【正文】 轉(zhuǎn)動角度與且只與上一時刻的位置呈時間函數(shù)關系。并且由于要求跟蹤精度優(yōu)于? ，所以對于電機的轉(zhuǎn)動必須予以精確的控制，這樣就決定了選用步進電機是一個較佳的方案。選用步進電機時，必須根據(jù)實現(xiàn)跟蹤所需要的扭矩來計算電機功率。首先計算末端傳動軸所受的實際扭矩，再根據(jù)減速倍數(shù)和傳動效率估算出所需電機的扭矩。步進電機的步矩角在太陽跟蹤中是一個關鍵參數(shù)，步距角與減速倍數(shù)的比值決定了理論上的最高控制精度。在設計過程中考慮了電機與減速器的體積、綜合成本等因素。 程序在控制機械機構(gòu)的同時，確定機械機構(gòu)的基準位置是十分必要的。在系統(tǒng) 運行過程中，偶爾掉電是可能的，導致系統(tǒng)在加電時無法確定當前的機械位置，會產(chǎn)生嚴重的錯誤 。另外，日落后系統(tǒng)也需按原路線返回到基準位置，以避免電纜的纏繞和減少機械加工精度而產(chǎn)生的累積誤差，所以系統(tǒng)本太陽跟蹤系統(tǒng) 9 身要求有一個確定的基準位置。同時，為了避免故障狀態(tài)造成儀器的連續(xù)圓周運動而損壞儀器，設計了極限位置限制裝置。整個定位系統(tǒng)由定位盤、限位開關、光電開關組成。在全自動太陽跟蹤裝置上安裝遮光裝置的目的是為了測量太陽的散射輻射，它是借助于該遮光裝置把太陽直接輻射從傳感器上遮去。 1． 4 本課題主要研究的內(nèi)容及意義 太陽跟蹤 裝置的研究是提高太陽能利用率的一種重要途徑。研究精確的太陽跟蹤裝置，可使接收器的熱接受率大大提高，進而提高太陽能裝置的利用率，拓寬太陽能的利用領域。本文所介紹的控制系統(tǒng)采用 AT89C52單片機作為控制芯片，十分適用于太陽跟蹤裝置，表現(xiàn)在 :主要控制參數(shù)通過設置寄存器變量來實現(xiàn)，修改方便 。成本低廉，性能與相對簡單的太陽跟蹤系統(tǒng)匹配 。數(shù)字化的控制系統(tǒng)，可以達到較高的精度，并有可能通過串行通信實現(xiàn)遠程監(jiān)控和模塊化處理 ?？商幚矶鄠€中斷，系統(tǒng)運行后可能出現(xiàn)以前沒有考慮到的特殊情況，相應的擴充對策十分簡單。 本課題的主要 研究內(nèi)容： ，提出合理的控制策略。 ，并分析系統(tǒng)的軟硬件需求。 ，選擇合適的控制執(zhí)行部件即步進電機。 ，選取恰當?shù)膫鞲衅鳎幹瓶刂瞥绦?，實現(xiàn)精確跟蹤。 太陽跟蹤系統(tǒng) 10 2 太陽跟蹤裝置的機構(gòu)的設計 根據(jù)基于單片機太陽跟蹤平臺的設計，機械部件設計應該滿足以下要求： a、機械執(zhí)行機構(gòu)能夠進行很大范圍的跟蹤。因此，機械執(zhí)行機構(gòu)的運動行程應滿足跟蹤范 圍的要求，并要避免極限位置鎖死； b、為了降低成木，控制系統(tǒng)采用普通直流電機驅(qū)動跟蹤平臺。所以，要選擇合理結(jié)構(gòu)，工作能耗小能超過給定值； c、在滿足以上性能的同時，盡量簡化結(jié)構(gòu)和加土土藝，進一步提高技術(shù)經(jīng)濟性。 木文提出的跟蹤平臺的適用范圍非常廣泛，其中很多太陽能利用的場合例如：太陽能屋頂發(fā)電、聚光 —光纖傳輸型照明、太陽灶、太陽能熱水器、太陽能空調(diào)等，太陽自動跟蹤平臺都是在固定地點安裝運行的。與此同時，也有一些使用情況要求跟蹤平臺安裝在移動載體上，如衛(wèi)星上的太陽能電池板、移動車船上的太陽能發(fā)電裝置。 2． 1立柱 轉(zhuǎn)動式跟蹤平臺 根據(jù)跟蹤平臺適用場合 (太陽能屋頂發(fā)電、聚光 —光纖傳輸型照明、太陽灶、太陽能熱水器、太陽能空調(diào)等 )的需求，木論文設計了立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤平臺。