太阳能自动跟踪装置的设计.docx
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太阳能自动跟踪装置的设计
分类号编号
烟台大学文经学院
毕业设计
太阳能自动跟踪装置的设计
Thedesignofsolarautomatictrackingdevice
申请学位：
工学学位
院系：
机电工程系
专业：
机械设计制造及其自动化
姓名：
李显
学号：
200790516206
指导老师：
李春植（教授）
张芹英（助教）
2011年5月26日
太阳能自动跟踪装置的设计
姓名：
李显
导师：
李春植（教授）
张芹英（助教）
2011年5月26日
烟台大学文经学院毕业论文（设计）任务书
院（系）：
机电工程系
姓名
李显
学号
200790516206
毕业届别
2011
专业
机械设计制造及其自动化
毕业论文（设计）题目
太阳能自动跟踪装置的设计
指导教师
李春植
学历
职称
教授
所学专业
指导教师
张芹英
学历
职称
助教
所学专业
主要内容：
本设计是基于单片机控制的自动跟踪系统，它利用光电跟踪原理，通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线的角度大小来控制信号的输入。
采用四个光敏电阻做传感器，把光能转换为电阻的变化，进而通过光电转换电路给单片机输入信号，并由驱动电路来控制步进电机，从而实现机械装置的方位角、高度角的调整。
该机械装置主要采用机械传动原理实现，用一对直齿轮传动机构来实现方位角的旋转。
同时，采用平面四杆机构原理，用一对滚珠丝杠副来实现高度角的调整。
基本要求：
满足该装置能精确自动跟踪太阳光的运动，以达到最大效率利用太阳能。
进度安排：
1-2周完成设计任务书和绪论;3-5周提出自己的设计方案并论证（理论）
6-9周部件零件的设计;10-11周初稿完成;12-13周根据格式，完成论文
指导教师（签字）：
年月日
院（系）意见：
教学院长（主任）（签字）：
年月日
备注：
［摘要］：
太阳能是自然界的一种天然资源，它具有分布范围广、丰富可再生、无污染的优良特点，它的开发和利用已成为当代研究领域的热点。
解决如何提高太阳能利用效率就成为了所有问题的关键。
太阳能效率的提高将直接影响我国能源利用结构的变化，对我国的可持续发展以及建设资源节约型和环境友好型社会有着重大影响。
基于太阳能利用效率的考虑，本设计选择太阳能自动跟踪装置，以达到时刻跟踪太阳光线位置，使太阳光最大限度的照射到该跟踪装置，满足太阳能的充分利用。
该装置是基于单片机控制的自动跟踪系统，通过考虑某地的位置、光照等因素，由单片机输出控制数据，从而来控制步进电机，并通过机械传动机构来实现太阳能电池板自动跟踪光线的目的。
并且对该系统采用二维跟踪方式，以实现太阳能电池板东西方向和南北方向共同调整跟踪，达到进一步提高利用效率、跟踪精度的要求。
[关键词]：
太阳能；自动跟踪；单片机；步进电机；二维运动。
[Abstract]：
Solarenergyisnature'snaturalresourceandithasspreadwidly,richly,renewabllyandhaspollution-freehighcharacteristics.Itsdevelopmentandusehasbecomehotspotsinthefield.Thesolutionoftheefficientuseofsolarenergybecomethekeytoallproblem.Theincreaseofsolarenergyefficiencywilldirectlyaffectourenergystructureanditwillhavemajoreffectsonnationalsustainabledevelopment,constructionresourcesavingandenvironmentalfriendlytypeofsociety.
Basedonsolarenergyutilizationefficiencyconsiderations,thisdesignchoicessolarautomatictrackingdeviceinordertoachievetotrackthesunlightpositionatanytimeandmakethesunexposuretothetrackingdevicetothemaxtomeetthefulluseofsolarenergy.
