太阳能自动追光系统的设计毕业设计管理资料.docx

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太阳能自动追光系统的设计毕业设计管理资料

太阳能自动追光系统的设计

机械电子工程专业学生韦忠爽

指导老师侯建华

摘要：

目前，太阳能利用装置的放置位置大多是固定不变的，而一天当中太阳与太阳能利用装置的相对位置是时刻变化的，这也就无法保证太阳能利用装置时刻受到阳光直射，从而使太阳光能的利用率大大降低。

为了提高太阳能的利用率，设计一种循日追光系统，使太阳能利用装置最大限度的利用太阳光能。

本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计，机械部分分设计主要是通过步进电机1、步进电机2的共同工作实现对太阳的跟踪；控制部分设计是基于单片机的自动控制系统，采用光电检测追踪模式，配合机械装置使系统更加稳定，提高了系统的追踪精度。

关键词：

太阳能；循日追光；步进电动机；单片机

TheDesignofAutomaticTrackingSystem

StudentmajoringinMechanicalandelectricalengineeringLiYan

TutorHouJianhua

Abstract：

Atpresent,thesolarenergyutilizationdeviceplacedmostofthepositionisfixed,butthesunandsolarenergyutilizationoftherelativepositionofthedeviceisever-changingintheday,thisistoguaranteethesolarenergyutilizationdevicemomentisdirectsunshine,sothatthesunlightenergyutilizationgreatlyreduced.Inordertoimprovetheutilizationrateofsolarenergy,designasystemofsolartracking,tomakesolarenergyutilizationdevicemaximumuseofthesunlightenergy.Thesolartrackingsystemofthemechanicalpartandcontrolsystempartaredesigned.Themechanicalpartdesignistorealizethesuntrackingthroughthejointworkofsteppermotor1andsteppermotor2;thecontrolpartdesignistheautomaticcontrolsystembasedonsinglechip,usingphotoelectricdetectiontrackingmode,withthemechanicaldevicetomakethesystemmorestable,improvethesystemtrackingaccuracy.

Keywords:

SolarEnergy；SolarTracking；StepperMotor；SCM

引言

随着经济发展和社会进步，自然资源被人为的任意开发和利用，面临枯竭的境地，人类的生活环境在大量自然资源使用过程中面临巨大的威胁，由于人类对自然资源的需求越来越高，因此，寻找可替代的新能源成为当务之急。

太阳能是一种干净环保而且取之不尽用之不竭的可再生新能源，随着社会经济可持续发展的这种趋势，太阳能在人类生活中起到越来越重要的作用。

于是，合理开发并提高太阳能的利用率具有非常重要的意义。

众所周知，太阳在一天中的位置由东向西发生着变化，而目前太阳能利用装置的摆放位置大多是固定不变的，这也就无法使太阳能利用装置时刻正对着太阳，太阳光也就无法时刻直射到其上面。

因此，本文设计了一种自动循日的智能型太阳能追光系统，使太阳能利用装置最大程度的提高太阳能的利用率。

自动追光系统以AT89C51单片机为基础，工作可靠稳定，能够精确追踪太阳，使太阳光在一天当中始终直射到太阳利用装置上，最大限度的提高太阳能利用率。

此装置利用广泛，可在太阳能发电站、太阳能电池、太阳能路灯、太阳能热水器等方面使用。

1太阳能自动追光系统总体设计方案

太阳运行的规律

太阳在一天中的位置变化是周期性的，是可以被预测的。

因为地球自转和地球绕太阳公转，使太阳相对于地面物体是运动的。

因为地球极轴与黄道天球极轴存在27度夹角，使得太阳的赤尾角在一年当中发生变化。

夏至时赤纬角最大为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；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，直到夏至，另一个变化周期开始。

跟踪器机械执行部分比较选择

分析考虑成本、跟踪器机械执行部分等各方面问题，有以下几种跟踪器。

（一）陀螺仪式跟踪器

1

2

a

B

C

Ⅱ

Ⅰ

北南

东北

1-马达2-马达Ⅰ-传动箱Ⅱ-传动箱a-接收器B-环形支架C-支架

图1-1陀螺仪式跟踪器

跟踪器所具有的结构:

传动箱Ⅰ安装在支架上,并将其固定；马达1安装在传动箱Ⅰ上，传动箱Ⅰ的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达1输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面（环形支架相对于支架可以转动），传动箱Ⅰ的输出轴连接环形支架，传动箱Ⅱ固定安装在环形支架上，马达2安装在传动箱Ⅱ上，传动箱Ⅱ内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。

