畢業論文-基于光電傳感器的太陽光線自動跟蹤裝置設計(存儲版)

　　

【正文】 程穩定，應用于目前許多大型 太陽能發電裝置。 視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合 由上述討論可知 [27]，開環的程序跟蹤存在許多局限性，主要是在開始運行前需要精確定位，出現誤差后不能自動調整等。當太陽光與光軸成一角度時，光線經過透鏡照射到 5片光電池上形成的光斑必然發生偏移，如圖 28所示。控制組件主要接受從位置檢測器來的微弱信號，經放大后送到跟蹤頭，跟蹤頭實為跟蹤裝置的執行元件 。 由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復雜，計算量的增大會增加控制系統的成本。 太陽跟蹤裝置采用地平坐標系較為直觀方便，操作性強，但也存在軌跡坐標計算沒有具體公式可用的問題。 本課題的機械設計方案 圖 24本課題的機械設計方案 機構結構：馬達 1固定在支架上，馬達 1的輸出軸連接小齒輪 1，小齒輪 1與大齒輪嚙合。 齒圈轉動式跟蹤器 機構結構 [21]：馬達 1 固定在支架上，馬達 1 的輸出軸連接小齒輪 1，小齒輪 1 與齒圈1 嚙合。受到了較好的保護，提高了傳動裝置的壽命。 立柱轉動式跟蹤器 圖 21立柱轉動式跟蹤器 跟蹤器的結構 [19]： 大 齒輪固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上 面 (主軸相對于底座可以轉動 )，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接馬達 1 的輸出軸。 第三章 ,太陽自動追蹤系統機械設計部分，主要是機械設計和計算，裝配圖及其零件圖。 論 文的研究內容 本文所介紹的太陽跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實現大范圍、高精度跟蹤。由國家投資 1700 萬元修建的西藏第三座太陽能電站 —— 安多光伏電站，總裝機容量 100 千瓦，于 1998 年 12月建成發電。 意大利 1998 年開始實行“全國太陽能屋頂計劃”，將于 2020 年完成，總投入 5500 億里拉，總容量達 5 萬千瓦。截至 2020 年年底，德國共有 670 萬平方米的屋頂鋪設了太陽能集熱器，每年可生產 4700 兆瓦的熱量。日本將太陽能的利用分為太陽光能和熱能 兩種。解決這一問題應從兩個方面入手 [10]，一是提高太陽能裝置的能量轉換率，二是提高太陽能的接收效率，前者屬于能量轉換領域，還有待研究，而后者利用現有的技術則可解決。因此越來越多的國家都在致力于對可再生能源的深度開發和廣泛利用。 第二，大氣影響較大，給使用帶來不少困難。其它地區的太陽年輻射總量居中。 A，中值為586KJ/cm2 雖然在可預見的將來，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料仍將在世界能源結構中占有相當的比重，但人們對核能以及太陽能、風能、地熱能、水力能、生物能等可持續能源資源的利用日益重視，在整個能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。系統采用光電檢測追蹤模式實現對太陽的跟蹤。太陽光線自動跟蹤裝置解決了太陽能利用率不高的問題。 關鍵詞 太陽能 ； 跟 蹤 ； 光敏電阻； 單片機 ； 步進電機 II 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 sun39。 相對于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會能源的希望所在。尤其是青藏高原地區最大，那里平均海拔高度在 4000m 以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時間長。 太陽能的特點 太陽能作為一種新能源，它與常規能源相比有三大優點 [5]： 第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據估計，在過去漫長的 11 億年中，太陽消耗了它本身能量的 2%，可以說是取之不盡，用之不竭。據國際能源機構預測，人類正面臨礦物燃料枯竭的嚴重威脅。 基于當今世界能源問題和環境保護問題已成為全球的一個“人類面 臨的最大威脅”的嚴重問題，本課題的目的是為了更充分的利用太陽能、提高太陽能的利用率，而進行太陽追蹤系統的開發研究，這對我們面臨的能源問題有重大的意義。但是太陽每時每刻都是在運動著，集熱裝置若想收集更多方向上的太陽光，那就必須要跟蹤太陽。 德國對太陽能資源的利用可追溯到 20 世紀 70 年代，現在德國已經在太陽能系統的開發、生產、規劃和安裝等方面積累了大量經驗，發明了一系列高效的太陽能系統。 2020 年，美國光伏發電總容量達到 100 萬千瓦，排在日本和德國之后，居世界第 3位。 我國由建設部制定的《建筑節能“九五”計劃和 2020 年規則》中已將太陽能熱水系統列入成果推廣項目。 太陽追蹤系統的國內外研究現狀 在太陽能跟蹤方面，我國在 1997 年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調節，接收器的接收效率提高了。 (3)分析傳感器工作原理，分析該傳感器大范圍、高精度跟蹤的可行性，還要設計光電轉換電路。 2 太陽能自動跟蹤系統總體設計 太陽運行的規律 由于地球的自轉和地球繞太陽的公轉導致了太陽位置相對于地面靜止物體的運動。