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太陽能基(jī)站光照跟隨PLC控製實訓模型,新能源實驗裝置

2022-07-11 09:23


一、太陽能基站光照跟隨PLC控製實訓模型,新能源實驗裝置,太陽能基站光(guāng)照跟隨PLC控製實訓設備產品概述:
本實訓模型是太陽能以其不竭性和環保優勢(shì)已成為當今國內外最(zuì)具發展前景的新(xīn)能源之一。光伏(pv)發電技術在國外已得(dé)到深入研究和推廣,我國在(zài)技術上也已基本成熟,並已進入推廣應用階段。但太陽能存(cún)在著密度低、間歇性、光照(zhào)方向和強度隨(suí)時間不(bú)斷變化的(de)問題(tí),這就對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都(dōu)是固定的,不能充(chōng)分利用太陽能資源,發電效率低下。如果能始終(zhōng)保持太陽能電池板和光照的垂直,使其最大化地接收太陽能,則能充分利用豐富的太陽能(néng)資源。據實驗,在太陽(yáng)能發電中,相同條件下,采用自動(dòng)跟蹤(zōng)發(fā)電設備要比固定發電設備的發(fā)電(diàn)量提高35%左右。因此,設計開發能自動追蹤太(tài)陽光照的控製係統,是非常有價值的研究課題。

一種新型的可編程邏輯控製器plc(programmable logic controller)的太陽光自動跟蹤係統,不僅(jǐn)能自動根據太陽光方向來調整太陽能電池板的朝(cháo)向,結構簡單、而且(qiě)在跟蹤過程中能自(zì)動記憶和更正不同時間的坐標位置,不必人工幹(gàn)預,特別適合天氣(qì)變化比較複雜和無人值守的情況,有效地提高了太陽(yáng)能的利(lì)用率,有較好的推(tuī)廣(guǎng)應用價值(zhí)和市場應用前景。
二、太(tài)陽能基站光照跟隨(suí)PLC控製實訓模型,新能源實(shí)驗裝置,太陽能基站光(guāng)照跟隨PLC控製實訓設備動跟蹤(zōng)係統的組成及工作原理:
太陽(yáng)能光照自動跟蹤控製係統由plc主控單元、光照度傳(chuán)感(gǎn)器、方位傳感器和信號處(chù)理單元、光伏模塊、電(diàn)磁機械運動控製(zhì)模塊和電源模塊組(zǔ)成(chéng)。係統的組成(chéng)框圖如圖1所示。
 
圖1  係統組成框圖
太陽能光伏發電設備自動跟蹤係統的光敏探(tàn)測頭(傳感器)是用來檢測太陽光強的。當有偏差發生時,偏差信號經過跟(gēn)蹤plc主控單元(控製器),采用模擬(nǐ)差壓比較原理,進行(háng)運算、比較、發出指令,使電動執行器動作,驅動機械部分轉(zhuǎn)動推動(dòng)整個裝置旋轉,調整偏(piān)差,保證太陽能電池方陣(zhèn)正對太(tài)陽光,達到自動跟蹤太陽的目的。太陽能電池方陣在陽光的照射下光(guāng)伏發電,通過控製器向蓄電池充(chōng)電。係統配有自動保護(hù)線(xiàn)路,當風(fēng)力達到8級時自(zì)動啟動,切斷跟蹤太(tài)陽係統,使電(diàn)池方陣快速收平,在風力(lì)降下來時延時10分鍾,解除防風係統,恢複跟蹤過程(chéng)。固定光強、跟蹤光強、電瓶溫度和(hé)自然風速等由微機(jī)進行數據采集,並對蓄電池充電(diàn)和放電進行分級控製。
係統有自動和手(shǒu)動兩種控製方式,sb1和sb2為控製按鈕,用於手動操作,plc輸出的q0或q1分別連接到兩個繼電器線圈,以控製太陽板的正反兩個運(yùn)動方向。在自動運行模式下,plc首先(xiān)比(bǐ)較來自信號處理單元的(de)兩個模擬輸入的值(zhí),然後決定輸出q0或者q1。
1、可編程邏輯控製器plc單元        
