【正文】 23 5 結(jié)論 ..................................................................... 24 參考文獻(xiàn) ................................................................... 26 致謝 ....................................................................... 27 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生 韋忠爽 指導(dǎo)老師 侯建華 摘要 ： 目前，太陽(yáng)能利用裝置的放置位置大多是固定不變的，而一天當(dāng)中太陽(yáng)與太陽(yáng)能利用裝置的相對(duì)位置是時(shí)刻變化的，這也就無(wú)法保證太陽(yáng)能利用裝置時(shí)刻受到陽(yáng)光直射，從而使太陽(yáng)光能的利用率大大降低。為了提高太陽(yáng)能的利用率，設(shè)計(jì)一種循日追光系統(tǒng)，使太陽(yáng)能利用裝置最大限度的利用太陽(yáng)光能。 關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能； 循日追光 ； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ；單片機(jī) The Design of Automatic Tracking System Student majoring in Mechanical and electrical engineering Li Yan Tutor Hou Jianhua Abstract： At present, the solar energy utilization device placed most of the position is fixed ,but the sun and solar energy utilization of the relative position of the device is everchanging in the day , this is to guarantee the solar energy utilization device moment is direct sunshine , so that the sun light energy utilization greatly reduced . In order to improve the utilization rate of solar energy, design a system of solar tracking, to make solar energy utilization device maximum use of the sun light energy .The solar tracking system of the mechanical part and control system part are designed. The mechanical part design is to realize the sun tracking through the joint work of stepper motor1and stepper motor 2。太陽(yáng)能是一種干凈環(huán)保而且取之不盡用之不竭的可再生新能源，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的這種趨勢(shì)，太陽(yáng)能在人類(lèi)生活中起到越來(lái)越重要的作用。 眾所周知，太陽(yáng)在一天中的位置由東向西發(fā)生著變化，而目前太陽(yáng)能利用裝置的擺放位置大多是固定不變的，這也就無(wú)法使 太陽(yáng)能利用裝置時(shí)刻正對(duì)著太陽(yáng)，太陽(yáng)光也就無(wú)法時(shí)刻直射到其上面。 自動(dòng)追光系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)為基礎(chǔ)，工作可靠穩(wěn)定，能夠精確追蹤太陽(yáng)，使太陽(yáng)光在一天當(dāng)中始終直射到太陽(yáng)利用裝置上，最大限度的提高太陽(yáng)能利用率。 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 1 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律 太陽(yáng)在一天中的位置 變化是周期性的，是可以被預(yù)測(cè)的。因?yàn)榈厍驑O軸與黃道天球極軸存在 27 度夾角，使得太陽(yáng)的赤尾角在一年當(dāng)中發(fā)生變化。 跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分比較選擇 分析考慮成本、跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分等各方面問(wèn)題，有以下幾種跟蹤器。馬達(dá) 2 的輸出軸連接蝸桿，接收器安裝在環(huán)形支架上面 (接 收器相對(duì)于環(huán)形支架可以轉(zhuǎn)動(dòng) )，傳動(dòng)箱Ⅱ的輸出軸連接接收器 [1]。 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。蝸桿蝸輪對(duì)自鎖性能好，可防風(fēng)防雨。傳動(dòng)裝置安裝在傳動(dòng)箱，受到了良好的保護(hù)，提高了設(shè)備的使用壽命。 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線(xiàn)偏離發(fā)生時(shí)，控制部分所發(fā)出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 1，進(jìn)而帶動(dòng)小齒輪Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪會(huì)帶動(dòng)齒圈 B1 和主軸 A 轉(zhuǎn)動(dòng)；在同一時(shí)間，控制信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 2 帶動(dòng)小齒輪Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而小齒輪Ⅱ帶動(dòng)齒圈 B2和轉(zhuǎn)動(dòng)架 D 轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá) 馬達(dá) 2的共同努力實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角 和高度角的跟蹤。