太阳能_自动跟踪_系统设计

摘要

人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。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。

第一，机械部分设计：

机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。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1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪；同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动，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。

第二，控制部分设计：

主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻，将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边沿处下方。当两个光敏电阻接收到的光强度不相同时，通过运放比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。

关键词太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机

Abstract

Human being is seriously threatened by exhausting mineral fuel, such as coal and fossil oil. As a kind of new type of energy sources, solar energy has the advantages of unlimited reserves, existing everywhere,using clean and economical .But it also has disadvantages ,such as low density,intermission,change of space distributing and so on.These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to keep the energy exchange part to plumb up the solar beam,it must track the movement of solar.In this paper, the solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed.

First, the mechanical part is designed.

Mechanical structure mainly includes the main spindle, stepping motors, gears and gear ring, and so on. When the sun's rays has a deviation, small gear are rotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the large gear and main spindle is rotated by small gear in order to track to achieve the level direction.At the same time, another small gear is rotated by another stepper motor according to the control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together.

Second, control system part is designed.

Control system mainly includes the sensors part, stepper motor, MCU system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection system is used to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive resistances received different light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors.

Keywords Solar energy Tracking Photosensitive resistance SCM Stepping motor

目录

1绪论 (1)

1.1课题来源 (1)

1.2课题背景 (1)

1.2.1能源现状及发展 (1)

1.2.2我国太阳能资源 (1)

1.2.3目前太阳能的开发和利用 (2)

1.2.4太阳能的特点 (2)

1.3课题研究的目的 (2)

1.4研究课题的意义 (2)

1.4.1新环保能源 (2)

1.4.2提高太阳能的利用率 (3)

1.5太阳能利用的国内外发展现状 (3)

1.6太阳追踪系统的国内外研究现状 (4)

1.7论文的研究内容 (5)

1.8论文结构 (5)

2太阳能自动跟踪系统总体设计 (5)

2.1太阳运行的规律 (5)

2.2跟踪器机械执行部分比较选择 (6)

2.2.1立柱转动式跟踪器 (6)

2.2.2陀螺仪式跟踪器 (7)

2.2.3齿圈转动式跟踪器 (7)

2.2.4本课题的机械设计方案 (8)

2.3跟踪方案的比较选择 (8)

2.3.1视日运动轨迹跟踪 (9)

2.3.2光电跟踪 (9)

2.3.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 (11)

2.3.4本设计的跟踪方案 (12)

3机械设计部分 (13)

3.1太阳能自动跟踪系统机械设计方案 (13)

3.2第一齿轮转动计算 (13)

3.2.1材料选择 (13)

3.2.2尺寸计算 (13)

3.2.3校核计算 (14)

3.2.4齿根弯曲疲劳强度验算 (15)

3.3第二齿轮转动计算 (17)

3.3.1材料选择 (17)

3.3.2尺寸计算 (17)

3.3.3校核计算 (17)

3.3.4齿根弯曲疲劳强度验算 (19)

3.4轴瓦校核计算 (20)

3.4.1大轴瓦校核计算 (20)

3.4.2小轴瓦校核计算 (22)

3.5键联接计算 (24)

3.5.1主轴与大齿轮的键联接 (24)

3.5.2小轴与齿圈的键联接 (25)

3.5.3步进电机1输出轴与小齿轮1的联接 (25)

3.5.4步进电机2输出轴与小齿轮2的联接 (25)

3.6抗风性分析 (26)

3.6.1底座上螺钉校核 (26)

3.6.2轴校核 (26)

4自动跟踪系统设计 (27)

4.1系统总体结构 (27)

4.2光电转换器 (28)

4.2.1光电转换电路 (28)

4.3单片机及其外围电路 (29)

4.3.1 AT89C51单片机 (29)

4.3.2外围电路 (31)

4.4步进电动机及驱动电路 (32)

4.4.1步进电动机介绍 (32)

4.4.2步进电机的主要特性 (32)

4.4.3步进电机的选择 (33)

4.4.4驱动电路 (34)

4.5系统的实现 (35)

4.5.1光敏电阻光强比较法 (35)

4.5.2光敏电阻光强比较法的工作过程 (36)

4.5.3系统的流程图 (37)

5结论 (39)

5.1结论 (39)

5.2展望 (39)

致谢 (40)

参考文献 (41)

附录1 (43)

附录2 (50)

1绪论

1.1课题来源

模拟生产实际课题:太阳能自动跟踪系统设计。

1.2课题背景

1.2.1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。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[1]。

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[2]，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。

1.2.2我国太阳能资源

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960×104km，占世界总面积的7%，居世界第三位。据估算[3]，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×1018KJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2·A，中值为586KJ/cm2·A。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/cm2·A，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。

1.2.3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[4]，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。

1.2.4太阳能的特点

太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点[5]：

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

本课题研究一种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置，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。

1.4研究课题的意义

1.4.1新环保能源

长期以来[6]，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等。

能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。据联合国环境规划署资料[7]，目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%，且其使用在世界范围内以每10年20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。日本经济企

划厅和三泽公司合作研究认为，到2030年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。

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，而进行太阳追踪系统的开发研究，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[8]。

1.4.2提高太阳能的利用率

太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源[9]，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手[10]，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明[11]:太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。

1.5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。日本太阳热能的利用，[12]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” [13]，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，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[14]。

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。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速[15]，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。

1.6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，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了ATM两轴跟踪器[16]，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[17]，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，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追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。

1.7论文的研究内容

本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电追踪方式，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，比较国内外主要的几种跟踪方案，提出合理的跟踪策略。

(2) 机械部分也是实现追踪目的的关键，主要是机械设计和计算，装配图及其零件图。

(3)分析传感器工作原理，分析该传感器大范围、高精度跟踪的可行性，还要设计光电转换电路。

(4)选取控制芯片，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。

1.8论文结构

第一章,绪论主要阐述了课题的研究背景、目的及意义，以及国内外太阳能的利用现状、太阳追踪方式的发展现状。

第二章,主要是对太阳自动追踪系统进行了总体设计，确定了系统的追踪方式。

第三章,太阳自动追踪系统机械设计部分，主要是机械设计和计算，装配图及其零件图。

第四章,自动跟踪系统总体结构,光电转换器,单片机及其外围电路,步进电动机以及驱动电路。

第五章, 课题总结及展望。

2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