【正文】 程穩(wěn)定，應(yīng)用于目前許多大型 太陽(yáng)能發(fā)電裝置。 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合 由上述討論可知 [27]，開(kāi)環(huán)的程序跟蹤存在許多局限性，主要是在開(kāi)始運(yùn)行前需要精確定位，出現(xiàn)誤差后不能自動(dòng)調(diào)整等。當(dāng)太陽(yáng)光與光軸成一角度時(shí)，光線經(jīng)過(guò)透鏡照射到 5片光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移，如圖 28所示?？刂平M件主要接受從位置檢測(cè)器來(lái)的微弱信號(hào)，經(jīng)放大后送到跟蹤頭，跟蹤頭實(shí)為跟蹤裝置的執(zhí)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(guò)程都十分復(fù)雜，計(jì)算量的增大會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。 太陽(yáng)跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系較為直觀方便，操作性強(qiáng)，但也存在軌跡坐標(biāo)計(jì)算沒(méi)有具體公式可用的問(wèn)題。 本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案 圖 24本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：馬達(dá) 1固定在支架上，馬達(dá) 1的輸出軸連接小齒輪 1，小齒輪 1與大齒輪嚙合。 齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) [21]：馬達(dá) 1 固定在支架上，馬達(dá) 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(hù)，提高了傳動(dòng)裝置的壽命。 立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器 圖 21立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器 跟蹤器的結(jié)構(gòu) [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(duì)于底座可以轉(zhuǎn)動(dòng) )，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接馬達(dá) 1 的輸出軸。 第三章 ,太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)部分，主要是機(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算，裝配圖及其零件圖。 論 文的研究?jī)?nèi)容 本文所介紹的太陽(yáng)跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。由國(guó)家投資 1700 萬(wàn)元修建的西藏第三座太陽(yáng)能電站 —— 安多光伏電站，總裝機(jī)容量 100 千瓦，于 1998 年 12月建成發(fā)電。 意大利 1998 年開(kāi)始實(shí)行“全國(guó)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，將于 2020 年完成，總投入 5500 億里拉，總?cè)萘窟_(dá) 5 萬(wàn)千瓦。截至 2020 年年底，德國(guó)共有 670 萬(wàn)平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽(yáng)能集熱器，每年可生產(chǎn) 4700 兆瓦的熱量。日本將太陽(yáng)能的利用分為太陽(yáng)光能和熱能 兩種。解決這一問(wèn)題應(yīng)從兩個(gè)方面入手 [10]，一是提高太陽(yáng)能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高太陽(yáng)能的接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。因此越來(lái)越多的國(guó)家都在致力于對(duì)可再生能源的深度開(kāi)發(fā)和廣泛利用。 第二，大氣影響較大，給使用帶來(lái)不少困難。其它地區(qū)的太陽(yáng)年輻射總量居中。 A，中值為586KJ/cm2 雖然在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料仍將在世界能源結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，但人們?duì)核能以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水力能、生物能等可持續(xù)能源資源的利用日益重視，在整個(gè)能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。系統(tǒng)采用光電檢測(cè)追蹤模式實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤裝置解決了太陽(yáng)能利用率不高的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞 太陽(yáng)能 ； 跟 蹤 ； 光敏電阻； 單片機(jī) ； 步進(jìn)電機(jī) 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(duì)于日益枯竭的化石能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能似乎是未來(lái)社會(huì)能源的希望所在。尤其是青藏高原地區(qū)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(shí)間長(zhǎng)。 太陽(yáng)能的特點(diǎn) 太陽(yáng)能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大優(yōu)點(diǎn) [5]： 第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據(jù)估計(jì)，在過(guò)去漫長(zhǎng)的 11 億年中，太陽(yáng)消耗了它本身能量的 2%，可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，人類正面臨礦物燃料枯竭的嚴(yán)重威脅。 基于當(dāng)今世界能源問(wèn)題和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題已成為全球的一個(gè)“人類面 臨的最大威脅”的嚴(yán)重問(wèn)題，本課題的目的是為了更充分的利用太陽(yáng)能、提高太陽(yáng)能的利用率，而進(jìn)行太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，這對(duì)我們面臨的能源問(wèn)題有重大的意義。但是太陽(yáng)每時(shí)每刻都是在運(yùn)動(dòng)著，集熱裝置若想收集更多方向上的太陽(yáng)光，那就必須要跟蹤太陽(yáng)。 德國(guó)對(duì)太陽(yáng)能資源的利用可追溯到 20 世紀(jì) 70 年代，現(xiàn)在德國(guó)已經(jīng)在太陽(yáng)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了一系列高效的太陽(yáng)能系統(tǒng)。 2020 年，美國(guó)光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到 100 萬(wàn)千瓦，排在日本和德國(guó)之后，居世界第 3位。 我國(guó)由建設(shè)部制定的《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和 2020 年規(guī)則》中已將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項(xiàng)目。 