太阳能自动跟踪系统毕业设计.doc
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1、 图书分类号:密 级:毕业设计(论文)太阳能自动跟踪系统设计DESIGNOF AUTOMATICTRACKINGSYSTEM FOR SOLARENERGY1 / 66学位论文原创性声明本人重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名: 日期:年月日学位论文协议书本人完全了解*关于收集、保存、使用学位论文的规定,即:本校学生在学习期间所完成的学位论文的知
2、识产权归工程学院所拥有。工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝,允许论文被查阅和借阅。工程学院可以公布学位论文的全部或部分容,可以将本学位论文的全部或部分容提交至各类数据库进行发布和检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名: 导师签名:日期:年月日 日期:年月日摘要人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁,太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点,但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点,这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太线自动跟踪装置解决了太阳能利用率
3、不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分设计。第一,机械部分设计:机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。当太线发生偏离时,控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动小齿轮1转动,小齿轮带动大齿轮和主轴转动,实现水平方向跟踪;同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2,小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动,通过步进电机1、步进电机2的共同工作实现对太阳的跟踪。第二,控制部分设计:主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻,将两个完全一样的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。当
4、两个光敏电阻接收到的光强度不一样时,通过运放比较电路将信号送给单片机,驱动步进电机正反转,实现电池板对太阳的跟踪。关键词 太阳能;跟踪;光敏电阻;单片机;步进电机AbstractHuman 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,us
5、ing 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 sol
6、ar 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 suns
7、 rayshas a deviation, small gear arerotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the large gear and main spindle is rotated by small gear in order to track to achieve the level direction.At the same time, another small gear is rotated by another stepper motor according to t
8、he control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together.Second, control system part is designed.Control system mainly includesthe sensors part, stepper motor, MCU
9、system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection systemisused to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive resistances receiveddif
10、ferent light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors.Keywords Solar energyTrackingPhotosensitive resistance SCMSteppingmotor目 录1 绪论11.1课题来源11.2课题背景11.2.1能源现状与发展11.2.2 我国太阳能资源11.2.3 目前太阳能的开发和利用21.2.4太阳能的特点21.3课题研究的目的21.4研究课题的意义21.4.1 新环保能
11、源21.4.2 提高太阳能的利用率31.5太阳能利用的国外发展现状31.6太阳追踪系统的国外研究现状41.7论文的研究容51.8论文结构52 太阳能自动跟踪系统总体设计62.1太阳运行的规律62.2跟踪器机械执行部分比较选择62.2.1 立柱转动式跟踪器62.2.2 陀螺仪式跟踪器72.2.3齿圈转动式跟踪器72.2.4 本课题的机械设计方案82.3跟踪方案的比较选择82.3.1视日运动轨迹跟踪92.3.2光电跟踪92.3.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合112.3.4 本设计的跟踪方案123 机械设计部分133.1太阳能自动跟踪系统机械设计方案133.2第一齿轮转动计算133.2.1材料选
12、择133.2.2尺寸计算133.2.3校核计算143.2.4 齿根弯曲疲劳强度验算153.3 第二齿轮转动计算173.3.1材料选择173.3.2尺寸计算173.3.3校核计算173.3.4 齿根弯曲疲劳强度验算193.4轴瓦校核计算203.4.1大轴瓦校核计算203.4.2小轴瓦校核计算223.5键联接计算243.5.1主轴与大齿轮的键联接243.5.2 轴2与齿圈的键联接253.5.3 步进电机1的输出轴与小齿轮1的联接253.5.4 步进电机2的输出轴与小齿轮2的联接253.6 抗风性分析263.6.1底座上的螺钉校核263.6.2 轴的校核264 自动跟踪系统设计284.1系统总体结构
13、284.2 光电转换器284.2.1光电转换电路284.3单片机与其外围电路294.3.1 AT89C51单片机294.3.2外围电路314.4步进电动机以与驱动电路324.4.1步进电动机介绍324.4.2 步进电机的主要特性324.4.3 步进电机的选择334.4.4驱动电路344.5系统的实现364.5.1 光敏电阻光强比较法364.5.2 光敏电阻光强比较法的工作过程364.5.3 系统的流程图375 课题总结与展望405.1课题总结405.2展望40致41参考文献42附录144附录2521 绪论1.1课题来源模拟生产实际课题:太阳能自动跟踪系统设计。1.2课题背景1.2.1能源现状与
14、发展能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前,包括我国在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1。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,但人们对核能以与太阳能、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2,20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是高达26%。预计在未来5至10
15、年,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。1.2.2 我国太阳能资源我国幅员广大,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960104km,占世界总面积的7%,居世界第三位。据估算3,我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为501018kJ,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,、南部、北部、西部、中部和西南部、东南部、东南部、岛
16、东部和西部以与省的西南部等广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。全国以和两省的太阳年辐射总量最小,其中尤以盆地为最,那里雨多、雾多,晴天较少。例如素有“雾都”之称的市,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
17、云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。 1.2.3 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4,即光热转换、光电转换和光化学转换,此外,还有储能技术。 太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、热力发电装置与太阳能医疗器具。1.2.4太阳能的特点太阳能作为一种新能源,它与常规能源相比有三大优点5: 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,不存在运输问题,尤其对交通不
18、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课题研究的目的本课题研究一种基于光电传感器的太线自动跟踪装置,该装置能自动跟踪太线的运动,保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太线垂直,提高设备的能量利用率。1.4研究课题的意义1.4.1 新环保能源长期以
19、来6,世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料,而这些矿物作为一次性不可再生资源,储量有限,而且燃烧时产生大量的二氧化碳,造成地球气温升高,生态环境恶化。据国际能源机构预测,人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机,迫使各国政府投入大量的人力和财力,研究和开发新能源,如太阳能等。能源危机,环境保护成为当今世界关注的热点问题。7据联合国环境规划署资料,目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%,且其使用在世界围以每10年20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源,按照可持续发展的目标模式,决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力于对
20、可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。日本经济企划厅和三泽公司合作研究认为,到2030年,世界电力生产的一半将依靠太阳能。8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,而进行太阳追踪系统的开发研究,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。1.4.2 提高太阳能的利用率9太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源,这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列
21、的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等,但太阳能的利用还远远不够,究其原因,主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言,如何最大限度的提高太阳能的利用率,仍为国外学者的研究热点。10解决这一问题应从两个方面入手,一是提高太阳能装置的能量转换率,二是提高太阳能的接收效率,前者属于能量转换领域,还有待研究,而后者利用现有的技术则可解决。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备,如果它的集热装置能始终保持与太垂直,并且收集更多方向上的太,那么,它就可以在有限的使用面积收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着,集热装置若想收集更多方向上的太,那就必须要跟踪太阳
22、。大学建筑系的教授研究了太照角度与太阳能接收率的关系,11理论分析表明:太阳的跟踪与非跟踪,能量的接收率相差37.7%,精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高,进而提高了太阳能装置的太阳能利用率,拓宽了太阳能的利用领域。1.5太阳能利用的国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。日本太阳热能的利用,12从1979年第二次石油危机后开始,1990年进入普与高峰。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能和热能两种。太能发电,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
23、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。131990年德国政府推出了“一千屋顶计划”,至1997年已完成近万套屋顶系统,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,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
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