机械毕业设计(论文)-基于单片机的太阳跟踪装置控制系统的研究【全套图纸】 .doc
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1、太阳跟踪系统1 绪论11 利用太阳能意义 2 全套图纸,加153893706长期以来,人们就一直在努力研究利用太阳能。地球所接受到的太阳能,只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右,这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍,可谓取之不尽,用之不竭。其次,宇宙空间没有昼夜和四季之分,也没有乌云和阴影,辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单,而且在无重量、高真空的宇宙环境中,对设备构件的强度要求也不太高。再者,太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同,不会导致“温室效应”和全球性气候变化,也不会造成环境污染。目前人类所消耗的能源的70%来自煤、石油、天然气等化石燃料,科学家们公认,太阳能是未
2、来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代能源。正因为如此,太阳能的利用受到许多国家的重视,大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料,以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来,在石油可开采量日趋见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下,人类越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置,其应用十分广泛,在某些领域,太阳能的利用己开始进入实用阶段。资料显示:太阳每分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量。目前太阳能利用转化率约为10%12%。据此推算,到2020年全世界能源消费总量大约需要25万亿立升原油,如果用太阳能替代,只需要约97万公里的一块
3、吸太阳能的“光板”就可实现。“宇宙发电计划”在理论上是完全可行的。科学家预言:未来大规模的太阳能开发利用,有可能开辟新能源领域,从而将人类带出传统的燃火时代。太阳能相对于日益枯竭的化石能源来说,是未来社会的希望所在。它的特点可概括为: (1)储量的“无限性” 太阳能是取之不尽的可再生能源,可利用量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3. 75,是极其巨大的。其中到达地球的能量高达1. 73 KW,穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1KW。在到达地球表面的太阳辐射能中,到达地球陆地表面的辐射能大约为1. 73 KW,相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿
4、命至少尚有40亿年,相对于人类历史来说,太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。相对于常规能源的有限性,太阳能具有储量的“无限性”,取之不尽,用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匾乏、枯竭的最有效途径。 (2)存在的普遍性 虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀,但相对于其他能源来说,太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性,可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。(3)利用的清洁性 太阳能像风能、潮汐能等清洁能源一样,其开发利用时几乎不产生任何污染,加之其储量的无限性,是人类理想的替代能源。 (4)利用的经济性
5、可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽,用之不竭,而且在接收太阳能时不征收任何“税”,可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下,有些太阳利用己具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破,太阳能利用的经济性将会更明显。 太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源,于常规能源有本质上的区别。人类利用太阳能主要在于解决:(1)时刻跟踪太阳的跟踪装置;(2)使太阳光聚焦,从而获得高温的集热装置;(3)传热、蓄热或能量转换装置。本跟踪装置的研究旨在解决第一个问题,以提高太阳能的接受效率。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%。精确地跟踪太阳可使
