1、毕 业 设 计 说 明 书 第 - - 页二维跟踪太阳光伏发电装置设计（曲柄摇杆式）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 8 带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现
2、水平方向跟踪；同时控制信号驱动步进电机 4 带动丝杆，丝杆带动可动螺母和太阳能板实现垂直方向转动，通过步进电机 8、步进电机 4 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；步进电机毕 业 设 计 说 明 书 第 - I - 页Two dimensi
3、onal tracking solar photovoltaic power generation device design (crank rocker type)Author：Liu da keTutor：Li an shengAbstract: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 unlimi
4、ted 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 ene
5、rgy 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
6、and gear ring, and so on. When the suns 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 rotat
7、ed 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 in
8、cludes 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
9、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毕 业 设 计 说 明 书 第 - II - 页毕 业 设 计 说 明 书 第 - 0 - 页目录1 绪论 .11.1 课
10、题来源 .11.2 课题背景 .11.2.1 能源现状及发展 .11.2.2 我国太阳能资源 .11.2.3 目前太阳能的开发和利用 .11.2.4 太阳能的特点 .11.3 课题研究的目的 .21.4 研究课题的意义 .21.4.1 新环保能源 .21.4.2 提高太阳能的利用率 .31.5 太阳能利用的国内外发展现状 .31.6 太阳追踪系统的国内外研究现状 .41.7 论文的研究内容 .51.8 论文结构 .52 太阳能自动跟踪系统总体设计 .62.1 本课题的机械设计方案 .62.2 跟踪方案的比较选择 .72.2.1 本设计的跟踪方案 .73 机械设计部分 .83.1 太阳能自动跟踪
11、系统机械设计方案 .83.2 电池板的选择及布局分析 .83.2.1 太阳能电池板的发展及种类 .83.2.2 电池板的参数和选择 .103.3 太阳能电池板的布局和分析 .113.3.1 电池板的参数分析 .113.3.2 边框及其固定结构设计 .113.4 电动机的选择 .12毕 业 设 计 说 明 书 第 - 1 - 页3.4.1 电动机功率的确定 .123.4.2 确定电动机的转速 .133.5 齿轮转动计算 .143.5.1 材料选择 .143.5.2 尺寸计算 .143.5.3 校核计算 .143.5.4 齿根弯曲疲劳强度验算 .163.6 丝杆螺母转动计算 .173.6.1 材料
12、选择 .173.6.2 尺寸计算 .173.7 键联接计算 .183.7.1 主轴与大齿轮的键联接 .183.7.2 小轴与齿圈的键联接 .193.7.3 步进电机 1 输出轴与小齿轮 1 的联接 .193.7.4 步进电机 2 输出轴与小齿轮 2 的联接 .193.8 抗风性分析 .193.8.1 底座上螺钉校核 .194 自动跟踪系统设计 .214.1 系统总体结构 .214.2 光电转换器 .214.2.1 光电转换电路 .214.3 单片机及其外围电路 .224.3.1 AT89C51 单片机 .224.3.2 外围电路 .244.4 驱动电路 .254.4.1 驱动电路 .254.5
13、 系统的实现 .264.5.1 光敏电阻光强比较法 .264.5.2 光敏电阻光强比较法的工作过程 .274.5.3 系统的流程图 .28毕 业 设 计 说 明 书 第 - 2 - 页5 结论 .305.1 结论 .305.2 展望 .30致谢 .31参考文献 .32更多毕业设计资料（含 CAD 图纸)，请加 QQ971920800 咨询毕 业 设 计 (论 文 ) 第 0 页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 能源现状及发展传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有 20 亿人得不到正常的能源供应。于是，全世
14、界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦，假如把地球表面 0.1%的太阳能转为电能，转变率 5%，每年发电量可达 5.61012 千瓦小时，相当于世界上能耗的 40 倍，而且太阳能发电的实施对环境不会造成任何的污染，是最理想的新型能源。1.2.2 我国太阳能资源中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000 亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国地处
15、北半球，南北距离和东西距离都在 5000 公里以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米 4 千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米 7 千瓦时。年日照时数大于 2000 小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。 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
16、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，太阳毕 业 设 计 (论 文 ) 第 1 页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
17、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
18、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
19、是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行毕 业 设 计 (论 文 ) 第 2 页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
20、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
21、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
22、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 15 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毕 业 设 计 (论 文 ) 第 3 页营。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
23、 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
24、，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 2140 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
25、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 19962020 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。
