太阳能自动追光系统的设计.doc
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1、目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21 太阳能自动追光系统总体设计方案31.1 太阳运行规律31.2 跟踪器机械实施部分比较选择31.3 本课题机械设计方案51.4 跟踪方案比较选择61.5 本设计跟踪方案82.1 太阳能自动追光系统机械设计方案82.2 齿轮选择82.3 底座设计102.4 中心轴选择112.5 轴承选择112.6 抗风性分析123 控制系统设计133.1 系统总体结构133.2 光电转换器143.3 步进电动机143.4 单片机及其外围电路163.5 系统步骤图194 系统软件步骤及调试204.1 主控制模块软件设计204.2 光电跟踪模块程序设
2、计214.3 视日运动轨迹跟踪模块程序设计224.4 试验观察数据分析235 结论24参考文件26致谢27太阳能自动追光系统设计机械电子工程专业学生 韦忠爽指导老师 侯建华摘要:现在,太阳能利用装置放置位置大多是固定不变,而一天当中太阳和太阳能利用装置相对位置是时刻改变,这也就无法确保太阳能利用装置时刻受到阳光直射,从而使太阳光能利用率大大降低。为了提升太阳能利用率,设计一个循日追光系统,使太阳能利用装置最大程度利用太阳光能。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,机械部分分设计关键是经过步进电机1、步进电机2共同工作实现对太阳跟踪;控制部分设计是基于单片机自动控制系统,
3、采取光电检测追踪模式,配合机械装置使系统愈加稳定,提升了系统追踪精度。关键词:太阳能;循日追光;步进电动机;单片机The Design of Automatic Tracking SystemStudent majoring in Mechanical and electrical engineering Li YanTutor Hou JianhuaAbstract: At present, the solar energy utilization device placed most of the position is fixed ,but the sun and solar energ
4、y utilization of the relative position of the device is ever-changing in the day , this is to guarantee the solar energy utilization device moment is direct sunshine , so that the sun light energy utilization greatly reduced . In order to improve the utilization rate of solar energy, design a system
5、 of solar tracking, to make solar energy utilization device maximum use of the sun light energy .The solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed. The mechanical part design is to realize the sun tracking through the joint work of stepper motor1and stepper motor
6、2; the control part design is the automatic control system based on single chip, using photoelectric detection tracking mode, with the mechanical device to make the system more stable, improve the system tracking accuracy.Key words: Solar Energy;Solar Tracking;Stepper Motor;SCM引言伴随经济发展和社会进步,自然资源被人为任
7、意开发和利用,面临枯竭境地,人类生活环境在大量自然资源使用过程中面临巨大威胁,因为人类对自然资源需求越来越高,所以,寻求可替换新能源成为当务之急。太阳能是一个洁净环境保护而且取之不尽用之不竭可再生新能源,伴随社会经济可连续发展这种趋势,太阳能在人类生活中起到越来越关键作用。于是,合理开发并提升太阳能利用率含有很关键意义。众所周知,太阳在一天中位置由东向西发生着改变,而现在太阳能利用装置摆放位置大多是固定不变,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。所以,本文设计了一个自动循日智能型太阳能追光系统,使太阳能利用装置最大程度提升太阳能利用率。自动追光系统以AT89
8、C51单片机为基础,工作可靠稳定,能够正确追踪太阳,使太阳光在一天当中一直直射到太阳利用装置上,最大程度提升太阳能利用率。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1.1 太阳运行规律太阳在一天中位置改变是周期性,是能够被估计。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。因为地球极轴和黄道天球极轴存在27度夹角,使得太阳赤尾角在十二个月当中发生改变。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,然后逐步增大,到春分时变为0并继续增大,直到夏至,另
9、一个改变周期开始。1.2 跟踪器机械实施部分比较选择分析考虑成本、跟踪器机械实施部分等各方面问题,有以下多个跟踪器。(一) 陀螺仪式跟踪器12aBC北 南东 北1-马达 2-马达 -传动箱 -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含有结构:传动箱安装在支架上,并将其固定;马达1安装在传动箱上,传动箱内部是由蜗杆、蜗轮组成运动副,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能够转动),传动箱输出轴连接环形支架,传动箱固定安装在环形支架上,马达2安装在传动箱上,传动箱内也是由蜗杆、蜗轮组成运动副。马达2输出轴连接蜗杆,接收器安装在环形支架上面
