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1、个人资料整理仅限学习使用 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。太阳光线自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。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。当太阳光线发生偏离时,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
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,将两个完全相同的光敏电阻 分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。当两个光敏电阻接收到的光强度不相同 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 个人资料整理仅限学习使用 Abstract Human being is seriou
3、sly 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 dist
4、ributing 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 an
5、d 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 rayshas a deviation, small gear arerotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And t
6、he 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 the control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to
7、 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 system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection systemisused to track so
8、lar. 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 receiveddifferent light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate steppi
9、ng motors. Keywords Solar energyTrackingPhotosensitive resistance SCMSteppingmotor 个人资料整理仅限学习使用 目录 个人资料整理仅限学习使用 个人资料整理仅限学习使用 个人资料整理仅限学习使用 1 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 能源现状及发展 能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前,包括我国在内的绝大多数国家 都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。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,
10、积极开展新能源和可再生能源 的研究开发工作 1 。 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,但人们对核能以及太阳能、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年内,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
11、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 96010 4km ,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5010 18KJ,全国各地太阳年辐射总量达 335837KJ/cm 2A,中值 为 586KJ/cm 2A。从全国太阳年辐射总量的分布来看,西藏、青海、新疆、内蒙古南 部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南 部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射
12、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”的拉萨市,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/cm 2A,比全国其它省区和同纬 度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小,其中尤以四川盆地为 最,那里雨多、雾多,晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市,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 2
13、44.6 天,年平均云量高 达 8.4 。其它地区的太阳年辐射总量居中。 个人资料整理仅限学习使用 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。 太阳光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、热力发电装置及太阳能医疗器具。 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
14、 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 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 M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
15、种基于光电传感器的太阳光线自动跟踪装置,该装置能自动跟踪太阳 光线的运动,保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直,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。据联合国环境规划署资料 7 , 目前矿物燃
16、料提供了世界商业能源的95% ,且其使用在世界范围内以每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 个人资料整理仅限学习使用 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。 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
17、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 8 。 1.4.2 提高太阳能的利用率 太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源 9 ,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,仍为国内外学者 的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手 10 ,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,
18、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阳光垂直,并且收集更多方向上的太阳光,那么,它 就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。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阳光,那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授研究 了太阳光照角度与太阳能接收率的关系,理论分析表明 11 : 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