6、接收器的热接收率大大提高,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。12 太阳跟踪方式的概况 目前太阳能利用最普遍的形式是通过集热器将太阳能转换为热能,为了收集到尽可能多的太阳能,最好采取跟踪方式,使太阳光收集器的采光面始终对准太阳。跟踪太阳的方法有很多,但不外乎采用这两种方式:光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪;前者是闭环的随机系统,后者是开环的程控系统。1光电跟踪 目前,国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式,这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。在这些装置中,光电管的安装靠近遮光板,调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区;当太阳西移时遮光板的阴影偏移
7、,光电管受到阳光直射输出一定值的微电流,作为偏差信号,经放大电路放大,由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高,结构设计较为方便;但受天气的影响很大,如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况,太阳光线往往不能照到硅光电管上,导致跟踪装置无法对准太阳,甚至会引起执行机构的误动作。2视日运动轨迹跟踪 根据跟踪系统的轴数,视日运动轨迹系统可分为单轴和双轴两种。(1)单轴跟踪 单轴跟踪一般采用:倾斜布置东西跟踪;焦线南北水平布置,东西跟踪;焦线东西水平布置,南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪,工作原理基本相似。第3种跟踪方式的原理是:跟踪系统的转轴(或焦线)东西
8、向布置,根据事先计算的太阳赤纬角的变化,柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采用这种跟踪方式,一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直,此时热流最大;而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简单,但是由于入射光线不能始终与主光轴平行,收集太阳能的效果并不理想。(2)双轴跟踪 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能,全跟踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角方位角式全跟踪。极轴式全跟踪 极轴式全跟踪原理大体上是:聚光镜的一轴指向天球北极,即与地球自转轴相平行,故称为极轴;另一轴与极轴垂直,称
9、为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转,其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化,通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂,但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线,极轴支承装置的设计比较困难。高度角方位角式太阳跟踪 高度角方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪,其原理与其它跟踪器相似。集热器的方位轴垂直于地平面另一根轴与方位轴垂直,称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角,从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高,而且集
10、热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内,支承结构的设计比较容易。集热器采光面上直接日射入射角由太阳赤纬角、太阳时角、集热器倾角、集热器方位角和试验地的纬度中计算,计算公式如下: (1)式(1)中一年内第N天的太阳赤纬角计算为: (2)从式(1)、式(2)可以看出,当确定以后,集热器倾角和方位角的值决定了直接日射入射角,因此只要控制集热器的角度使其具有合适的倾角和方位角,就可以保证太阳光线入射角为0,从而最大限度地收集太阳光能。(3)地平坐标系跟踪方法的应用 国家太阳能检测中心最近开发了一套太阳集热器性能测试系统,其中就包括了太阳跟踪器。该中心在集热器性能测试试验中,要求集热器采光面始终垂直太阳