在兩個(gè)方向的跟蹤，都利用齒輪副傳遞動(dòng)力，在同一時(shí)間，使用功率較小的馬達(dá)，不僅傳遞足夠大的動(dòng)力，而且降低了其能源成本和制造成本；盡管使用了半個(gè)齒圈，然而能在緊湊的結(jié)構(gòu)下獲得了較大的傳動(dòng)比。 (三 ) 立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器 該跟蹤器所具有的結(jié)構(gòu)：將在底座上固定好的 大 齒輪與小齒輪嚙合，且小齒輪與馬達(dá) 1 的輸出軸連接，主軸與它的支撐軸承分別安裝在底座的上面。 跟蹤器所實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)追循原理：當(dāng)太陽(yáng)的光線(xiàn)發(fā)生偏離時(shí)，控制部分將控制信號(hào)發(fā)出，來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 1 帶動(dòng)小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榇簖X輪是固定的，那么小齒輪不僅自轉(zhuǎn)，而Ⅰ 1 Ⅱ 2 D B2 B1 A a 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 且繞大齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)架的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上的主軸、支架與接收器也發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)；在同一時(shí)間，通過(guò)控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 2，并且?guī)?dòng)接收器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá) 1 和馬達(dá) 2的共同努力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。對(duì)于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳遞動(dòng)力，在同一時(shí)間，使用功率較小的馬達(dá)，不僅傳遞足夠大的動(dòng)力，而且降低了其能源成本和制造成本。 本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案 圖 14 為機(jī)械設(shè)計(jì)方案，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：在支架上馬達(dá) 1 固定好，馬達(dá) 1的輸出軸與小齒輪 1 連接，小齒輪 1 與大齒輪嚙合。 圖 14 本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案 F A 1 E2 E1 D C 2 a 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 機(jī)構(gòu)所要實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)跟蹤的原理為：若太陽(yáng)光線(xiàn)的位置發(fā)生偏離時(shí) ,控制信號(hào)將會(huì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 1并且?guī)?dòng)小齒輪 1進(jìn)行工作，進(jìn)而小齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸工作；在同一時(shí)間 ,控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 2 帶動(dòng)小齒輪 2 工作。 跟蹤方案的比較選擇 目前采用跟蹤太陽(yáng)的方法有很多： (1)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤； (2)光電跟蹤 [4]。 (一 ) 光電跟蹤 采用一級(jí)傳感器跟蹤方式是傳統(tǒng)的光電跟蹤，這種跟蹤系統(tǒng)由控制組件、跟蹤頭、和位置檢測(cè)器組成 [5]。 位置檢測(cè)器主要由經(jīng)過(guò)選定的光敏傳感器組成。 控制組件 跟 蹤頭 圖 15 跟蹤系統(tǒng)框圖 象限光電轉(zhuǎn)換原理如下圖所示 ， 接下來(lái) 對(duì)五象限法太陽(yáng)跟蹤儀做一簡(jiǎn)單介紹。每個(gè)象限邊界線(xiàn)和 X 軸均成為 45度，小圓為第 V 像限 [6]。將 5枚性能、面積、參數(shù)相同的光電池安裝在所設(shè)計(jì)的 5個(gè) 象限 內(nèi)時(shí)，一旦陽(yáng)光照射到 5 枚光電池上時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電流，這時(shí)的光電流的強(qiáng)度與光強(qiáng)度成正比例關(guān)系。當(dāng)光 線(xiàn)穿過(guò)透鏡照到鏡筒底部的 5 枚光電池時(shí)，調(diào)整筒的長(zhǎng)度，使光斑完全覆蓋 5枚光電池。將經(jīng)過(guò)一系列處理的光電流差輸送給跟蹤頭，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始動(dòng)作 ,來(lái)調(diào)節(jié)所述跟蹤的裝置 ,直到光電池輸出的光電流相同，這個(gè)時(shí)候的太陽(yáng)光線(xiàn)平行于透鏡光軸，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沒(méi)有發(fā)生動(dòng)作。將電壓 V1 和外來(lái)控制的電壓 V2進(jìn)行對(duì)比，可選擇適當(dāng)?shù)?V1控制測(cè)量所需跟蹤設(shè)備的工作現(xiàn)狀，在夜間 ,當(dāng) V2V1，該設(shè)備停止工作；當(dāng)太陽(yáng)光出現(xiàn)時(shí) V1V2，設(shè)備開(kāi)始正常工作。通常， 它是取 10 30厘米最佳 。 