跟蹤控製器采用可(kě)編程邏輯控製器plc,它是(shì)太陽能電池板跟蹤係統的控製核心,是係統研究工作的重點。係(xì)統采用歐姆龍(omron)公司近年推出(chū)的α係列plc,該機型為介於大型機與(yǔ)小型機之間的中小型機,最大控製i/o點數為1184點。在應用(yòng)中(zhōng),中央處理器單元(cpu)采用(yòng)c200hx-cpu43-e,它自帶一個編程口和一個rs232c口,該cpu具(jù)有豐富的指令功能,編程方便;開關量輸入模塊選(xuǎn)用c200h-id212;開關量輸出模塊選用c200h-oc225;與上位機的通訊,通過在cpu中插入通(tōng)訊板c200hw-com06-e(該板具有一個rs232c和一個rs-422/485)實現遠程通訊,由於(yú)采用了rs-422接口,采取平衡式發送,因此數據(jù)傳輸率高,而且串擾小,傳輸距離可達500m。特別對(duì)串並聯的並網光伏太(tài)陽能電池陣列的跟蹤係統(tǒng)控製,能發揮plc現場總線控製(zhì)的優(yōu)勢,進(jìn)行(háng)集中控製。經過研究和優化設計,應用集成標準線路,采用模擬差壓比較原理,控製器具有跟蹤精度高、範圍(wéi)寬、自動返回功能。限位(wèi)裝置具有東、西、上、下四個方位的(de)極限限位(wèi)功能。采用雙重限位控製結構,即控製信號限位和驅(qū)動電機限位,保證(zhèng)了設備可靠地工作。圖2所示為plc輸入/輸出硬件配置圖。
圖2  plc輸入輸出(chū)硬件(jiàn)配置圖
2、傳感器檢測和信號處理單元
太陽(yáng)的方位隨著觀測位置和觀測時(shí)間的不同而不同,因此,欲跟蹤太陽就(jiù)必須先對太陽進行檢測定位。檢測太陽光光強(qiáng)的方法有定時法、坐標法、太陽能電池板光強比較法和(hé)光敏電(diàn)阻光(guāng)強比較法。對這4種控製方法進(jìn)行了(le)對比篩選後認為:定時(shí)法電(diàn)路雖然簡單,但由於季節的影響,係(xì)統的控(kòng)製精度(dù)較差;坐標法控製精度較高,但(dàn)控製電路複雜(zá);光強比較法使係統的太陽能利用率不(bú)能達到最佳;光敏電阻比較(jiào)法電路實現最簡單,對(duì)太陽能的利用率最大(dà)。
基於此(cǐ),選擇控製精度高和(hé)電路易於實現的光敏電阻光強比較法(fǎ)作為本研究係統的檢測方案。光敏探測頭(傳感器)是太陽能電池板跟蹤係統的光信號接收器,它是利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發生變化的原理,將兩(liǎng)個完全(quán)相同的光敏電(diàn)阻分別放置於一塊電池(chí)板東西方向邊(biān)沿處的下(xià)方(光與電池板垂直(zhí)時,一半可(kě)接收光,一半(bàn)在(zài)下邊)。如(rú)果太陽(yáng)光垂直照射太陽能電池板時(shí),兩個光敏電阻(zǔ)接收到的光照強度相同,所以它們的阻(zǔ)值完全相等(děng),此時(shí)電動機(jī)不轉動。當太陽光方向與電池板垂直方向(xiàng)有夾角時,接收光強多(duō)的光敏電阻(zǔ)阻值減小,驅動電動機轉動,直至兩個光(guāng)敏電阻上的光照強度相同。控(kòng)製靈敏度的高低直(zhí)接影響跟蹤精度,光(guāng)敏電阻光(guāng)強比較法的優點在於控製(zhì)精(jīng)確,電路設計比較容易實現。經過實驗(yàn)研究,選用質量(liàng)輕、美(měi)觀、耐腐蝕的鋁合金材料,光電接收管(guǎn)經過嚴格的計算、定位,以保證其檢測靈敏度。
圖3所示是太陽光電(diàn)定位裝置(zhì)中光電檢測電路的俯視圖,共由9個光電三(sān)極管組成。正中央1個,旁邊8個圍成一圈。將此檢測板用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住,圓柱(zhù)體的直徑略大於檢測板的外圓。圓柱體(tǐ)的上方中央開一個與檢測用的光電(diàn)二極管直(zhí)徑相同的洞,以便光線通過。將(jiāng)整個光電檢測裝置安裝在太陽能(néng)光電池板(bǎn)上,光電(diàn)二極管的檢測(cè)麵與電池板平行。