【正文】 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?，但人們對核能以及太陽能、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，在整個能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。預(yù)計在未來 5 至 10 年內(nèi)，可持續(xù)能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物 燃料一統(tǒng)天下的局面。 我國幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。我國的國土跨度從南到北、自西至東，距離都在 5000km以上，總面積達 960 10 km，占世界總面積的 7%，居世界第三位。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、 內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東 南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市， 1961 年至 1970 年的平均值，年平均 日照時間為 ，相對日照為 68％，年平均晴天為 天，陰天為 天，年平均云量為 ，太陽總輻射為 816KJ/cm2a，比全國其它省 區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。例如素有“霧都”之稱的成都市，年平均日照時數(shù)僅為 ，相對日照為 26％，年平均晴天為 天，陰天達 天，年平均云量高達 。 目前太陽能的開發(fā)和利用 人類直接利用太陽能有三大技術(shù)領(lǐng)域 [3]，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲能技術(shù)。 太陽能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大優(yōu)點：第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據(jù)估計，在過去漫長的 11 億年中，太陽消耗了它本身能量的 2%，可以說是取之不盡，用之不竭。第三，太陽能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時，不會產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態(tài)平衡。往往需要相當(dāng)大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。 課題研究的目的和意義 本課題研究一種基于單片機控制的自動跟蹤裝置，該裝置能自動跟蹤太陽光線的運動，保證太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽光線垂直，提高設(shè)備的能量利用率。同時太陽能又是一種無污染的清潔能源，加強太陽能的開發(fā)，對節(jié)約能源、保護環(huán)境也有重大的意義。日本太陽熱能的利用，從 1979 年第二次石油危機后開始， 1990 年進入普及高峰。日本將太陽能的利用分為太陽光能和熱能兩種。從 20xx 年起，日本太陽能發(fā)電量一直居世界首位， 20xx 年太陽能發(fā)電裝機容量約為 86 萬千瓦，占世界太陽能發(fā)電裝機容量的 %，并計劃到 20xx 年達到 482 萬千瓦，增加約 6 倍。 1990 年德國政府推出了“一千屋頂計劃” ，至 1997 年已完成近萬套屋頂系統(tǒng)，每套容量 1～ 5 千瓦，累計安裝量已達 萬千瓦。另據(jù)德新社報道 [5]，全球最大的太陽能發(fā)電廠已在德國南部巴伐利亞州正式投入運營。截至20xx 年年底，德國共有 670 萬平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽能集熱器，每年可生產(chǎn) 4700 兆瓦的熱量。目前，美國太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較 完備的生產(chǎn)體系。為了降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，美國政府最近制定了陽光計劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財政投入，加快多晶硅和薄膜半導(dǎo)體材 料的研發(fā)，提高太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。預(yù)計到 20xx 年，美國光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的 21～ 40 美分 /千瓦時降到 6 美分 /千瓦時，屆時太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的競爭力將會大大增強。 意大利 1998 年開始實行“全國太陽能屋頂計劃” ，將于 20xx 年完成，總投入 5500 億里拉，總?cè)萘窟_ 5 萬千瓦。法國已經(jīng)批準(zhǔn)了代號為“太陽神 20xx”的太陽能利用計劃，按照該計劃，每年將投入 3000 萬法郎資金，到 20xx 年，法國每年安裝太陽能熱水器的用戶達 2 萬家。目前我國太陽能熱水器的推廣普及十分迅速， 1997年銷售面積近 300 萬平方米，數(shù)量居世界首位。根據(jù)我國 1996～ 2020 年太陽能光電 PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計劃，在 20xx 年和 2020 年的太陽能光電總?cè)萘繉⒎謩e達到 萬千瓦和 30萬千瓦。