马达2的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面（接收器相对于环形支架可以转动），传动箱Ⅱ的输出轴连接接收器[1]。

跟踪器朝向安装有很多种选择，根据图中所示的安装，跟踪器执行的原则如下：

当太阳的光线偏离发生时，所述控制部分会发出的信号，此信号会驱动马达2带动传动箱Ⅱ中的蜗轮蜗杆旋转，驱动接收器输出相对于支撑环旋转，跟踪太阳从东到西的运动，在同一时间，控制部分发出的信号驱动马达1带动传动箱Ⅰ中的蜗杆和蜗轮的旋转，第二次输出带动环支撑架和接收器旋转，跟踪太阳北部和南部方向的运动，从而最终实现两个方向的太阳跟踪。

系统的优势：

跟踪机构结构简单。

追踪在两个方向上，使用蜗杆和蜗轮副传动，传动比大，结构紧凑，可以使用小功率电动机，且同一时间，使用小功率电动机，不仅降低能源成本和制造成本，而且提供足够的电力;蜗杆蜗轮对自锁性能好，可防风防雨。

结构紧凑，运动空间是很大的。

传动装置安装在传动箱，受到了良好的保护，提高了设备的使用寿命。

（二）齿圈转动式跟踪器

a

Ⅱ

2

1

Ⅰ

D

B2

B1

A

1-马达2-马达Ⅰ-小齿轮Ⅱ-小齿轮a-接收器A-主轴B1-齿圈B2-齿圈D-转动架

图1-2齿圈转动跟踪器

该机构结构：

马达1的输出轴与小齿轮Ⅰ连接并将马达1固定在支架上，小齿轮Ⅰ与齿圈B1相啮合且齿圈B1连接到安装在支架上的主轴，而马达2安装在主轴前部的一块板上，马达2的输出轴连接小齿轮Ⅱ，小齿轮Ⅱ与连接着转动架的齿圈B2啮合，且转动架安装在主轴上[2]。

机构实现自动跟踪的原理：

当太阳光线偏离发生时，控制部分所发出的控制信号驱动马达1，进而带动小齿轮Ⅰ转动，小齿轮会带动齿圈B1和主轴A转动；在同一时间，控制信号会驱动马达2带动小齿轮Ⅱ转动，进而小齿轮Ⅱ带动齿圈B2和转动架D转动，通过马达1、马达2的共同努力实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

系统的优势：

该跟踪机构结构简单，成本低。

在两个方向的跟踪，都利用齿轮副传递动力，在同一时间，使用功率较小的马达，不仅传递足够大的动力，而且降低了其能源成本和制造成本；尽管使用了半个齿圈，然而能在紧凑的结构下获得了较大的传动比。

本系统结构紧凑，运动空间是很大的。

（三）立柱转动式跟踪器

该跟踪器所具有的结构：

将在底座上固定好的大齿轮与小齿轮啮合，且小齿轮与马达1的输出轴连接，主轴与它的支撑轴承分别安装在底座的上面。

在转动架上将马达1固定好，在主轴上将转动架与支架都固定好，将接收器、马达2相继安装在支架的上面，马达2的输出轴与接收器相互连接[3]。

跟踪器所实现的自动追循原理：

当太阳的光线发生偏离时，控制部分将控制信号发出，来驱动马达1带动小齿轮的转动，因为大齿轮是固定的，那么小齿轮不仅自转，而且绕大齿轮旋转，带动转动架的转动，同时将固定在转动架上的主轴、支架与接收器也发生相应的转动；在同一时间，通过控制信号来驱动马达2，并且带动接收器转动，通过马达1和马达2的共同努力来实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

a

A

E1

2

C

F

1

E2

D

1-马达2-马达a-接收器A-主轴C-支架D-转动架E1-大齿轮E2-小齿轮F-底座

图1-3立柱转动式跟踪器

系统的优势：

该跟踪机构结构简单，成本低。

对于方位角的跟踪，利用齿轮副传递动力，在同一时间，使用功率较小的马达，不仅传递足够大的动力，而且降低了其能源成本和制造成本。

它的结构紧凑，刚度较高,传动装置安装在转动架下，受到了良好的保护，有利于提高它的寿命。

本课题的机械设计方案

图1-4为机械设计方案，该机构结构：

在支架上马达1固定好，马达1的输出轴与小齿轮1连接，小齿轮1与大齿轮啮合。

把齿轮连接到主轴上，将主轴固定安装在支架上，在主轴前端的板上将马达2安装，马达2的输出轴与小齿轮2相啮合，小齿轮2与齿圈是啮合的，齿圈连接着太阳能板，在主轴上将旋转框架安装。