11、光线,入射角偏差不超过5,因此需要对太阳进行实时跟踪。该跟踪器采用地平坐标系跟踪方式,主要由水平回转转台、垂直回转转台、两台步进电机以及集热器台架组成。集热器固定在台架平面上;水平转台相当于集热器的方位轴,由一台步进电机驱动,绕垂直于当地水平面的轴旋转,用以跟踪太阳的方位角,其控制流程为:步进电机谐波减速器(降速增矩、角度细分)水平回转转台。减速器的传动比为1:120,电机转动120时水平转台相应转动1,以步进电机0. 36的步距角计算,当水平转台转动1时,步进电机发出120 a /0. 36个脉冲,由此可以计算集热器方位角为a时步进电机发出的脉冲数为120 a /0. 36个;另一台步进电机
12、驱动同步带轮带动丝杠螺母旋转,使丝杠进行直线运动,相当于改变俯仰轴转角用以改变集热器的倾斜度,从而跟踪太阳的高度角,其控制流程为:步进电机同步带轮(传递动力)一丝杠螺母(旋转运动)一丝杠(直线运动)。同步带轮与丝杠的传动比为2:1,当步进电机转动1圈即360时丝杠螺母转动半圈,丝杠相应走过3mm。由此通过集热器台架的倾角变化计算出丝杠直线运动的距离,再经过传动比换算出步进电机应转动的角度,根据0.36的步距角就可以算出相应的脉冲数。该装置是检测中心作试验用的,试验主程序流程如图1.1所示。每当试验时,跟踪器在跟踪太阳前先得让方位轴和俯仰轴自动回零;然后根据太阳当前位置从零点处自动快速指向太阳;
13、接着每间隔一定时间,自动调整一次集热器的位置,使其采光面垂直于太阳光线,实现实时太阳跟踪。自动跟踪子程序流程见图1.2。其中,Z轴为俯仰轴,X轴为方位轴。由于影响跟踪精度的因素很多,不仅跟当地纬度、太阳赤纬角、太阳时角的取值有关,还跟步进电机的精度以及跟踪转台的机械结构有关,因而需要对跟踪轨迹的程序进行校正。校正采用手动操作,使跟踪台的两个轴带动集热器转动,同时不断观察日暑的影子,当影子刚好聚为一点时为最佳,记录下从原点到该点两轴的步进电机各自走过的实际脉冲数,然后依据算法计算两轴的步进电机从原点到该点的理论脉冲数,根据实际脉冲数与理论脉冲数之差,可算得到角度之差,就是高度角和方位角的修正值。
14、图1.1 试验主流程图 图1.2 自动跟踪子程序 校正可以选择任一天中的几个不同时刻进行,得到一组高度角和方位角的校止系数,取其平均值。用校正系数校正理论值存入控制程序,可以提高跟踪精度。 目前,该太阳跟踪器已投入使用,运行状况良好,跟踪误差不大于2。太阳跟踪方法很多,需要根据实际情况来选择跟踪方式。如果跟踪精度要求不高,可以采用单轴跟踪方式。晴天多光强的地区可以选择光电跟踪方式。对于跟踪精度要求很高,天气情况不是太好的区域,最好选择双轴跟踪方法。由于国内太阳能开发利用的水平还不是很高,国产太阳跟踪器的精度有待于进一步的提高。13 一种全自动太阳跟踪器的简介 目前,日本、法国、瑞士等许多国家在
15、太阳辐射的业务观测中,都已使用全自动太阳跟踪装置。我国长期以来一直使用单轴太阳跟踪装置,该仪器存在着跟踪精度不高、误差累积,绕线等一些问题。针对这种状况,开发了一种智能型全自动太阳跟踪装置。它采用传感器和太阳运行轨迹时间函数相结合的定位方式,具有全自动、全天候、跟踪精度高、无累积误差、不绕线的优点,填补了国内在该领域的空白,可以满足太阳辐射观测的需要,大大减轻观测人员的劳动强度。 全自动太阳跟踪装置具有两个相互垂直的轴,即时角轴和赤纬轴。准直筒与赤纬轴垂直安装,光电传感器安装在准直筒的底部,用于在光线良好时对太阳进行跟踪,当太阳辐射较弱时,则根据时间函数对太阳进行跟踪。跟踪时,时角轴带动准直筒
16、实现方位角的改变,赤纬轴带动准直筒实现仰角的改变。时角轴和赤纬轴的正交运动形成了太阳的跟踪轨迹。因此,全自动太阳跟踪装置实现了自动调节,以满足全自动太阳跟踪的需要。 执行机构完成赤纬轴和时角轴的转动,是太阳跟踪过程的最终执行单元。由驱动电机和减速机构组成。减速机构采用了具有世界先进水平的谐波减速结构。谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的。它具有传动比大、精度高、空回小、效率高、体积小、传动平稳等优点。太阳轨迹的跟踪是由控制机构控制电机的转动来实现的。对太阳位置的跟踪,决定了电机的转动角度是一个些具有马氏性的过程,即电机的转动角度与且只与上一时刻的位置呈时间函数关系。并且由于要
