论文总字数：24318字

摘 要

太阳能是干净无污染，丰富的和可再生的，我们生活的世界的一个组成部分。近年来，随着能量需求的增加，还有能源的损耗持续加大。这些方面迫使人类去发展一种重要的对环境友好的和无污染的能源，特别是太阳能。在目前的研究中发明了一种系统，以便有效地利用太阳能电池，它是利用太阳能的有效手段之一。这个系统中的半导体材料是太阳能电池，该系统可以将太阳能直接转换为直流电的电能。

一个基于可编程逻辑控制器的双轴太阳能跟踪系统，PLC作为整个控制系统的的核心，驱动器驱动伺服电机动作，伺服电机作为动力来带动太阳能电板转动。跟踪的基本要求是要确保实时变化的太阳光线始终与太阳能电板垂直，以此来提高太阳能电池的发电的效率。具体过程就是：通过程序计算出太阳的高度角和方位角，计算出跟踪装置需要转动的角度，乘以一定的系数转换为脉冲信号发送给驱动器驱动电机运转。系统会每隔一定的时间间隔,对高度角和方位角进行一次跟踪，然后向伺服电机驱动器发送脉冲和方向电平信号，以此来跟踪一整天的太阳位置变化。

太阳能伺服跟踪系统的设计主要包括软硬件两部分，将硬件与软件相结合，实现伺服跟踪系统控制X-Y二维聚光发电。硬件结构，基本配置如下：CP1H-X运动控制器作为上位机被采用、松下PMSM及其驱动器。软件部分：CX-Programmer是PLC的编程软件，软件设计主要从系统的主程序，太阳轨迹运算程序和跟踪子程序三个模块来进行叙述。

最后，论文对全文进行总结，并提出了进一步研究的展望。

关键词：光伏发电 PLC 伺服控制 双轴追踪

PV PLC Motion Control System Design

Abstract

Solar energy is clean, renewable and abundant in every part of our world; the energy needs and costs have increased in recent years and the nature is damaged during the process of energy production. These aspects have made environment-friendly and clean sources of energy, particularly solar energy, more important. In the present study, a method was developed in order to effectively utilize solar cells, which is one of the efficient means of using solar energy.

Dual-axis solar tracking system based on programmable logic controllers, PLC as the core, drive the entire control system of the drive servo motor operation, the servo motor as the power to drive the rotation of the solar panels. The basic requirement is to ensure that the real-time tracking of changes in the sun's rays and the solar panels are always vertical, in order to improve the efficiency of solar cells to generate electricity. Specific process is: The program calculates the sun's elevation angle and azimuth tracking device needs to calculate the angle of rotation, multiplied by a certain factor into a pulse signal to the driver drives the motor running. The system at regular time intervals, for elevation and azimuth track once and then send pulses and direction to the servo motor drive signal level, in order to track the sun's position changes throughout the day.

Design of solar tracking servo system includes both hardware and software parts, hardware and software combine to achieve the two-dimensional XY concentrating power control servo tracking system. Hardware structure, the basic configuration is as follows: PC using CP1H-X motion controller and drive Panasonic PMSM. Software part: CX-Programmer OMRON PLC programming software, software design from the main system, the sun and trace the trajectory calculation subroutine to be described in three modules.

Finally, the paper is the conclusion, and made the prospects for further research.

Keywords：Photovoltaic power generation ; PLC; servo controls; two-axis tracking

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外太阳能发电发展概况 1

1.2.1国内太阳能发电的发展现状 1

1.2.2国外太阳能发电的发展现状 2

1.3 论文的主要研究内容 3

第二章 光伏发电运动控制系统总体设计 4

2.1光伏发电系统概述 4

2.2光伏电池工作原理 4

2.3光伏发电系统原理与结构 6

2.4光伏发电策略研究 6

2.4.1太阳能跟踪定位方法 6

2.4.2视日运动跟踪 7

2.4.3双轴追踪 9

第三章 光伏发电运动控制系统硬件设计 11

3.1光伏发电系统的硬件结构 11

3.2光伏发电伺服控制系统设计 11

3.2.1伺服系统概述 11

3.2.2伺服系统设计 12

3.2.3 松下伺服电机及其驱动器 13

3.3可编程控制器 16

3.3.1可编程控制器 16

3.3.2欧姆龙CP1H的性能 17

3.3.3欧姆龙CP1H的结构 18

3.4光电检测器 20

第四章 光伏发电运动控制系统软件设计 22

4.1 CX-Programmer编程软件 22

4.2光伏发电系统主程序 24

4.3光伏发电太阳轨迹运算程序 25

4.4光伏发电系统子程序 26

第五章 系统调试与结果分析 30

5.1系统调试 30

5.2系统结果 31

第六章 总结和展望 33

致谢 34

参考文献 35

附 录 36

绪论

1.1 课题背景及意义

刚刚进入21世纪,各行各业如雨后春笋相继发展起来，推动了全球经济的发展，人口数量急剧上升，人民生活水平不断提高。限制人类发展和进步的问题是能源问题，能源问题极大程度上限制了经济发展。随着初始能源的不断的消耗和环境压力持续的增加,这就迫使我们寻找新的能源来补充化石能源的不足。在当今世界,能源问题是世界各国所面临的重要问题,如何处理好能源和环境的关系,如何发展和利用新能源来替代传统能源,是与全人类相关的重大问题^[22],同时也是我国社会经济发展的重要问题。

随着人口的不断增长和社会的发展越来越凸显出不可再生能源的重要地位。21世纪以来，随着现代工业的发展，能源和污染问题日益突出，不可再生能源一天天减少，对环境造成的危害日益突出，全球有20亿人面临资源短缺问题此时，各个国家都把目光投向了可再生能源，通过可再生能源能够改变人类的能源问题，实现可持续发展的归划，可再生能源太阳能吸引了人们的关注。丰富的太阳辐射能是重要的可再生能源^[22]，是干净无污染而且不用成本的能源。每秒钟收集到的太阳能能量高达80万千瓦时^[24]，中国的国土面积居世界首列，其中很多地方的太阳辐射能极强，这就需要一个有效的系统能够充分把这些资源利用起来。

1.2 国内外太阳能发电发展概况

1.2.1国内太阳能发电的发展现状

中国的光伏产业发展时期晚，设备落后，利用水平低限制了光伏发电的发展，严格意义来讲我国的光伏发电产业现在还处于一个比较落后的产业，我国要实行可持续发展的战略方针是对太阳能的开发利用^[9]这也是一个最重要发展方向的意义。我国土地辽阔,人口众多,人均却占有的资源量却非常有限，光伏发电原原料大部分仍然需要进口。19世纪中期我国才开始对光伏电池的研究，4年后成功获得真正意义上可以利用的光伏电池，21世纪初期，随着光伏产业的不断推广^[24]，光伏发电的成本不断降低，迎来了一个光伏产业的春天，此时的中国大力推动了光伏发电的产业研究，应用领域和范围越来越广。随着西藏一系列太阳能产业的推动，中国光伏发电的累积装机容量达到了60MW^[11]。

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