但是 ,當(dāng)云覆蓋很長(zhǎng)一段時(shí)間 ,或當(dāng)太陽(yáng)剛升起的清晨 ,太陽(yáng)光線(xiàn)與透鏡光軸之間角度超過(guò)一定的夾角范圍，由于鏡 筒結(jié)構(gòu)的限制，透鏡聚焦的光點(diǎn)不能被光電池捕捉到 ,這時(shí)跟蹤裝置便無(wú)法跟蹤太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的錯(cuò)誤動(dòng)作。 (二 ) 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 太陽(yáng)跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)是相對(duì)直觀(guān) ,方便可行的，而且操作性強(qiáng)，但對(duì) 一個(gè)軌跡的坐標(biāo)計(jì)算 是沒(méi)有具體的計(jì)算公式的問(wèn)題。 光軸 透鏡 光電池 圖 17 鏡筒結(jié)構(gòu) 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 根據(jù)太陽(yáng)的軌跡算法分析，太陽(yáng)軌跡位置 ,是由觀(guān)測(cè)點(diǎn)的位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)確定的。 在設(shè)置跟蹤地點(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后， 控制系統(tǒng)可以自動(dòng)操作根據(jù)水平坐標(biāo)公式的太陽(yáng)能高度角和方位角的太陽(yáng)。日落之后 ,停止跟蹤 ,跟蹤設(shè)備根據(jù)原來(lái)的軌道 路線(xiàn)回到 基準(zhǔn)零點(diǎn) 。 跟蹤開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)角度反饋值，所以為了實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤的要求，不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確有密切的關(guān)系。初始化安裝時(shí)，儀器的中心南北線(xiàn)與觀(guān)測(cè)點(diǎn)的地理南北線(xiàn)要求重合。 本設(shè)計(jì)的跟蹤方案 光敏電阻光強(qiáng)比較法。 光敏電阻的特點(diǎn)是它的阻值隨著光照強(qiáng)的大小發(fā)生變化，利用這種特點(diǎn) ，把兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向的 底部邊緣 。但是太陽(yáng)光的方向和電池板垂直的方向有一定夾角時(shí)，則接收光比較多的光敏電阻的阻值減少，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，一直到光敏電阻產(chǎn)生相同的光照強(qiáng)度，這種形式稱(chēng)為光敏電阻的光強(qiáng)比較法。 齒輪的選擇 (一 ) 材料的選擇 選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng) [7]。小齒輪的材料選用 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS，大齒輪的材料選用 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS。 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 一般 齒輪齒數(shù) Z1=25，分度圓螺旋角 ? =8 到 15 度 。 分度圓直徑： 小齒輪直徑 1 4 251 10 1. 54c os c os 10mzd ? ?? ? ? ， 取 d1=100mm。 （ 21） 取齒寬系數(shù) ? = b= d? = 100=120 則取大齒輪寬度 b2=120,小齒輪寬度 b1=125。 查文獻(xiàn) [8] 圖 得動(dòng)載系數(shù) KV=。 Ft=2T1/d1=2 2 104=400N kAFt/b=1035 400/120=405N/mm (25) εδ =[ (1/Z1+1/Z2)]cosβ =[ (1/25+1/100)cos10 = Zz=√ (4εδ )/3 = KHδ =1/Z2ε= 式中 tF 圓周力； ?? 端面重合度； Z? 重合度系數(shù)。 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 11 m a x11 m a x 760 ( )60 ( )60 1 1000 7200 ( 1 ) 10nmiL i iiniiiTN ri n thTT thrn thT th????? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????查文獻(xiàn) [8]圖 得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 。 總工作時(shí)間 Th=10 360 2=7200h。 72 1 / 2 . 1 7 1 2 5 1 0N L N L i? ? ? (28) 接觸壽命系數(shù) ZN:查文獻(xiàn) [8]圖 得 1NZ = ， 2NZ = 。 底座的設(shè)計(jì) 底座材料選用 45 鋼 [9]，底座要有足夠的支撐強(qiáng)度，同時(shí)也要滿(mǎn)足盡可能節(jié)省材料，所以，選擇用焊接法組合底座。 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 圖 21 底座 中心軸的選擇 (一 ) 尺寸設(shè)計(jì) 選擇軸的直徑為 30mm，長(zhǎng)度為 400mm。 (二 ) 軸的校核 可知材料的強(qiáng)度極限： σb =598MPa，屈服極限： σs = 353MPa[10]。設(shè)橫截面受力 F 大約為 70KN。=178。所以，該軸符合要求。 (1) 求比值 Fa/Fr=5500/1500=e (2) 初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 P， P=fp( XFr+YFa) 因?yàn)檩p微沖擊，所以載荷系數(shù) fp=～ ，取 fp=。現(xiàn)暫選一近似中間值，取 Y=，則 P=( 1500＋ 5500)=10908N (3) 求軸承應(yīng)有的基本額定動(dòng)載荷值 C=P179。= (211) (二 ) 軸承 2的選