立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤平臺的機械結(jié)構(gòu)適用于固定地點安裝 (能夠滿足聚光器對結(jié)構(gòu)的需求 )，實現(xiàn)對太陽大范圍雙向自動跟蹤。 2． 1． 1跟蹤范圍要求 跟蹤平臺在固定地點安裝運行，太陽的運動范圍是固定的：在早晨和傍晚太陽光線很弱，一般這個時候不進行采光工作，有效的太陽方位角 (從東至西 )變化范圍大約為士 75 ；在赤道地區(qū)，太陽全年視高度變化大約為士 。為了便于分析說明，現(xiàn)以北緯 30 的武漢為跟蹤平臺安裝地點，太陽方位角的變化范圍為士 75 ，太陽高度角的變化為 47 （ ： ），如圖 。立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤平臺的跟蹤范圍應該大于或等于太陽的運動范圍。 太陽跟蹤系統(tǒng) 11 高度角跟蹤 方位角跟蹤 圖 (徐州市 )跟蹤平臺的跟蹤運動范圍 2． 1． 2傳動方案的選擇 跟蹤平臺是固定地點安裝，跟蹤范圍是固定的，范圍相對較小 (在上一節(jié)已經(jīng)加以討論 )。要使跟蹤平臺適用于聚光器，跟蹤平臺的機械部件就光能遮擋聚光器會聚的光線。所以對于跟蹤平臺執(zhí)行機構(gòu)，除了一定的跟蹤范圍、動作準確、效率高、能耗低、工作可靠等基本要求以外，最重要的要求是 :成本低、性價比高、結(jié)構(gòu)小應遮擋光線。在眾多傳動結(jié)構(gòu)中，齒輪傳動以及螺旋傳動都屬于最簡單的、應用最為廣泛、性價比最高的傳動結(jié)構(gòu)。特別是利用齒輪傳動，能在使用功率較小的普通電機的同時傳遞足夠大的動力，并且使用功率較小的電機降低了其能源成本和制造成木。所以，采用齒輪傳動或者螺旋傳動對于降低系統(tǒng)成本、提高性價比十分重要，比較適合固 定場合的運行需求。 太陽跟蹤系統(tǒng) 12 （ 1） （ 2） 輸入軸； 輸出軸； 小齒輪； 大齒輪； 底座； 罩殼 螺桿； 支架； 接收器 圖 傳動方案比較示意圖 圖 。方案 (1)傳動原理：輸入軸轉(zhuǎn)動時，山于大齒輪固定，小齒輪對大齒輪作行星運動，從而帶動罩殼、輸出軸實現(xiàn)繞主軸軸心線的轉(zhuǎn)動。方案 (2)傳動原理：輸入軸轉(zhuǎn)動時，小齒輪帶動大齒輪自轉(zhuǎn)，螺母固定在大齒輪上，從而帶動螺桿相對于螺母作直線運動；根據(jù)連桿機構(gòu)的原理，這一直線運動可以看作桿件的伸縮運動，它帶動接收器轉(zhuǎn)動跟蹤。 這兩個方案的成木都較低，在成本相同的情況下，要選擇性能優(yōu)良、性價比高的方案。從跟蹤范圍方而考慮。方案 (1)的輸出軸可以旋轉(zhuǎn)任意角度，跟蹤范圍較大。而方案 (2)受連桿機構(gòu)極限位置的限制，跟蹤范圍較小。 從結(jié)構(gòu)方而考慮。 方案 (1)的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；傳動部件受到了一定的保護，機構(gòu)的壽命相對提高。而方案 (2)的結(jié)構(gòu)相對復雜、松散；由于螺桿的行程較大，小利于進行保護，螺桿裸露在外壽命大大降低。 從能耗方而考慮。經(jīng)過實驗知，方案 (1)的電機工作電流始終保持在 300：400 mA左右。而方案 (2)的工作電流一般在 2A，到達極限位置附一近達到 3A,工作電流較大，能耗較高。 綜上所述，齒輪傳動相對于其它傳動結(jié)構(gòu)性價比高 ,而且結(jié)構(gòu)簡單、可以傳遞較大力、可靠性高，很適合固定的安裝場合的應用。所以選擇方案 (1)太陽跟蹤系統(tǒng) 13 作為跟蹤平臺的傳動方案。 2． 1． 