Thedeviceisacontrolautomatictrackingsystemwhichbasedonmicrocontroller.Byconsideringtheposition,illuminationsomewhere,andotherfactors,microcontrolleroutputscontroldatatocontrolthesteppingmotor.Thissystemrealizesautomatictrackingforthelighttothesolarpanelsthroughthemechanicaltransmissionanditisusedtotrackoftwo-dimensionalwayinordertorealizecommonadjustingtrackingforthesolarpanelseast-westdirectionandnorth-southdirection.Thissystemfurtherimprovestheutilizationefficiencyandtherequirementsoftrackingprecision.
[Keywords]：
solarenergy；automatictrack；microcontroller；steppingmotor；two-dimensionalmovement.
第1章绪论
1.1能源现状及发展
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础[1]。
当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。
随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。
虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。
据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长l%，而太阳能发电每年增长达20%，风力发电的年增长率更是高达26%。
预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。
相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。
我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。
我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。
我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960×10km，占世界总面积的7%，居世界第三位。
据估算[2]，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×10kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2A，中值为586KJ/cm2A。
从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。
尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。
例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816KJ/cm2a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。
全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。
例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。
其它地区的太阳年辐射总量居中。
1.2目前太阳能的开发和利用
人类直接利用太阳能有三大技术领域[3]，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。
太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。
太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：
第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。
第二，地球上无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。
第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。
太阳能的利用有它的缺点：
第一，能流密度较低，日照较好的地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。
往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。
第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。
1.3课题研究的目的和意义
本课题研究一种基于单片机控制的自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。
基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳跟踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。
同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。
1.4太阳能利用的国内外发展现状
日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国[4]。
日本太阳热能的利用，从1979年第二次石油危机后开始，1990年进入普及高峰。
太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。
日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。
太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。
从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到2010年达到482万千瓦，增加约6倍。
德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太阳能系统。
1990年德国政府推出了“一千屋顶计划”，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量1～5千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。
根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了5倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。
另据德新社报道[5]，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。
这家太阳能发电厂投资7000万欧元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。
截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。
已用4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。
目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。
2005年，美国光伏发电总容量达到100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。
为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材
料的研发，提高太阳能光伏电池的光电转化效率。
目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。
预计到2015年，美国光伏发电成本将从现在的21～40美分/千瓦时降到6美分/千瓦时，届时太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。
太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美
国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视。
意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。
印度也于1997年12月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。
法国已经批准了代号为“太阳神2006”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入3000万法郎资金，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。
我国由建设部制定的《建筑节能“九五”计划和2010年规则》中已将太阳能热水系统列入成果推广项目[6]。
目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。
全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达1000余家，年产值20亿元。
根据我国1996～2020年太阳能光电PV（光伏发电）发展计划，在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。
在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。
由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站——安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。
这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。
总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。
1.5太阳追踪系统的国内外研究现状
在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器[7]，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。
1998年美国加州成功的研究出ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。