图1-4本课题的机械设计方案

机构所要实现的自动跟踪的原理为：

若太阳光线的位置发生偏离时,控制信号将会驱动马达1并且带动小齿轮1进行工作，进而小齿轮带动大齿轮和主轴工作；在同一时间,控制信号驱动马达2带动小齿轮2工作。

小齿轮2带动齿圈和太阳能板工作，通过马达1和马达2的共同努力完成对太阳的方位角和高度角跟踪。

跟踪方案的比较选择

目前采用跟踪太阳的方法有很多：

（1）视日运动轨迹跟踪；

（2）光电跟踪[4]。

简单介绍一下这两种跟踪方案。

（一）光电跟踪

采用一级传感器跟踪方式是传统的光电跟踪，这种跟踪系统由控制组件、跟踪头、和位置检测器组成[5]。

1-5中所示的跟踪系统的框图。

位置检测器主要由经过选定的光敏传感器组成。

控制部分主要是接受来自位置检测到的微弱信号，然后经过放大后送到跟踪头，其实跟踪头为跟踪装置的执行元件。

控制组件跟踪头

功效

+——

放大器1

镜子

减速器

电机

放大器2

位置检测器

测速机

云遮切换装置

图1-5跟踪系统框图

象限光电转换原理如下图所示，接下来对五象限法太阳跟踪仪做一简单介绍。

在半径为R/2的小圆外面包围一个半径为R的大圆，将两圆之间的圆环分为四个象限。

每个象限边界线和X轴均成为45度，小圆为第V像限[6]。

II

III

I

IV

图1-6五象限光电转换器原理

在上述5个象限中为跟踪定位测向象限，V象限为主测象限。

将5枚性能、面积、参数相同的光电池安装在所设计的5个象限内时，一旦阳光照射到5枚光电池上时会产生光电流，这时的光电流的强度与光强度成正比例关系。

为了精确测量，在光电池前面放置可调节的光学镜筒，把凸透镜放在镜筒前，透镜安装在镜筒的外侧边缘，如图1-7中示出。

当光线穿过透镜照到镜筒底部的5枚光电池时，调整筒的长度，使光斑完全覆盖5枚光电池。

当太阳光与光轴形成某一角度时，光线经过透镜照射到5枚光电池时,所形成的光斑将会发生偏移，在这样条件下,光斑不能完全覆盖在光电池上，所以生成的光电流不全相同。

将经过一系列处理的光电流差输送给跟踪头，此时驱动电机开始动作,来调节所述跟踪的装置,直到光电池输出的光电流相同，这个时候的太阳光线平行于透镜光轴，而驱动电机没有发生动作。

安全、可靠是测量跟踪装置的必要问题，该设备采用V象限的主测光电池的方法进行光强度的测量和判断，使设备在晚间停止工作。

将电压V1和外来控制的电压V2进行对比，可选择适当的V1控制测量所需跟踪设备的工作现状，在夜间,当V2V2，设备开始正常工作。

图1-7镜筒结构

光电池

透镜

光轴

从理论上讲，筒越长，光电池灵敏度的系数就越高，但是筒长度与透镜之间的参数也有存在关系，不可能没有限制增长。

通常，它是取10-30厘米最佳。

传感器精度的高低决定了系统的位置的精度，所以很容易实现高精度的跟踪装置。

但是,当云覆盖很长一段时间,或当太阳刚升起的清晨,太阳光线与透镜光轴之间角度超过一定的夹角范围，由于镜筒结构的限制，透镜聚焦的光点不能被光电池捕捉到,这时跟踪装置便无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的错误动作。

所以该跟踪装置只能在一定的角度范围内实现高精度的跟踪，其跟踪范围与镜筒的结构有关。

（二）视日运动轨迹跟踪

太阳跟踪装置采用地平坐标系统是相对直观,方便可行的，而且操作性强，但对一个轨迹的坐标计算是没有具体的计算公式的问题。

而且在一天中的任何时刻,赤道坐标系中赤纬角和时角在相对运动中具体角度却是严格已知，在同一时间,赤道坐标系和水平坐标系统是密切相的与地球运动相关，然后通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观察者的位置之间的关系。

根据太阳的轨迹算法分析，太阳轨迹位置,是由观测点的位置和标准时间来确定的。

在全球定位系统（GPS）的应用中，可以为系统提供高精度的地理经度和纬度,以及本地时间，控制系统则根据提供的地域和时间参数来确定即时的太阳位置，确保准确的定位和跟踪系统高精度及高靠性。