太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在太陽(yáng)能跟蹤方面，我國(guó)在 1997 年研制了單軸太陽(yáng)跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，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(shè)計(jì)光電轉(zhuǎn)換電路。 2 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律 由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了太陽(yáng)位置相對(duì)于地面靜止物體的運(yùn)動(dòng)。使得小齒輪自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，因此帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)架以及固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上的主軸、支架以及接收器轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)接收器相對(duì)與支架轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá) 馬達(dá) 2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì) 太陽(yáng)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(dāng)按照上圖的朝向進(jìn)行安裝時(shí)，跟蹤器跟蹤的實(shí)現(xiàn)原理如下：當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生偏移時(shí)，控制部分發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 2帶動(dòng)傳動(dòng)箱 2中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再輸出帶動(dòng)接收器相對(duì)于環(huán)形支架轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)由東向西的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)控制部分也發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)由馬 達(dá) 1帶動(dòng)傳動(dòng)箱 1中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再輸出帶動(dòng)環(huán)形支架和接收器轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)南北方向的運(yùn)動(dòng)，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的兩個(gè)方向的跟蹤?？刂撇糠职l(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1 帶動(dòng)小齒輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)齒圈 1 和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 2 帶動(dòng)小齒輪 2?？刂撇糠职l(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1 帶動(dòng)小齒輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 2 帶動(dòng)小齒輪 2。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng) (GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來(lái)確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。初始化安裝時(shí)，儀器的中心南北線與觀測(cè)點(diǎn)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(lái)控制電壓 V2進(jìn)行比較，可選擇合適的 V1控制測(cè)量跟蹤裝置的工作狀態(tài)，在夜晚時(shí) V2V1，裝置停止工作；在有太陽(yáng)光時(shí)V1V2，裝置正常工作。特別是多云天氣會(huì)試圖跟蹤云層邊緣的亮點(diǎn)，電機(jī)往復(fù)運(yùn)行，造成了能源的浪費(fèi)和部件的額外磨損。 本設(shè)計(jì)的光敏器件選為光敏電阻。 第一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)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(xiàn) [28] 圖 得動(dòng)載系數(shù) KV=。 72 1 / 2. 17 12 5 10NL NL i? ? ? 式 () 接觸壽命系數(shù) ZN:查文獻(xiàn) [28]圖 得 1NZ = ， 2NZ = 。 尺寸計(jì)算 初選模數(shù) m=3mm,轉(zhuǎn)動(dòng)比 i=4。 查文獻(xiàn) [28]表 得齒間載荷分配系數(shù) Ka =400 。 許用接觸應(yīng)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(yàn)算許用接觸應(yīng)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(jì)算結(jié)果 表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整。 總工作時(shí)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(yīng)力循環(huán)次數(shù) LN 式 () 原估 計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 查文獻(xiàn) [28]圖 得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 。 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(jī)械設(shè)計(jì)部分 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案 圖 31自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：步進(jìn)電機(jī) 1 固定在支架上，步進(jìn)電機(jī) 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(wěn)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(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤，其跟蹤范圍跟鏡筒結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)光線經(jīng)過(guò)透鏡照到鏡筒底部的 5 片光電池上時(shí)，調(diào)節(jié)筒的長(zhǎng)度，使光斑正好完全覆蓋 5片光電池。位置檢測(cè)器主要由性能經(jīng)過(guò)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(shí)角的大致有二種算法 [24]:算法 l，采用中國(guó)國(guó)家氣象局氣象輻射觀測(cè)方法；算法 2，采用世界氣象組織氣象和觀測(cè)方法。 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽(yáng)運(yùn)行的位置變化都是可以預(yù)測(cè)的，通過(guò)數(shù)學(xué)上對(duì)太陽(yáng)軌跡的預(yù)測(cè)可完成對(duì)日跟蹤。結(jié)構(gòu)緊湊，