在圓柱體的外麵不受圓柱體遮(zhē)擋的地方(確保會受到光(guāng)線(xiàn)的照射)也安裝一個光電二極管,其朝向與圓柱體內的光電二極管朝向相同,用於檢測環境亮度,並與圓柱體內的每個光電(diàn)二級管及運放(可用lm324集成電路中的一個(gè))構成一個比較電路。這樣(yàng)當(dāng)圓柱(zhù)體內的光電二極管沒有(yǒu)受光線照射時,運放將輸出低電平,此電平可接到的(de)輸人端進行檢測,圓柱體內的每個光電二級管(guǎn)各用一個plc的輸入端,共9個。這樣就(jiù)可以檢測太陽光線的朝向,來決定哪個電(diàn)機轉動,向哪個方向轉動。另外,為了增大光電二極管的檢測範(fàn)圍,視實際情況需要,也可再增加一圈緊(jǐn)密排列的(de)光電二極管,外圈的光電二極管與內圈(quān)的相(xiàng)應(yīng)位置的(de)光電二極管並聯。
圖3  光電檢測排列
圖(tú)4所示為信號處理單元電路(lù),當(dāng)太陽輻射強度增加時(shí),光電電阻阻值減小,1k可變電阻的壓降增加,從而產生與太陽(yáng)光輻射(shè)強度有直(zhí)接關係(xì)的電壓信(xìn)號。兩(liǎng)個傳感器的輸出信號與plc模擬輸入端(duān)口連接(jiē),並對這兩個模擬(nǐ)信號(hào)進行比較運算,從而輸出正確的信號,以(yǐ)驅動太陽能電池板跟蹤係統(tǒng)的電磁機構。
圖(tú)4  信號(hào)處理單元
3、光照度傳感器
檢測太陽能光譜範圍,是一種專門測量光度、亮度的儀器(qì)儀(yí)表。就是測量光照(zhào)強度(照度)是物體被照明的程度,也即物體表麵所得到的光通量與被照麵積之比。照度計通常是由硒光電池(chí)或矽光電池和微安表組成。
圖5 照(zhào)度計傳感(gǎn)器圖
顯示 3-1/2位液晶顯(xiǎn)示及模擬條形碼(mǎ)指示
測量檔位 20.00 Lux, 200.0 Lux, 2000 Lux, 20.00 Klux
 20.00 fc, 200.0 fc, 2000 fc, 20.00 Kfc
 (1 fc = 10.76 Lux)
過載顯示 顯示“OL”
分辨率 0.01 Lux (0.01fc)
準確度 ±3%rdg ± 0.5% f.s (大於10KLux檔準確度為 ±4%rdg ±10dgts, 以色溫(wēn)2856K標準平麵燈校正
光譜準確性 f  1 < 6%
溫度特性 ±0.1% 1℃
取樣率 數字顯示每秒2.5次,模擬顯示每秒13.3次
感光體 矽製(zhì)光二極管及瀘光鏡片(piàn)
記(jì)錄組數 最多255組(zǔ)
操作溫濕度 0℃ ~ 40℃,80%R.H.以下(xià)
儲存溫濕度 -10℃ ~ 50℃,70%R.H.以下
電 源 6顆1.5V AAA電(diàn)池
電池壽命 連續使用約400小時 (碳鋅電池)
光檢測器引線長度 150cm
光檢測器(qì)尺寸 150公分及92(長) × 60(寬(kuān)) × 29mm(高)
電表尺寸 150(長(zhǎng)) × 72(寬) × 35 mm (高)
4、光伏模塊
光伏模塊采用三菱光伏智能功率模塊pv-ipm(pm50b4la060),其技術參數主要有峰值功(gōng)率pmax=85w,最佳工作電(diàn)壓17.5v,這些參數(shù)是在標準的試驗條件下測試的(太陽光強度1000w/m3,太陽板溫度25℃,空氣質量1.5)。
5、係(xì)統電源模塊
電源(yuán)電路采(cǎi)用(yòng)開關(guān)電源設計,具有高效率、低損耗的特點。采用開(kāi)關控製芯(xīn)片l4960,能提供5.1~40v的輸(shū)出電(diàn)壓和2.5A的輸出電流。電源電路如圖5所示,通過調整兩個電阻r3和r4,以(yǐ)產生12-24v直流(liú)電壓,24v(dc)用於plc電源,44v(dc)直接取自整流橋側供給(gěi)直流電機。如(rú)果用於光伏逆變係統的跟蹤係(xì)統,220v(ac)可以直接取自光伏逆變電(diàn)源。
圖5  開關電(diàn)源設(shè)計
