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基于欧姆龙 PLC的太阳能集热系统设计

发布时间:2015-05-06 13:51 作者:采集侠 来源:网络整理 点击: 字号:

1 引 言

     在当前世界能源紧张,各种能源价格飞涨的形势下,各国都将眼光投向了可再生能源,一则这种能源可再生,取之不尽、用之不竭;再则,可再生能源对环境友好,对地球及人类的生存环境的危害几乎可以忽略不计。在可再生能源中,太阳能无疑是最引人瞩目的,太阳能的开发利用日益广泛,其技术也日益成熟。中国蕴藏着丰富的太阳能资源,太阳能利用前景广阔。然而,找到可靠的太阳能跟踪系统,是聚热型太阳能系统运行效率的基本保证,也是太阳能聚热系统投入运行的重要前提之一。资料表明Omron公司也非常重视太阳能系统的开发。在西班牙马德里郊外的日平均输出功率630-640kwh的太阳能光伏发电系统中,Omron公司的控制部件就在太阳跟踪和电能转换上就发挥了重要的作用。本文也是利用Omron的控制部件,设计出抛物面聚热型太阳能控制系统,投入使用,并起到良好的集热效果,提高了国内太阳能集热器的控制水平。

2 抛物面聚热型太阳能集热器

  抛物面聚热型太阳能集热器主要由抛物面型反射镜面、集热管、跟踪机构以及热水系统组成,如图1所示。反射镜面用于将阳光反射并聚焦到集热管上,以积聚热能。反射镜面采用抛物面,材料为镜面铝板,表面有不亲灰的涂层。集热管位于抛物面的焦点位置,用于吸收反射镜面反射的阳光,加热管内循环水。集热管内管为不锈钢金属管,外管为玻璃管,内外管之间为真空,以隔绝传热。阳光穿过外管照射到涂有铝氮-铝光谱选择性涂层的金属管上,以积聚太阳能。跟踪机构控制太阳能集热板跟踪太阳不停的转动,确保集热管始终处在太阳反射光线的焦线位置。热水系统由热水泵,温度传感器,流量开关,压力控制器等组成,将集热管中的热量输送到外部系统,保证热水系统的循环运行。

基于欧姆龙 PLC的太阳能集热系统设计

3 控制系统工作原理

  控制系统中的核心控制器根据当地经纬度,当地标准时间以及太阳能集热器的安装方位,计算出太阳集热板的聚焦角度;然后控制器输出脉冲信号,通过脉冲信号放大器控制步进电机SM,步进电机SM带动减速箱和传动齿轮,不断的调整集热板的角度,使集热管始终处于焦点位置,达到最高的集热效率。磁性传感器ZM用来检测步进电机是否转动,防止传动系统故障;XCW,XCC限位开关,用于限制集热板的转动位置。然而仅仅采用太阳角度计算公式来跟踪太阳有一定的局限性,与集热板的安装精度,安装角度的测量有很大的关系。所以采用光辐射传感器,判断聚焦点偏离情况,并做相应的调整,保证聚焦效果。通过太阳角度计算公式粗调,通过光辐射传感器反馈进行精调的闭环控制方案,使集热板能快速,准确的找到聚焦位置,保证太阳能的利用效率。此外控制器控制热水泵和热水温度,保护热水系统的循环运行和安全。

4 控制系统组成

  控制系统采用OMRON公司的CJ1-CPU23作为控制器,该CPU内置两路脉冲I/O通道,可单独控制两列集热器,如果太阳能集热板阵列超过两列,则增加位置控制模块CJ1W-NC413,每列集热板单独控制,使各列的操作性强,控制灵活;采用CJ1-ID211和CJ1-OC211开关量输入输出模块,采集限位开关状态,控制热水泵等;CJ1-AD08用于采集光辐射、热水压力模拟量信号;CJ1-DRM21和DRT2-TS04P网络模块采集热水和环境的温度,且方便以后扩展控制系统,NT5Z触摸屛用于设计操作界面,设定参数和显示太阳能集热器的状态。图2示出控制电柜。

基于欧姆龙 PLC的太阳能集热系统设计

 

 

5 控制系统软件设计

  控制系统软件可分四大功能模块:按太阳规律计算集热板角度、角度转换脉冲信号输出、光辐射自动跟踪、热水系统控制。

  5.1 太阳能集热板角度计算

  太阳运动规律的计算方法在《solar position algorithms for solar radiation applications》中有详细的说明,按照公式计算出太阳高度角GD和太阳方位角FW(见图3),就确定了某时刻太阳相对地面某一点的位置。根据太阳能集热器的安装方位AF,可以计算出太阳能集热板需要的角度RS。这样抛物面跟踪规律可作为二维问题来处理,只要保证RS计算正确,就可以实时跟踪太阳。

基于欧姆龙 PLC的太阳能集热系统设计

 

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