校正。4個(gè)完全相同的光敏電阻置于一個(gè)高壁圓筒內(nèi)，均勻分布在東南西北4個(gè)方位處，接收來自不同角度的入射光。當(dāng)東西方位或南北方位的兩個(gè)光敏電阻感受到的光強(qiáng)差值小于某個(gè)限定值時(shí)，PLC不發(fā)出讓電機(jī)動(dòng)作的信號；當(dāng)光強(qiáng)差值超過一定范圍時(shí)，PLC發(fā)出信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2所示。其中CDS1和CDS2兩個(gè)光敏電阻用于檢測東西方向光線變化，調(diào)整太陽能集熱器東西方向角，即方位角；CDS3和CDS4兩個(gè)光敏電阻則用于調(diào)整太陽能集熱器南北方向角，即高度角。采樣不同位置光敏電阻上的模擬信號，經(jīng)過運(yùn)放及相應(yīng)保護(hù)電路，然后通過A／D轉(zhuǎn)換之后將信號輸送到PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)比較程序，最終從PLC發(fā)出相應(yīng)信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。PLC采樣輸入端口選擇X4、X5、X6、X7端口。圖3為采樣光敏電阻CDS1電壓、進(jìn)入PLC端口X4的采樣電路，其他三路原理相同。

　由于本系統(tǒng)中需要對時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)了按鍵電路，設(shè)置了2個(gè)按鍵S1、S2。S1用來調(diào)整時(shí)，調(diào)整范圍是0~23，每按一次鍵時(shí)加1，可以在0~23之間循環(huán)調(diào)整。S2用來調(diào)整分，調(diào)整范圍是0~59，每按一次鍵時(shí)加1，可以在0~59之間循環(huán)調(diào)整。

1.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
　執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和雙軸跟蹤裝置，其中雙軸跟蹤裝置有高度角運(yùn)動(dòng)裝置和方位角運(yùn)動(dòng)裝置。伺服驅(qū)動(dòng)器接收控制器的輸出脈沖，根據(jù)輸出脈沖的個(gè)數(shù)和脈沖頻率來決定伺服電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)雙軸跟蹤裝置調(diào)節(jié)太陽能聚光器在方位角方向的偏差和高度角方向的偏差，使太陽能聚光器始終與太陽光線垂直。圖5為伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)與PLC的連接電路示意圖。

2 跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)的控制作用主要由控制器PLC來完成，主要完成兩個(gè)任務(wù)：（1）計(jì)算太陽的運(yùn)行軌跡，求出太陽的角度差，發(fā)出初步調(diào)整信號；（2）處理傳感器偏差信號，發(fā)出誤差校正信號。其主程序流程圖如圖6所示。
系統(tǒng)在剛啟動(dòng)時(shí)，跟蹤裝置處于跟蹤的起始位置，當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)啟動(dòng)、程序初始化設(shè)備和相關(guān)參數(shù)后，首先是讀取時(shí)間，如果在日出前或日落后，則系統(tǒng)等一段時(shí)間后再讀取時(shí)間，當(dāng)讀取的時(shí)間在日出和日落之間，系統(tǒng)通過輻射表采集輻射強(qiáng)度，以判斷是否陰天、有云或其他遮蓋，如果采集到的輻射小于系統(tǒng)設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)等待一定時(shí)間后再繼續(xù)采集；當(dāng)采集到的輻射大于系統(tǒng)的設(shè)定閾值，則系統(tǒng)通過讀取的時(shí)間和當(dāng)?shù)氐牡乩韰?shù)計(jì)算太陽的高度角和方位角，并將計(jì)算的結(jié)果與前一次的計(jì)算結(jié)果相減，得到角度差，然后根據(jù)角度差計(jì)算出PLC需要發(fā)出的脈沖數(shù)，再送給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成初步跟蹤。

　在本系統(tǒng)中，設(shè)定PLC每發(fā)出1個(gè)脈沖伺服電機(jī)轉(zhuǎn)0.9°，在方位角方向上的減速箱的傳動(dòng)比為1：93 600，高度角方向上的減速箱傳動(dòng)比為1：512。則當(dāng)太陽方位角和高度角變化0.9°時(shí)，PLC向兩臺(tái)伺服電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)分別為93 600個(gè)和512個(gè)。角度差的正負(fù)決定電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)系統(tǒng)完成初步跟蹤后，自動(dòng)進(jìn)入傳感器跟蹤校正誤差，如果有偏差信號輸出，計(jì)算出相應(yīng)伺服電機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)，然后分別送給兩臺(tái)伺服電機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步跟蹤，校正誤差。考慮到角度變化的精度影響和電機(jī)反應(yīng)速度，延遲5 min后再讀取時(shí)間，進(jìn)行下一個(gè)周期的跟蹤。
　本文基于PLC控制理論，提出了一種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的混合跟蹤方法，結(jié)合了光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的優(yōu)點(diǎn)，對太陽能跟蹤系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)太陽能跟蹤裝置的全天候?qū)θ崭?，在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中增加了時(shí)間顯示調(diào)整模塊，能對時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和調(diào)整。
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