三、太陽能(néng)基站光照跟隨PLC控製實訓(xùn)模型,新能源實驗裝置,太陽能基站光照跟隨(suí)PLC控製實訓設(shè)備光伏係統軟件(jiàn)設計:
並網光伏(fú)發電係統控製軟件采用模塊化設計,包括plc控製和監控程序、pc監控和數據處理程(chéng)序(xù)兩個主(zhǔ)要部分。
1、plc控製和(hé)監控程序
plc控製(zhì)語句是整個太陽能電池(chí)板跟蹤係統的重要組成部分,軟件編程采用歐姆龍公司的(de)cx-programmer 7.1,cx-p梯形圖編程支持軟(ruǎn)件為使用者(zhě)提供了從操作界麵到程序注釋的全中(zhōng)文(wén)操作環境,支持windows的拖拉及粘貼操(cāo)作,以及完備的檢索功能和(hé)常用標準位簡易輸入功能,為使用者創(chuàng)造了一個(gè)高(gāo)效的編程操作環境。通過計算機的rs-232c口與plc的rs-232c口連接,對plc進行數據實時監控、修改和在線編輯等,方便地把程(chéng)序傳(chuán)遞到plc中或從plc中讀(dú)出數據。plc主要完成如下工(gōng)作:
1)  控製跟蹤係統的運動(dòng),控(kòng)製邏輯如(rú)圖6所(suǒ)示。
 圖6  控製過程的邏輯(jí)順序
2) 此子程(chéng)序是將plc輸入與輸出狀態複製到內存的特定位置,稱為標記區域,pc監控程序(xù)能隨時直接從內(nèi)存區(qū)域讀取輸入和輸出狀態。
3) 采樣數據存儲。這是一個(gè)在線采集存儲過程,通過ram數據存儲內部的特殊矩陣,每一小時讀取光敏電阻的值。數據(jù)采(cǎi)集白天進行(háng),晚(wǎn)上停止,直到第二天日出(chū)。采集的時間(小時和(hé)分鍾)存儲在不同的矩陣,然後(hòu)在(zài)pc機的屏幕上顯示出來。當ram內存滿(mǎn)時,將不再存儲數據,直到複位操(cāo)作將存儲數據清除。這部分(fèn)程序采用順序功能圖表(sequential functioning chart,sfc)進行編程,算法如圖7所示。
圖7  存儲過程順序功能圖(tú)
2、pc監控和數據處理程序
采用麵向對象的高級編程語言visual basic 6.0實現以下功能:
1) 自動(dòng)檢測pc機rs232串口和plc端口的連(lián)接狀態。
2) 係統監控(kòng)。決定光伏模塊的實際位置(zhì)和運動方向,顯(xiǎn)示光(guāng)敏電阻的讀數,以及內存溢出標記。
3) 模塊(kuài)的強製(zhì)性前向和反向運動。通過(guò)程序界麵,發出指令控製plc操(cāo)作。如果出現係統位(wèi)置(zhì)異常,可(kě)強迫太陽(yáng)板按照操作要求恢複初始位(wèi)置。
4) 顯示係統設置。顯示存儲在plc內存中的(de)太陽跟蹤係統的設置,如前向和反向運動極限(xiàn),光線暗度極限,前向和反向停止極限,以及對這些參數設置可直接(jiē)進行修改。

四、太陽能基站光照跟隨PLC控製實訓模(mó)型,新能源實(shí)驗裝置,太陽能基站光照跟隨PLC控製實訓設備(bèi)結束語:
本研究基(jī)於歐姆(mǔ)龍plc,采用光敏電阻比較法,構建了自動跟蹤係(xì)統模型,使(shǐ)太陽能電(diàn)池板自動保持與太陽光垂直。太陽能電(diàn)池板自動跟蹤太陽光並網發(fā)電係(xì)統的研究,有效地提高了太陽能的利用(yòng)率和光伏發電係統的效率,增加了全(quán)年的發電功率輸出(chū),從整(zhěng)體上(shàng)降低了光伏並網發電的成本,符合構建環保型和節能型社會發展的要求(qiú),具有(yǒu)很高(gāo)的經濟效益,並能產生良好的社會影響,具(jù)有理(lǐ)論研究意義(yì)和應用推廣(guǎng)前景。基(jī)於plc的太陽能電池板跟蹤係統能用於獨立的太陽能光伏發(fā)電,也能應用於串/並聯的並網光伏(fú)發電係統的現場總線控製,具(jù)有良好的(de)應用前景。

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