由國家投資 1700 萬元修建的西藏第三座太陽能電站 —— 安 多光伏電站，總裝機容量 100 千瓦，于 1998 年 12 月建成發(fā)電?？傊?，大力發(fā)展太陽能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護環(huán)境的重要途徑。 1998 年美國加州成功的研究出 ATM 兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使效率進一步提高。在國內(nèi)近年來有不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究， 1992 年推出了太陽灶自動跟蹤系統(tǒng)， 1994 年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器完成了單向跟蹤。 本論文的研究內(nèi)容 本文所 介紹的太陽能自動跟蹤裝置采用了光電跟蹤方式，可實現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。 煙臺 大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 4 第 2 章 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計 太陽運行的規(guī)律 由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了太陽位置相對于地面 靜止物體的運動。地球極軸和黃道天球極軸存在的一個 27 度的夾角 [8]，引起了太陽赤緯角在一年中的變化。再考慮到該地位置因素及一年四季的太陽方位變化，可以初步確定所設(shè)計裝置的尺寸、高度角、方位角等的范圍。采用四個光敏電阻做傳感器，把光能轉(zhuǎn)換為電阻的變化，進而通過光電轉(zhuǎn)換電路給單片機輸入信號，并由驅(qū)動電路來控制步進電機，從而實現(xiàn)機械裝置的方位角、高度角的調(diào)整。同時，采用平面四桿機構(gòu)原理，用一對滾珠絲杠副來實現(xiàn)高度角的調(diào)整。 (1) 平面四桿機構(gòu)的基本形式 鉸鏈四桿機構(gòu)：所有運動副均為轉(zhuǎn)動副的四桿機構(gòu)，它是平面四桿機構(gòu)的基本形式，其他四桿機構(gòu)都可以看成是在它的基礎(chǔ)上演化而來的。如果以轉(zhuǎn)動副連接的兩個構(gòu)件可以做整周相對轉(zhuǎn)動，則稱之為整轉(zhuǎn)副，反之稱之為擺轉(zhuǎn)副。曲柄搖桿機構(gòu)，兩連架桿中一個 為曲柄一個為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)。在雙曲柄機構(gòu)中，如果兩對邊構(gòu)件長度相等且平行，則成為平行四邊形機構(gòu)。雙搖桿機構(gòu)，雙搖桿機構(gòu)是兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)。 轉(zhuǎn)動副演化成移動副，如引進滑塊等構(gòu)件。選取不同構(gòu)件作為機架，以這種方式構(gòu)成的平面四桿機構(gòu)有轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機構(gòu)、移煙臺 大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 動導(dǎo)桿機構(gòu)、曲柄搖塊機構(gòu)、正切機構(gòu)等。 本設(shè)計的太陽能板運動設(shè)計理念就是來源于平面四桿機構(gòu)的演化，即采用曲柄滑塊機構(gòu)。下面就這三種跟蹤方案做一個簡要的介紹和比較。太陽跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系較為直觀方便，操作性強，但也存在軌跡坐標(biāo)計算沒有具體公式可用的問題。根據(jù)太陽軌跡算法的分析，太陽軌跡位置由觀測點的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時間來確定。在設(shè)定跟蹤地點和基準(zhǔn)零點后，控制系統(tǒng)會按照太陽的地平坐標(biāo)公式自動運算太陽的高度角和方位角。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原有跟蹤路線返回到基準(zhǔn)零點。由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復(fù)雜，計算量的增 大會增加控制系統(tǒng)的成本。工程生產(chǎn)中必須要求機械結(jié)構(gòu)加工精度足夠高。同時，還要通過儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面調(diào)節(jié)到與地面保持水平，使儀器的高度角零點處于地面水平面內(nèi)。位置檢測器主要由性能經(jīng)過挑選的光敏傳感器組成，如四象限光電池、光敏電阻等。 (3) 視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合 由上述討論可知，開環(huán)的程序跟蹤存在許多局限性，主要是在開始運行前需要精確定位，出現(xiàn)誤差后不能自動調(diào)整等。而傳感器跟蹤也存在響應(yīng)慢、精度差、穩(wěn)定性差、某些情況下出現(xiàn)錯誤跟蹤等缺點。如果兩者結(jié)合，各取其長處，可以獲得較滿意的跟蹤結(jié)果。當(dāng)跟蹤裝置開始運行時，用兩片高精度角度傳感器初始定位，在運行當(dāng)中，以程序控制為主，角度傳感器瞬時測量作反饋，對程序進行累積誤差修正。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過程穩(wěn)定，應(yīng)用于 目前許多大型太陽能發(fā)電裝置。 