1、烟台大学文经学院毕 业 设 计太阳能自动跟踪装置的设计The design of solar automatic tracking device 申请学位： 工学学位 院 系： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 2011 年 5 月 26 日II烟台大学文经学院毕业论文（设计）任务书院（系）：机电工程系姓名 李显 学号 200790516206 毕业届别 2011 专业机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目 太阳能自动跟踪装置的设计指导教师 李春植 学历 职称 教授 所学专业指导教师 张芹英 学历 职称 助教 所学专业主要内容：本设计是基于单片机控制的自动跟踪系统，它利用光电跟
2、踪原理，通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线的角度大小来控制信号的输入。采用四个光敏电阻做传感器，把光能转换为电阻的变化， 进而通过光电转换电路给单片机输入信号，并由驱动电路来控制步进电机，从而实现机械装置的方位角、高度角的 调 整。 该机械装置主要采用机械传动原理实现，用一 对直齿轮传动机构来 实现方位角的旋转。同时，采用平面四杆机构原理，用一 对滚珠丝杠副来实现高度角的调整。基本要求：满足该装置能精确自动跟踪太阳光的运动，以达到最大效率利用太阳能。进度安排：1-2 周 完成设计任务书和绪论;3-5 周 提出自己的设计方案并论证（理论）6-9 周 部件零件的设计;10-11 周 初稿完成;12
3、-13 周 根据格式，完成论文指导教师（签字）： 年 月 日院（系）意见： 教学院长（主任） （签字）： 年 月 日III备注：摘要：太阳能是自然界的一种天然资源，它具有分布范围广、丰富可再生、无污染的优良特点，它的开发和利用已成为当代研究领域的热点。解决如何提高太阳能利用效率就成为了所有问题的关键。太阳能效率的提高将直接影响我国能源利用结构的变化，对我国的可持续发展以及建设资源节约型和环境友好型社会有着重大影响。基于太阳能利用效率的考虑，本设计选择太阳能自动跟踪装置，以达到时刻跟踪太阳光线位置，使太阳光最大限度的照射到该跟踪装置，满足太阳能的充分利用。该装置是基于单片机控制的自动跟踪系统，通
4、过考虑某地的位置、光照等因素，由单片机输出控制数据，从而来控制步进电机，并通过机械传动机构来实现太阳能电池板自动跟踪光线的目的。并且对该系统采用二维跟踪方式，以实现太阳能电池板东西方向和南北方向共同调整跟踪，达到进一步提高利用效率、跟踪精度的要求。关键词： 太阳能 ；自动跟踪 ；单片机 ；步进电机 ；二维运动 。IIAbstract：Solar energy is natures natural resource and it has spread widly, richly ,renewablly and has pollution-free high characteristics.Its
5、 development and use has become hot spots in the field. The solution of the efficient use of solar energy become the key to all problem. The increase of solar energy efficiency will directly affect our energy structure and it will have major effects on national sustainable development , construction
6、 resource saving and environmental friendly type of society .Based on solar energy utilization efficiency considerations , this design choices solar automatic tracking device in order to achieve to track the sun light position at any time and make the sun exposure to the tracking device to the max t
7、o meet the full use of solar energy.The device is a control automatic tracking system which based on microcontroller . By considering the position, illumination somewhere, and other factors ,microcontroller outputs control data to control the stepping motor. This system realizes automatic tracking f
8、or the light to the solar panels through the mechanical transmission and it is used to track of two-dimensional way in order to realize common adjusting tracking for the solar panels east-west direction and north-south direction.This system further improves the utilization efficiency and the require
9、ments of tracking precision. Key words：solar energy；automatic track ； microcontroller ；stepping motor ；two-dimensional movement.IIIIV目 录第 1 章 绪 论 .11.1 能源现状及发展 .11.2 目前太阳能的开发和利用 .11.3 课题研究的目的和意义 .21.4 太阳能利用的国内外发展现状 .21.5 太阳追踪系统的国内外研究现状 .31.6 本论文的研究内容 .3第 2 章 太阳能自动跟踪系统总体设计 .42.1 太阳运行的规律 .42.2 总体设计原理
10、.42.2.1 平面四杆机构原理 .42.3 跟踪方案的设计 .52.4 总体结构 .7第 3 章 机械部分的设计 .83.1 齿轮的选择 .83.1.1 材料选择 .83.1.2 尺寸计算 .83.2 滚珠丝杠副的选择 .103.2.1 材料选择 .113.2.2 滚珠丝杠副结构的选择 .113.2.3 滚珠丝杠副尺寸的选择 .123.2.4 滚珠丝杠副支承方式的选择 .123.3 太阳能电池板 .143.4 底座的设计 .163.5 中心轴的选择 .16V3.5.1 尺寸设计 .163.5.2 轴的校核 .163.6 轴承的选择 .173.6.1 轴承 1 的选择 .173.6.2 轴承
11、2 的选择 .173.7 联轴器的选择 .18第 4 章 控制部分的设计 .214.1 光电转换器 .214.1.1 光敏电阻传感器 .214.1.2 光电转换电路 .234.2 步进电动机及其驱动电路 .244.2.1 步进电动机介绍 .244.2.2 步进电机的选择 .264.2.3 驱动电路 .264.3 单片机及其输入电路 .294.3.1 8031 单片机 .294.3.2 单片机的输入电路 .304.4 控制的实现过程 .324.4.1 系统的整体电路图 .324.4.2 系统的流程图 .33总结及展望 .35致 谢 .36参考文献 .37烟台大学文经学院毕业设计1第 1 章 绪
12、论1.1 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 1。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。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，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
13、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。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 96010 km，占世界总面积的 7%，居世界第三位。据估算 2，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为 5010 kJ，全国各地太阳年辐射总量达 335837KJ/cm2A，中值为 586KJ/cm2A。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内
14、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/cm2a，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
15、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 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 3，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。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：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
16、 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，烟台大学文经学院毕业设计2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 课题研究的目的和意义本课题研究一种基于单
17、片机控制的自动跟踪装置，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。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，而进行太阳跟踪系统的开发研究，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。1.4 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 4。日本太阳热能的利用，从 1979 年第二次石油危机后开始，1990 年进
18、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” ，至 1997 年已完成近万套屋
19、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 5，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
20、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烟台大学文经学院毕业设计2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 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
21、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。 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
22、热水系统列入成果推广项目 6。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，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
23、、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。1.5 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 7，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出 ATM 两轴跟踪器，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
24、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，太阳跟踪系统中实现跟踪太阳的方法很多，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跟踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1.6 本论文的研究内容本文所介绍的太阳能自动跟踪装置采用了光电跟踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。论文的主要工作包括: (l)分析太阳运行规律及所处地理位置，大致确定设计极限；(2)机械部分也是实现跟踪目的的关键，主要是机械零件的设计和计算，装配图及其零件图；(3)分析传感器工作原理及设计光电转换电路；(4) 选取控制芯片 C51，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。