在设置跟踪地点和基准零点后，控制系统可以自动操作根据水平坐标公式的太阳能高度角和方位角的太阳。

然后控制系统根据太阳的轨迹角每分钟改变驱动信号,实现跟踪装置二维旋转角度和方向的变化。

日落之后,停止跟踪,跟踪设备根据原来的轨道路线回到基准零点。

因此，可以看出，跟踪的解决方案，无论是什么算法，这种算法的过程是非常复杂的，随着计算量的增大会增加系统成本。

跟踪开环系统，无角度反馈值，所以为了实现高精度跟踪的要求，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有密切的关系。

必须要求在工程机械结构的加工精度中有足够高的生产。

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。

并且,用仪器底部的水平准直仪将底面与地面保持水平,使仪器的高度角处在地面的水平面内。

本设计的跟踪方案

光敏电阻光强比较法。

光敏电阻被选为本设计的光敏器件。

光敏电阻的特点是它的阻值随着光照强的大小发生变化，利用这种特点，把两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向的底部边缘。

如果太阳光线垂直照射太阳能电池板时，那么两个光敏电阻接收到的光照是同样的，因此它们的阻值是相同的，此时电机是不转动的。

但是太阳光的方向和电池板垂直的方向有一定夹角时，则接收光比较多的光敏电阻的阻值减少，驱动电动机发生转动，一直到光敏电阻产生相同的光照强度，这种形式称为光敏电阻的光强比较法。

2机械设计部分

太阳能自动追光系统机械设计方案

，并对齿轮、底座、轴承、中心轴、轴承等重要部件的材料选择，尺寸计算进行分析校核，对机械部分的抗风性进行系统分析。

齿轮的选择

（一）材料的选择

选用直齿圆柱齿轮传动[7]。

太阳能自动旋转装置为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB10095—88）。

小齿轮的材料选用40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料选用45钢（调质），硬度为240HBS。

（二）尺寸计算

初选模数m=4mm,中心距a=260，转动比i=4。

一般齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角

=8到15度。

初选齿轮齿数Z1=25，分度圆螺旋角

=10度，则齿轮齿数Z2=iZ1=4×25=100。

分度圆直径：

小齿轮直径

，取d1=100mm。

大齿轮直径

，取d2=405mm。

（2-1）

取齿宽系数

=

b=

=×100=120

则取大齿轮宽度b2=120,小齿轮宽度b1=125。

齿顶高

（2-2）

齿根高

（2-3）

齿高

（2-4）

（三）校核计算

查文献[8]＝。

查文献[8]=。

查文献[8]。

Ft=2T1/d1=2×2×104=400N

kAFt/b=1035×400/120=405N/mm（2-5）

εδ=[×（1/Z1+1/Z2）]cosβ

=[×（1/25+1/100）cos10

=

Zz=√（4-εδ）/3=

KHδ=1/Z2ε=

式中

--圆周力；

--端面重合度；

--重合度系数。

载荷系数K

K=KAKVKHδKHβ（2-6）

=×××=

查文献[8]。

查文献[8]。

查文献[8]。

总工作时间Th=10×360×2=7200h。

应力循环次数

107＜NL＜109

（2-7）

原估计应力循环次数正确。

（2-8）

接触寿命系数ZN:

查文献[8]

=，

=。

许用接触应力

（2-9）

验算许用接触应力

（2-10）

计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。

底座的设计

底座材料选用45钢[9]，底座要有足够的支撑强度，同时也要满足尽可能节省材料，所以，选择用焊接法组合底座。

设计结构如图2-1所示。

图2-1底座

中心轴的选择

（一）尺寸设计

选择轴的直径为30mm，长度为400mm。

轴的材料选择45钢，并进行调质处理。

（二）轴的校核

可知材料的强度极限：

σb=598MPa，屈服极限：

σs=353MPa[10]。

又45钢是塑性材料，所以，要用屈服极限σs来校核。

设横截面受力F大约为70KN。

材料的截面积为：

S=πr²=²。

σ=F/S=<<σs=353MPa。

所以，该轴符合要求。

轴承的选择

（一）轴承1的选择

该支承根据工作条件决定选用深沟球轴承，轴承径向载荷Fr=1500N，轴向载荷Fa=5500N，轴承转速n=300r/min，装轴承处的轴颈直径大约为30mm，运转时有轻微冲击，预期计算寿命Lh=5000h。