3立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤平臺 根據(jù)圖 ，在固定地點安裝情況下，太陽高度角變化范圍較小，所以直接用微型減速電機驅(qū)動跟蹤平臺就能滿足跟蹤的需要，以此提高平臺的性價比 :太陽方位角的跟蹤選擇齒輪傳動方案?？紤]到光能遮擋會聚光線，設計出的立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤平臺的傳動示意圖如圖 (具體的實物圖見附一錄2)。立軸山滾動軸承支承于底座上，立軸可在底座中轉(zhuǎn)動，大齒輪固定于底座的上端而，支架、罩殼安裝固定于立軸上，微型減速器電機 1安裝于罩殼上，小齒輪安裝在微型減速器電機 1輸出軸上，并與大齒輪嚙合，微型電機 1轉(zhuǎn)動時，小齒輪對 大齒輪作行星運動，從而帶動罩殼、主軸、支架實現(xiàn)繞主軸軸心線的轉(zhuǎn)動。接收器邊框上一對同心軸安裝于支架兩同心孔內(nèi)，微型減速器電機 2與接收器軸相連，微型電機 2旋轉(zhuǎn)時， 微型減速電機 1； 立軸； 小齒輪； 大齒輪； 底座； 罩殼 支架； 微型減速電機 2； 接收器 圖 立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤平臺傳動 示意圖 驅(qū)動接收器繞軸心線轉(zhuǎn)動。支架的轉(zhuǎn)動和接收器的轉(zhuǎn)動的合成實現(xiàn)平臺在大范圍對太陽的跟蹤。 立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤平臺對太陽從早到晚變化的跟蹤主要是由微型減速電機 1驅(qū)動來實現(xiàn)，主軸可以任意旋轉(zhuǎn)任何角度。但是在實際的工作中，山于微型減速電機要接到系統(tǒng)電源 (常為固定安裝 )，微型減速電機 1繞轉(zhuǎn)角度過大太陽跟蹤系統(tǒng) 14 就會產(chǎn)生電線纏繞的現(xiàn)象，所以實際的工作角度 (方位角的跟蹤 ) ,跟蹤太陽視高度 變化運動主要山微型減速電機 2驅(qū)動實現(xiàn)，接收器理論上可以旋轉(zhuǎn)任何角度。但同樣是因為接線問題，還有防止接收器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這一工作角度 (高度角的跟蹤 ) 。參考前而分析的太陽運動的范圍 (圖 )可知，該跟蹤平臺能夠?qū)μ栠M行完全跟蹤。 選擇機械結(jié)構(gòu)的材料，主要考慮成本問題，在成本較低的材料中選擇性能較好的材料。立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤平臺的機械執(zhí)行部件選材如下：基本的結(jié)構(gòu)件選擇 45鋼，降低成木 ；齒輪選擇塑料齒輪，大批量生產(chǎn)降低成木；對于接收器的框架選擇 Q235板材彎折而成，提高剛性。選擇材料之后，要制訂合理的材料處理方式來提高機械部分的性能和壽命。跟蹤平臺的材料處理方法 :表而噴塑。 2． 2齒圈傳動式跟蹤平臺 木文研發(fā)的齒圈傳動式跟蹤平臺既適用于固定安裝的場合，又適用于安裝在中低速運動的載體上 (太陽能車、船 )，實現(xiàn)對太陽大范圍雙向自動跟蹤。 2． 2． 1跟蹤范圍要求 齒圈傳動式跟蹤平臺在固定地點安裝運行時，其跟蹤范圍要求與 所述相同，故此省略。當跟蹤平臺在運動載體上運行時，載體的運 動是小確定的，可能朝各個方向行駛，相對于跟蹤平臺來說，太陽的運動變得更加復雜，變化范圍也小是固定的了，特別有時載體可能繞圈行駛，太陽的變化范圍將會增大幾倍。所以，跟蹤平臺的跟蹤范圍應該設置的較大，以應對可能出現(xiàn)的任何情況。在控制系統(tǒng)的設計中就已經(jīng)考慮到這一問題，在此為跟蹤平臺設定了一個跟蹤范圍一一兩個跟蹤方向的跟蹤范圍都較大，如圖 示。通過對跟蹤平臺的極限位置進行限制，實現(xiàn)調(diào)整跟蹤。 