17、求跟踪精度优于0.2 ,所以对于电机的转动必须予以精确的控制,这样就决定了选用步进电机是一个较佳的方案。选用步进电机时,必须根据实现跟踪所需要的扭矩来计算电机功率。首先计算末端传动轴所受的实际扭矩,再根据减速倍数和传动效率估算出所需电机的扭矩。步进电机的步矩角在太阳跟踪中是一个关键参数,步距角与减速倍数的比值决定了理论上的最高控制精度。在设计过程中考虑了电机与减速器的体积、综合成本等因素。程序在控制机械机构的同时,确定机械机构的基准位置是十分必要的。在系统运行过程中,偶尔掉电是可能的,导致系统在加电时无法确定当前的机械位置,会产生严重的错误;另外,日落后系统也需按原路线返回到基准位置,以避免电
18、缆的缠绕和减少机械加工精度而产生的累积误差,所以系统本身要求有一个确定的基准位置。同时,为了避免故障状态造成仪器的连续圆周运动而损坏仪器,设计了极限位置限制装置。整个定位系统由定位盘、限位开关、光电开关组成。在全自动太阳跟踪装置上安装遮光装置的目的是为了测量太阳的散射辐射,它是借助于该遮光装置把太阳直接辐射从传感器上遮去。14 本课题主要研究的内容及意义太阳跟踪装置的研究是提高太阳能利用率的一种重要途径。研究精确的太阳跟踪装置,可使接收器的热接受率大大提高,进而提高太阳能装置的利用率,拓宽太阳能的利用领域。本文所介绍的控制系统采用AT89C52单片机作为控制芯片,十分适用于太阳跟踪装置,表现在
19、:主要控制参数通过设置寄存器变量来实现,修改方便;成本低廉,性能与相对简单的太阳跟踪系统匹配;数字化的控制系统,可以达到较高的精度,并有可能通过串行通信实现远程监控和模块化处理;可处理多个中断,系统运行后可能出现以前没有考虑到的特殊情况,相应的扩充对策十分简单。本课题的主要研究内容:1.分析太阳跟踪装置的结构特点和运动分析及可能的工作状态,提出合理的控制策略。2.根据所需完成的任务选取控制芯片,并分析系统的软硬件需求。3.根据所提出的控制策略设计控制系统,选择合适的控制执行部件即步进电机。4.根据软硬件需求和芯片资源进行软硬件设计,选取恰当的传感器,编制控制程序,实现精确跟踪。2 太阳跟踪装置
20、的机构的设计根据基于单片机太阳跟踪平台的设计,机械部件设计应该满足以下要求:a、机械执行机构能够进行很大范围的跟踪。因此,机械执行机构的运动行程应满足跟踪范围的要求,并要避免极限位置锁死;b、为了降低成木,控制系统采用普通直流电机驱动跟踪平台。所以,要选择合理结构,工作能耗小能超过给定值;c、在满足以上性能的同时,尽量简化结构和加土土艺,进一步提高技术经济性。木文提出的跟踪平台的适用范围非常广泛,其中很多太阳能利用的场合例如:太阳能屋顶发电、聚光光纤传输型照明、太阳灶、太阳能热水器、太阳能空调等,太阳自动跟踪平台都是在固定地点安装运行的。与此同时,也有一些使用情况要求跟踪平台安装在移动载体上,
21、如卫星上的太阳能电池板、移动车船上的太阳能发电装置。21立柱转动式跟踪平台根据跟踪平台适用场合(太阳能屋顶发电、聚光光纤传输型照明、太阳灶、太阳能热水器、太阳能空调等)的需求,木论文设计了立柱转动式跟踪平台。立柱转动式跟踪平台的机械结构适用于固定地点安装(能够满足聚光器对结构的需求),实现对太阳大范围双向自动跟踪。211跟踪范围要求跟踪平台在固定地点安装运行,太阳的运动范围是固定的:在早晨和傍晚太阳光线很弱,一般这个时候不进行采光工作,有效的太阳方位角(从东至西)变化范围大约为士75 ;在赤道地区,太阳全年视高度变化大约为士23.5。为了便于分析说明,现以北纬30的武汉为跟踪平台安装地点,太阳
22、方位角的变化范围为士75,太阳高度角的变化为47( 6.5:53.5),如图2.1所示。立柱转动式跟踪平台的跟踪范围应该大于或等于太阳的运动范围。 高度角跟踪 方位角跟踪图2.1固定地点(徐州市)跟踪平台的跟踪运动范围212传动方案的选择跟踪平台是固定地点安装,跟踪范围是固定的,范围相对较小(在上一节已经加以讨论)。要使跟踪平台适用于聚光器,跟踪平台的机械部件就光能遮挡聚光器会聚的光线。所以对于跟踪平台执行机构,除了一定的跟踪范围、动作准确、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、性价比高、结构小应遮挡光线。在众多传动结构中,齿轮传动以及螺旋传动都属于最简单的、应用最为
23、广泛、性价比最高的传动结构。特别是利用齿轮传动,能在使用功率较小的普通电机的同时传递足够大的动力,并且使用功率较小的电机降低了其能源成本和制造成木。所以,采用齿轮传动或者螺旋传动对于降低系统成本、提高性价比十分重要,比较适合固定场合的运行需求。 (1) (2) 1、 输入轴;2、输出轴;3、小齿轮;4、大齿轮;5、底座;6、罩壳 7、螺杆;8、支架;9、接收器 图 2.2 传动方案比较示意图图2.2所示的两套传动方案分别采用齿轮传动和螺旋传动。方案(1)传动原理:输入轴转动时,山于大齿轮固定,小齿轮对大齿轮作行星运动,从而带动罩壳、输出轴实现绕主轴轴心线的转动。方案(2)传动原理:输入轴转动时
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