（1）求比值

Fa/Fr=5500/1500=>e

（2）初步计算当量动载荷P，P=fp×（XFr+YFa）

因为轻微冲击，所以载荷系数fp=～，取fp=。

同时可得X=，Y值需在已知型号和基本额定静载荷Co后才能求出。

现暂选一近似中间值，取Y=，则

P=×（×1500＋×5500）=10908N

（3）求轴承应有的基本额定动载荷值

C=P׳√60n×Lh/10²=（2-11）

（二）轴承2的选择

该支承根据工作条件决定选用深沟球轴承，轴承径向载荷Fr=5500N，轴向载荷Fa=2700N，轴承转速n=300r/min，装轴承处的轴颈直径为大约25mm，运转时有轻微冲击，预期计算寿命Lh=5000h。

（1）求比值

Fa/Fr=2700/5500=>e

（2）初步计算当量动载荷P，P=fp×（XFr+YFa）

因为轻微冲击，所以载荷系数fp=～，取fp=。

同时可得X=，Y值需在已知型号和基本额定静载荷Co后才能求出。

现暂选一近似中间值，取Y=，则

P=×（×5500＋×2700）=8556N

（3）求轴承应有的基本额定动载荷值

C=P׳√60n×Lh/10²·³=

抗风性分析

（一）底座上螺钉校核

危险截面面积

（2-12）

螺钉应力副

（2-13）

则

（2-14）

螺钉疲劳极限

（2-15）

极限应力幅

（2-16）

（二）轴校核

判断危险截面主轴端面往下170mm处

材料选用45钢调质。

对称循环疲劳极限

（2-17）

脉动循环疲劳极限

（2-18）

等效系数

（2-19）

截面上的应力

有效应力集中系数

表面状态系数

尺寸系数

弯曲安全系数

设为无限寿命，k=1

（2-20）

轴强度满足要求。

3控制系统设计

系统总体结构

传感器

光电转换

单片机

驱动器

步进电机

电源

图3-1系统总体结构

此系统由步进电机、光电转换器、89C51系列单片机以及相应的外围电路等组成。

太阳能电池板有两个自由度。

控制机构将分别调整水平方向与垂直方向。

单片机上电复位后，将使垂直方向处于旋转状态，单片机会判断采样进来的电压信号，即两种可能电压有增大和减小，如电压是增大，则让电池板继续转动，一旦电压是减小，单片机会立即发出信号，让电机反转，实现跟踪太阳板。

光电转换器

限位开关

VCC

LM124

R1R2AU2A

BU3A

VCC

图3-2光电转换电路

光电转换装置接收太阳光，将光信号转换成电信号，根据所采集到的信号，由单片机分析得最终控制的步进电动旋转与转向来达到太阳能电池面板,结果始终是垂直于入射光线，从而达到利用太阳能的最高效率。

选为光敏电阻为本文设计的光敏器件。

光电转换电路在下面的图片中是其中的一组，另一组是相同的电路。

当太阳的光线正对太阳能板的时候，光敏电阻R1、R2都是高电阻，且A、B两点电压是相等的。

四运放LM124的输出的电压也是相同的，单片机收到的信号差值为零，所以单片机不能控制电动机转动。

如果阳光倾斜，使Rl被阳光射中呈低电阻状态，则A点电位比B点的点电位高。

运算放大器U2A的角色是一个电压跟随器，有缓冲、隔离、提高负载能力的作用，保持稳定的采样信号。

U3A是减法器，A与B的电压差值为其输出。

因为在A和B之间的电压差可以是正的或负的，而单片机的输入电压值不能为负值，所以U3A正的输入端接了个偏置电压电路，使U3A的输出值始终是正值。

步进电动机

（一）步进电动机介绍

步进电机是将电脉冲转化为角位移的开环控制执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。

因此非常适合单片机控制，推动了步进电动机的发展，步进电动机的应用开辟了广阔的前景。

（二）步进电机的选择

（1）步进电机１选择

估计步进电机1所需要的最大静力矩不大于200N，故选用57BYGH1001混合式步进电机。

表3-157BYGH1001混合式步进电机

型号

电压（V）

电流（A）

电阻

（Ω）

最大静力矩

（）

机身长（mm）

输出轴直径

（mm）

转动惯量（）

重量（kg）

接线图

57BYGH1001

5

3

200

100

10

650

（2）步进电机2选择

估计步进电机2所需要的最大推力不大于2000N，故选用8700系列螺杆轴混合式步进电机。

技术参数如下：

1）线圈双极性，2）最大推力2270N，3），4）工作电压5V，5），6），7）mH，9）,10）最高温度130°C，11），12）绝缘电阻20。

步

进

电

机

电源

步进电机驱动器

图3-3步进电示意图

（3）MT-2HB03M驱动器

特点：

双极驱动；驱动器工作电压12-40V；A；用户可根据需要采用共阳极接法、共