太陽跟蹤系統(tǒng) 15 方位角跟蹤 高度角跟蹤 圖 (徐州地區(qū) )跟蹤平臺的跟蹤范圍 2． 2． 2傳動方案的選擇 齒圈傳動式跟蹤平臺主要適用于太陽車、太陽船，跟蹤平臺的載體一般是太陽能電池板，必須特別考慮結(jié)構(gòu)對會聚光線的影響，但電池板面積比較大，要考慮跟蹤平臺在輸入功 率較小的情況下帶動較大的電池板工作。所以跟蹤平臺執(zhí)行機構(gòu)要滿足較大的跟蹤范圍、較大的輸出力量、性價比高等要求。綜合各種傳動結(jié)構(gòu)，齒輪傳動以及蝸輪傳動的傳動比都較大，能在使用功率較小的普通電機的同時傳遞足夠大的動力，提高技術(shù)經(jīng)濟性。所以，齒輪傳動或者蝸輪傳動，比較適合在中低速運動載體上運行的需求。從跟蹤范圍方而看，齒輪傳動和蝸輪傳動都能滿足設計需求。從輸出力量看，只要傳動比一致，輸出的力量也沒有很大區(qū)別。在性能相同的情況下，要選擇技術(shù)經(jīng)濟性好的傳動方案。齒輪、齒圈的加工成本相對于蝸桿、蝸輪的成木低，所以選擇齒 輪傳動作為跟蹤平臺的傳動方案。 2． 2． 3齒圈傳動式跟蹤平臺 考慮到太陽能電池板較大，帶動電池板所需力量較大，所以跟蹤平臺在兩個跟蹤方向的傳動結(jié)構(gòu)都選擇齒輪、齒圈傳動。設計出的齒圈傳動式跟蹤平臺的傳動示意如圖 。齒圈 轉(zhuǎn)動架及接收器連接成一體，主軸為十家軸，長軸軸頸安裝于轉(zhuǎn)動架的支承孔中，可以轉(zhuǎn)動。短軸軸頸插入立柱的支承孔內(nèi)，也可以轉(zhuǎn)動。微型減速器電機 1安裝于立柱側(cè)而，通過小齒輪 1與齒圈 1嚙合，微型電機 1旋轉(zhuǎn)可以驅(qū)動齒圈 長軸、接收器繞短軸中心轉(zhuǎn)太陽跟蹤系統(tǒng) 16 動。微型減速器電機 2安裝于懸壁上，懸臂固定 于長軸的一端。微型減速器電機 2轉(zhuǎn)動，通過小齒輪 2可以驅(qū)動齒圈 轉(zhuǎn)動架、接收器繞長軸軸心線轉(zhuǎn)。微型減速器電機 1和微型減速器電機 2可以分別驅(qū)動接收器在兩個方向的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)平臺雙軸大范圍的自動跟蹤。 微型減速電機 1； 小齒輪； 齒圈 1； 短軸； 長軸； 轉(zhuǎn)動架微型減速電機 2； 小齒輪； 齒圈 2； 接收器； 1懸臂； 1立柱 圖 平臺傳動示意圖 齒圈傳動式跟蹤平臺對于太陽從早到晚變化的跟蹤主要是山微型減速電機 1驅(qū)動來實現(xiàn)，根據(jù)機械部分結(jié)構(gòu)，主軸和接收器可以旋轉(zhuǎn)的角度 (方位角跟蹤角度 ) 。跟蹤太陽視高度變化運動主要山微型減速電機 2驅(qū)動實現(xiàn)，考慮到接線問題，轉(zhuǎn)動架和接收器的運動角度 (高度角跟蹤角度 ) 。參考前面對跟蹤平臺跟蹤范圍的要求 (圖 )可知，無論是在固定地點運行，還是在運動載體上運行，齒圈傳動式跟蹤平臺能夠?qū)μ栠M行完全跟蹤。 2． 3陀螺儀式跟蹤平臺 要滿足高速移動的太陽能車船和西北地區(qū)的太陽能使用的需求，必須設計一種跟蹤平臺機械執(zhí)行機構(gòu)，既能在風力較大的固定安裝場合上作運行，又能滿足在高速運動載體上運行的需求。因此，本文設計了陀螺儀式跟蹤平臺。 2． 3． 1跟蹤范圍要求 太陽跟蹤系統(tǒng) 17 陀螺儀式跟蹤平臺其跟蹤范圍與在 臺的跟蹤范圍 相同，故在此省略。 2． 3． 2傳動方案的選擇 陀螺儀式跟蹤平臺要求既能在風力較大的固定場合運行，又能在高速運動的載體上運行。在高速運動的載體上工作，會遇到很大的逆向風，如果采用防風性能一般的跟蹤平臺，極有可能平臺被吹動或者翻轉(zhuǎn)，無法正常工作。在這種情況下，必須采用防風性能高的跟蹤平臺。風力較大的地區(qū)，即使平臺固定地點安裝運行，也必須具備良好的防風性。所以要求跟蹤平臺的機械執(zhí)行機構(gòu)有較好的防風