使得小齒輪自轉的同時圍繞大齒輪轉動，因此帶動轉動架以及固定在轉動架上的主軸、支架以及接收器轉動；同時控制信號驅動馬達2帶動接收器相對與支架轉動，通過馬達 馬達 2的共同工作實現對 太陽方位角和高度角的跟蹤。 該跟蹤器可以選擇不同朝向安裝，當按照上圖的朝向進行安裝時，跟蹤器跟蹤的實現原理如下：當太陽光線發生偏移時，控制部分發出信號驅動馬達 2帶動傳動箱 2中的蝸桿、蝸輪轉動，再輸出帶動接收器相對于環形支架轉動，跟蹤太陽由東向西的運動；同時控制部分也發出信號驅動由馬 達 1帶動傳動箱 1中的蝸桿、蝸輪轉動，再輸出帶動環形支架和接收器轉動，跟蹤太陽南北方向的運動，由此來實現對太陽的兩個方向的跟蹤。控制部分發出控制信號驅動馬達1 帶動小齒輪 1 轉動，小齒輪帶動齒圈 1 和主軸轉動；同時控制信號驅動馬達 2 帶動小齒輪 2。控制部分發出控制信號驅動馬達1 帶動小齒輪 1 轉動，小齒輪帶動大齒輪和主軸轉動；同時控制信號驅動馬達 2 帶動小齒輪 2。在應用中，全球定位系統 (GPS)可為系統提供精度很高的地理經緯度和當地時間，控制系統則根據提供的地理、時間參數來確定即時的太陽位置，以保證系統的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性。初始化安裝時，儀器的中心南北線與觀測點的地 理南北線要求重合。每象限的分界線與 X 軸均成 45 度，小圓為第 V 像限。將第 V 象限 的電壓 V1 與外來控制電壓 V2進行比較，可選擇合適的 V1控制測量跟蹤裝置的工作狀態，在夜晚時 V2V1，裝置停止工作；在有太陽光時V1V2，裝置正常工作。特別是多云天氣會試圖跟蹤云層邊緣的亮點，電機往復運行，造成了能源的浪費和部件的額外磨損。 本設計的光敏器件選為光敏電阻。 第一齒輪轉動計算 材料選擇 齒圈及齒輪的材料選用滲碳鋼，熱處理為滲碳淬火。 查文獻 [28] 圖 得動載系數 KV=。 72 1 / 2. 17 12 5 10NL NL i? ? ? 式 () 接觸壽命系數 ZN:查文獻 [28]圖 得 1NZ = ， 2NZ = 。 尺寸計算 初選模數 m=3mm,轉動比 i=4。 查文獻 [28]表 得齒間載荷分配系數 Ka =400 。 許用接觸應力 []H? l im 1 11m inl im 2 22m in7 1 0 1 .1 8[ ] 6 7 01 .2 55 8 0 1 .2 5[ ] 5 8 01 .2 5HNHHHNHHZ MPSZ MPS?????? ? ??? ? ? 12222312311[ 1 .8 8 3 .2 ( ) ] c o s11[ 1 .8 8 3 .2 ( ) ] c o s 1 53 0 1 2 01 .6 8 74 4 1 .6 8 70 .8 7 833111 .3 20 .8 7 8( ) 1 01501 .1 7 0 .1 6 ( ) 0 .6 1 1 0 1 5 01251 .4 9HHZZZKZbk A B c bd???????????? ? ?? ? ? ??? ?? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ??11 m a x11 m a x 760 ( )60 ( )60 1 100 0 720 0 ( 1 ) 5 10nmiL i iiniiiTN ri n t hTT t hrn t hT t h????? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????1 .3 5 1 .1 1 .3 2 1 .4 9 2 .9 2A V H HK K K K K ???? ? ? ? ? 19 驗算許用接觸應力 []H? 121422 1[]2 4 2 10 4 1189 .8 7120 100 4141 604H E HKT uZ Z Zbd uM P a M P a?????? ? ? ?? ? ? ? ???? 計算結果 表明，接觸疲勞強度較為合適，齒輪尺寸無需調整。 總工作時間 Th=10 360 2=7200h。 大齒輪 2 4 1 2 02 4 9 6 .9c o s c o s 1 5mzd ? ?? ? ? ， 取 d2=500mm。 應力循環次數 LN 式 () 原估 計應力循環次數正確。 查文獻 [28]圖 得節點區域系數 。 分度圓直徑： 小齒輪直徑 1 4 2 51 1 0 1 .5 4c o s c o s 1 0mzd ? ?? ? ? ， 取 d1=100mm。 13 3 機械設計部分 太陽能自動跟蹤系統機械設計方案 圖 31自動跟蹤系統機械設計方案 機構結構：步進電機 1 固定在支架上，步進電機 1 的輸出軸連接小齒輪 1，小齒輪 1與大齒輪嚙合。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩定而可靠的跟蹤控制。因而該種跟蹤裝置只能在一定的角度范圍內實現高精度跟蹤，其跟蹤范圍跟鏡筒結構有關。當光線經過透鏡照到鏡筒底部的 5 片光電池上時，調節筒的長度，使光斑正好完全覆蓋 5片光電池。位置檢測器主要由性能經過挑選的光敏傳感器組成，如四象限光電池、光敏電阻等。 參考目前世界通用的算法，涉及到赤緯角和時角的大致有二種算法 [24]:算法 l，采用中國國家氣象局氣象輻射觀測方法；算法 2，采用世界氣象組織氣象和觀測方法。 視日運動軌跡跟蹤 不論是采用極軸坐標系統還是地平坐標系統，太陽運行的位置變化都是可以預測的，通過數學上對太陽軌跡的預測可完成對日跟蹤。結構緊湊，