本設(shè)計選用光敏電阻光強比較法，光敏器件選為光敏電阻。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，其中每相對兩個光敏電阻接收到的光強度相同，所以它們的阻值相同，此時電動機不轉(zhuǎn)動。 圖 光敏電阻位置 總體結(jié)構(gòu) 如圖 所示，機構(gòu)結(jié)構(gòu)：步進電機 1 固定在底座上，步進電機 1 的輸出軸連接小齒輪 ，小齒輪與大齒輪嚙合。絲杠上的滑塊與支承桿相連，連接到太陽能板，太陽能板一端固定在托盤上，托盤焊接安裝在主軸上 [10]。控制部分發(fā)出控制信號驅(qū)動步進電機 1 帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動；同時控制信號驅(qū)動步進電機 2帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，滑塊的左右移動通過支承桿帶動太陽能板轉(zhuǎn)動，通過步進電機 步進電機 2 的共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。太陽能自動旋轉(zhuǎn)裝置為一般工作機器，速度不高，故選用 7 級精度（ GB 10095— 88）。 尺寸計算 選小齒輪齒數(shù) Z1=24，大齒輪齒數(shù) Z2= 24=，取 Z2=77。√ {KT1 Ze178。 u 2) 設(shè)輸入功率大約為 P1=10KW，小齒輪轉(zhuǎn)速 n1=960r/min，所以小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1=100000P1/n1N mm。 4) 材料的彈性影響系 Ze=185。 5) 小齒輪的接觸疲勞強度極限 σhlim1=600MPa，大齒輪的接觸疲勞強度極限σhlim2=550MPa。N2=N1/=10179。 179。Khn2=。 (2) 計算 1) 試算小齒輪分度圓直徑 d1t，代入 [σh]中較小的值得： d1t=179。 (u＋－ 1)}/(?d [σh]) = 。 V=(πd1tn1)/601000=。 b= ?dd1t=1=。 模數(shù) mt=d1t/z1= 齒高 h=== b/h=煙臺 大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 5) 計算載荷系數(shù)。 由 b/h=， Khβ= 得 Kfβ=；故載荷系數(shù) K=KaKvKhαKhβ=11= 6) 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑為： d1=d1t179。K/Kt175?！?75。175?！?(2KT1YfaYsa)/(?dz1178。 2) 彎曲疲勞壽命系數(shù) Kfn1=， Kfn2=； 3) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力。 K=KaKvKfαKfβ=11= 5) 取齒形系數(shù)。 6) 取應(yīng)力校正系數(shù)。 7) 計算大、小齒輪的 YfaYsa/[σf]并加以比較。 (2) 設(shè)計計算 m= 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=，按接觸強度算得的分度圓直徑 d1=，算出小齒輪齒數(shù) z1=d1/m=≈28 大齒輪齒數(shù) z2=28=，取 z2=90。 (1) 計算分度圓直徑 d1=z1m=28=70mm d2=z2m=90=225mm (2) 計算中心距 a=(d1+d2)/2=(70+225)/2mm= (3) 計算齒輪寬度 b=?dd1=170mm=70mm 取 B2=70mm， B1=75mm。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密 儀器。 圖 滾珠絲杠副 滾珠絲杠副常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個循環(huán)閉路稱為列，公稱直經(jīng) 煙臺 大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 每個滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。 外循環(huán)：外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構(gòu)和 制造工藝簡單，使用廣泛。 內(nèi)循環(huán)：內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型：圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反向槽，反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵定位，以保證對準(zhǔn)螺紋滾道方向。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。 滾珠絲杠副具有以下優(yōu) 點： 與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為 1/3。 高精度的保證。 微進給可能。 無側(cè)隙、剛性高。 高速進給可能。 材料選擇 由于絲杠必須具有高耐磨性、高熱硬性及足夠韌性的要求，所以，選擇刃具鋼，其中低合金 工具鋼由于合金元素的加入，更適合制造絲杠，所以選擇 T20xx1（ CrWMn） [12]。例如，當(dāng)允許有間隙存在時（如垂直運動）可選用具有單圓弧形螺紋軌道的單螺母滾珠絲杠副；當(dāng)必須有預(yù)緊或在使用過程中因磨損而需要定期調(diào)整時，應(yīng)采用雙螺母螺紋預(yù)緊或齒差預(yù)緊式