2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。
在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器完成了单向跟踪。
目前，太阳跟踪系统中实现跟踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：
一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹跟踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。
1.6本论文的研究内容
本文所介绍的太阳能自动跟踪装置采用了光电跟踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。
论文的主要工作包括:
（l）分析太阳运行规律及所处地理位置，大致确定设计极限；
（2）机械部分也是实现跟踪目的的关键，主要是机械零件的设计和计算，装配图及其零件图；（3）分析传感器工作原理及设计光电转换电路；（4）选取控制芯片C51，分析系统的硬件需求，设计控制系统；（5）设计控制方案，步进电动机以及驱动电路。
第2章太阳能自动跟踪系统总体设计
2.1太阳运行的规律
由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。
这种变化是周期性和可以预测的。
地球极轴和黄道天球极轴存在的一个27度的夹角[8]，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。
冬至时这个角为23度27分，然后逐渐增大，到春分时变为0并继续增大，夏至时赤纬角最大23度27分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。
再考虑到该地位置因素及一年四季的太阳方位变化，可以初步确定所设计装置的尺寸、高度角、方位角等的范围。
2.2总体设计原理
本设计是基于单片机控制的自动跟踪系统，它利用光电跟踪原理，通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线的角度大小来控制信号的输入。
采用四个光敏电阻做传感器，把光能转换为电阻的变化，进而通过光电转换电路给单片机输入信号，并由驱动电路来控制步进电机，从而实现机械装置的方位角、高度角的调整。
该机械装置主要采用机械传动原理实现，用一对直齿轮传动机构来实现方位角的旋转。
同时，采用平面四杆机构原理，用一对滚珠丝杠副来实现高度角的调整。
2.2.1平面四杆机构原理
平面四杆机构是由四个刚性构件用低副链接组成的，各个运动构件均在同一平面内运动的机构。
（1）平面四杆机构的基本形式
铰链四杆机构：
所有运动副均为转动副的四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式，其他四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而来的。
选定其中一个构件作为机架之後，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆，能够做整周回转的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆。
如果以转动副连接的两个构件可以做整周相对转动，则称之为整转副，反之称之为摆转副。
铰链四杆机构中，按照连架杆是否可以做整周转动，可以将其分为三种基本形式，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
曲柄摇杆机构，两连架杆中一个为曲柄一个为摇杆的铰链四杆机构。
双曲柄机构，具有两个曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构，其特点是当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般做不等速转动。
在双曲柄机构中，如果两对边构件长度相等且平行，则成为平行四边形机构。
这种机构的传动特点是主动曲柄和从动曲柄均以相同的角速度转动，而连杆做平动。
双摇杆机构，双摇杆机构是两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构。
（2）平面四杆机构的演化
铰链四杆机构可以通过以下方法演化成衍生平面四杆机构。
转动副演化成移动副，如引进滑块等构件。
以这种方式构成的平面四杆机构有曲柄滑块机构、正弦机构等。
选取不同构件作为机架，以这种方式构成的平面四杆机构有转动导杆机构、摆动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、正切机构等。
变换构件的形态，扩大转动副的尺寸，演化成偏心轮机构。
本设计的太阳能板运动设计理念就是来源于平面四杆机构的演化，即采用曲柄滑块机构。
2.3跟踪方案的设计
目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式[9]
（1）视日运动轨迹跟踪；
（2）光电跟踪；（3）视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。
下面就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。
（1）视日运动轨迹跟踪
不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。
太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。
而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。
根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。
在应用中，全球定位系统（GPS）可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。
在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。
然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。
在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。
参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法：
算法l，采用中国国家气象局气象辐射观测方法；算法2，采用世界气象组织气象和观测方法。
由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的成本。
而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。
工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。
初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。
同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。
（2）光电跟踪
传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件组成：
位置检测器、控制组件、跟踪头。
位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。
控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。
（3）视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合
由上述讨论可知，开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。
因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装置的方向。
而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。
特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。
如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。
在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器。
当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。
这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。
这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。
但计算过程十分复杂，高精度角度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。
本设计选用光敏电阻光强比较法，光敏器件选为光敏电阻。
利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将四个完全相同的光敏电阻1、2、3、4分别放置于一块电池板的四个边界处，每两个相对，如图2.1所示。
如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，其中每相对两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。
当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，接收光强少的光敏电阻阻值增大，这样就产生了差值，从而通过控制部分驱动电动机转动，直至相对两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。
图2.1光敏电阻位置
2.4总体结构
如图2.2所示，机构结构：
步进电机1固定在底座上，步进电机1的输出轴连接小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合。
齿轮连接着主轴上，主轴安装在底座上（主轴相对于底座可以转动），步进电机2安装在主轴上端的一块托盘上，步进电机2的输出轴通过联轴器直接与滚珠丝杠副相连接，滚珠丝杠副两端由轴承支承。
丝杠上的滑块与支承杆相连，连接到太阳能板，太阳能板一端固定在托盘上，托盘焊接安装在主轴上
[10]。
机构实现自动跟踪的原理：
当太阳光线发生偏离时。
控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动步进电机2带动滚珠丝杆转动，滑块的左右移动通过支承杆带动太阳能板转动，通过步进电机1、步进电机2的共同工作实现对太阳方位角
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