10、(接收器相对于环形支架能够转动),传动箱输出轴连接接收器1。 跟踪器朝向安装有很多个选择,依据图中所表示安装,跟踪器实施标准以下:当太阳光线偏离发生时,所述控制部分会发出信号,此信号会驱动马达2带动传动箱中蜗轮蜗杆旋转,驱动接收器输出相对于支撑环旋转,跟踪太阳从东到西运动,在同一时间,控制部分发出信号驱动马达1带动传动箱中蜗杆和蜗轮旋转,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运动,从而最终实现两个方向太阳跟踪。 系统优势: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,能够使用小功率电动机,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
11、本,而且提供足够电力;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。传动装置安装在传动箱,受到了良好保护,提升了设备使用寿命。(二) 齿圈转动式跟踪器a21DB2B1A1-马达 2-马达 -小齿轮 -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输出轴和小齿轮连接并将马达1固定在支架上,小齿轮和齿圈B1相啮合且齿圈B1连接到安装在支架上主轴,而马达2安装在主轴前部一块板上,马达2输出轴连接小齿轮,小齿轮和连接着转动架齿圈B2啮合,且转动架安装在主轴上2。机构实现自动跟踪原理:当太阳光线偏离发生时,控制部分所发出控制信号驱
12、动马达1,进而带动小齿轮转动,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带动小齿轮转动,进而小齿轮带动齿圈B2和转动架D转动,经过马达1、马达2共同努力实现对太阳方位角和高度角跟踪。 系统优势:该跟踪机构结构简单,成本低。在两个方向跟踪,全部利用齿轮副传输动力,在同一时间,使用功率较小马达,不仅传输足够大动力,而且降低了其能源成本和制造成本;尽管使用了半个齿圈,然而能在紧凑结构下取得了较大传动比。本系统结构紧凑,运动空间是很大。(三) 立柱转动式跟踪器该跟踪器所含有结构:将在底座上固定好大齿轮和小齿轮啮合,且小齿轮和马达1输出轴连接,主轴和它支撑轴承分别安装在底座上面。
13、在转动架上将马达1固定好,在主轴上将转动架和支架全部固定好,将接收器、马达2相继安装在支架上面,马达2输出轴和接收器相互连接 3。跟踪器所实现自动追循原理:当太阳光线发生偏离时,控制部分将控制信号发出,来驱动马达1带动小齿轮转动,因为大齿轮是固定,那么小齿轮不仅自转,而且绕大齿轮旋转,带动转动架转动,同时将固定在转动架上主轴、支架和接收器也发生对应转动;在同一时间,经过控制信号来驱动马达2,而且带动接收器转动,经过马达1和马达2共同努力来实现对太阳方位角和高度角跟踪。aAE12CF1E2D1-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-
14、3 立柱转动式跟踪器 系统优势:该跟踪机构结构简单,成本低。对于方位角跟踪,利用齿轮副传输动力,在同一时间,使用功率较小马达,不仅传输足够大动力,而且降低了其能源成本和制造成本。它结构紧凑,刚度较高,传动装置安装在转动架下,受到了良好保护,有利于提升它寿命。1.3 本课题机械设计方案图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输出轴和小齿轮1连接,小齿轮1和大齿轮啮合。把齿轮连接到主轴上,将主轴固定安装在支架上,在主轴前端板上将马达2安装,马达2输出轴和小齿轮2相啮合,小齿轮2和齿圈是啮合,齿圈连接着太阳能板,在主轴上将旋转框架安装。图1-4 本课题机械设计方案机构所要实现
15、自动跟踪原理为:若太阳光线位置发生偏离时,控制信号将会驱动马达1而且带动小齿轮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,经过马达1和马达2共同努力完成对太阳方位角和高度角跟踪。1.4 跟踪方案比较选择现在采取跟踪太阳方法有很多:(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) 光电跟踪采取一级传感器跟踪方法是传统光电跟踪,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中所表示跟踪系统框图。位置检测器关键由经过选定光敏传感器组成。控制部分关键是接收来自位置检测到微弱信号,然后
16、经过放大后送到跟踪头,其实跟踪头为跟踪装置实施元件。 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以下图所表示,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小圆外面包围一个半径为R大圆,将两圆之间圆环分为四个象限。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、参数相同光电池安装在所设计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,这时光电流强度和光强度成正百分比关系
17、。为了正确测量,在光电池前面放置可调整光学镜筒,把凸透镜放在镜筒前,透镜安装在镜筒外侧边缘,图1-7中示出。当光线穿过透镜照到镜筒底部5枚光电池时,调整筒长度,使光斑完全覆盖5枚光电池。当太阳光和光轴形成某一角度时,光线经过透镜照射到5枚光电池时,所形成光斑将会发生偏移,在这么条件下,光斑不能完全覆盖在光电池上,所以生成光电流不全相同。将经过一系列处理光电流差输送给跟踪头,此时驱动电机开始动作,来调整所述跟踪装置,直到光电池输出光电流相同,这个时候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必需问题,该设备采取V象限主测光电池方法进行光强度测量和判定,使设备在晚间停
18、止工作。将电压V1和外来控制电压V2进行对比,可选择合适V1控制测量所需跟踪设备工作现实状况,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,光电池灵敏度系数就越高,不过筒长度和透镜之间参数也有存在关系,不可能没有限制增加。通常,它是取10 - 30厘米最好。传感器精度高低决定了系统位置精度,所以很轻易实现高精度跟踪装置。不过,当云覆盖很长一段时间,或当太阳刚升起清晨,太阳光线和透镜光轴之间角度超出一定夹角范围,因为镜筒结构限制,透镜聚焦光点不能被光电池捕捉到,这时跟踪装置便无法跟踪太阳,甚至引发实施机构错误动作。所以该跟踪装置只能在一定角度范围内实现
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