19、的国内外发展现状 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 年进入普及高峰。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阳 光能和热能两种。太阳光能发电,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 2018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
20、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。 1990 年德国政府推出了“一千屋顶计划” 13 ,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 个人资料整理仅限学习使用 营。这家太阳能发电厂投资7000 万欧元,占地 77 万平方 M ,发电总容量达12 兆瓦,能 为 3500 多个家庭供电。截至2005 年年底,德国
21、共有670 万平方 M的屋顶铺设了太阳能 集热器,每年可生产4700 兆瓦的热量。已用4% 的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的 太阳能,估计每年可节约2.7 亿升取暖用油。 目前,美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系 统制造比较完备的生产体系。2005 年,美国光伏发电总容量达到100 万千瓦,排在日本 和德国之后,居世界第3 位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本,美国政府最近 制定了阳光计划,大幅度增加了光伏发电的财政投入,加快多晶硅和薄膜半导体材料的 研发,提高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前,美国正在新建几座新的太阳能电 站。预计到 2018 年,美
22、国光伏发电成本将从现在的2140 美分/ 千瓦时降到 6 美分/ 千 瓦时,届时,太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相 当的优势,据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明,到2050 年后,核能将 占第一位,太阳能占第二位,21 世纪末,太阳能将取代核能占第一位,很多国家对太阳 能的利用加强了重视 14 。 意大利 1998 年开始实行“全国太阳能屋顶计划”,将于2002 年完成,总投入5500 亿里拉,总容量达5 万千瓦。印度也于1997 年 12 月宣布,将在2002 年前推广 150 万套 太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神2006”的太阳能利
23、用计划,按照该计 划,每年将投入3000 万法郎资金,到2006 年,法国每年安装太阳能热水器的用户达2 万家。 我国由建设部制定的建筑节能“九五”计划和2018 年规则中已将太阳能热水系 统列入成果推广工程。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速 15 ,1997 年销售面积 近 300 万平方 M ,数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企 业达 1000 余家,年产值20 亿元。根据我国19962020 年太阳能光电 PV 分析太阳运行规律,比较国内外主要的几种跟踪方案,提出合理的跟踪策略。 (2 机械部分也是实现追踪目的的关键,主要是机械设计和计算,装配图及其零件
24、 图。 (3分析传感器工作原理,分析该传感器大范围、高精度跟踪的可行性,还要设计光 电转换电路。 (4选取控制芯片,分析系统的硬件需求,设计控制系统。 (5设计控制方案,步进电动机以及驱动电路。 1.8 论文结构 第一章 , 绪论主要阐述了课题的研究背景、目的及意义,以及国内外太阳能的利用现 状、太阳追踪方式的发展现状。 第二章 , 主要是对太阳自动追踪系统进行了总体设计,确定了系统的追踪方式。 第三章 , 太阳自动追踪系统机械设计部分,主要是机械设计和计算,装配图及其零件 图。 第四章 , 自动跟踪系统总体结构, 光电转换器 , 单片机及其外围电路, 步进电动机以及 驱动电路。 第五章 ,
25、课题总结及展望。 个人资料整理仅限学习使用 2 太阳能自动跟踪系统总体设计 2.1 太阳运行的规律 由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。 这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个27 度的夹角,引 起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为23 度 27 分,然后逐渐增大,到春分 时变为 0 并继续增大,夏至时赤纬角最大为23 度 27 分,并开始减小;到秋分时赤纬角 又变为 0,并继续减小,直到冬至,另一个变化周期开始 18 。 2.2 跟踪器机械执行部分比较选择 根据分析以前的跟踪器机械执行部分的问题,以及成本等各个方面考虑,有以
26、下几 种跟踪器。 2.2.1 立柱转动式跟踪器 图 2-1 立柱转动式跟踪器 跟踪器的结构 19 :大齿轮固定在底座上,主轴及其支撑轴承安装在底座上面( 主轴相对 于底座可以转动 ,小齿轮与大齿轮啮合,小齿轮连接马达1 的输出轴。马达 1 固定在转 动架上,转动架以及支架固定安装在主轴上,接收器、马达2 安装在支架上面 (接收器相 对于支架可以转动 ,马达 2 的输出轴连接在接收器上。 跟踪器实现自动跟踪的原理:当太阳光线发生偏移的时候,控制部分发出控制信号 驱动马达 1 带动小齿轮转动,由于大齿轮固定。使得小齿轮自转的同时围绕大齿轮转 动,因此带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及接收
27、器转动;同时控制信号 驱动马达 2 带动接收器相对与支架转动,通过马达1、马达 2 的共同工作实现对太阳方位 角和高度角的跟踪。系统特点:该跟踪机构结构简单,造价低。对于方位角的跟踪,利 用齿轮副传动,能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力,使用功率较小的马 达降低了其能源成本和制造成本。整个跟踪器的结构紧凑,刚度较高。传动装置设置在 个人资料整理仅限学习使用 转动架下。受到了较好的保护,提高了传动装置的寿命。 2.2.2 陀螺仪式跟踪器 图 2-2 陀螺仪式跟踪器 跟踪器的结构 20 :传动箱 1 固定安装在支架上,马达1 安装在传动箱1 上,传动箱 1 的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动
28、副,马达1 的输出轴连接蜗杆,环形支架安装在支架 上面(环形支架相对于支架可以转动,传动箱1 的输出轴连接环形支架,传动箱2 固定 安装在环形支架上,马达2 安装在传动箱2 上,传动箱 2 内也是由蜗杆、蜗轮组成的运 动副。马达2 的输出轴连接蜗杆,接收器安装在环形支架上面( 接收器相对于环形支架可 以转动 ,传动箱 2 的输出轴连接接收器。 该跟踪器可以选择不同朝向安装,当按照上图的朝向进行安装时,跟踪器跟踪的实 现原理如下:当太阳光线发生偏移时,控制部分发出信号驱动马达2 带动传动箱2 中的 蜗杆、蜗轮转动,再输出带动接收器相对于环形支架转动,跟踪太阳由东向西的运动; 同时控制部分也发出信
29、号驱动由马达1 带动传动箱1 中的蜗杆、蜗轮转动,再输出带动 环形支架和接收器转动,跟踪太阳南北方向的运动,由此来实现对太阳的两个方向的跟 踪。 系统优点:该跟踪机构结构简单。对于两个方向的跟踪,都利用蜗杆、蜗轮副传 动,在紧凑的结构下得到很大的传动比,能使用功率很小的马达同时传递足够的动力, 使用功率小的马达降低了其能源成本和制造成本;蜗杆、蜗轮副的自锁性能好,能防风 防雨。结构紧凑,运动空间大。传动装置设置在传动箱内,受到了较好的保护,提高了 装置的寿命。 2.2.3 齿圈转动式跟踪器 机构结构 21 :马达 1 固定在支架上,马达1 的输出轴连接小齿轮1,小齿轮 1 与齿 圈 1 啮合。
30、齿圈 1 连接着主轴上,主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动,马达 2 安装在主轴前端的一块板上,马达2 的输出轴连接小齿轮2,小齿轮 2 与齿圈 2 啮合,齿 圈 2 连接着转动架,转动架安装在主轴上(转动架相对于主轴可以转动。 机构实现自动跟踪的原理:当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马 个人资料整理仅限学习使用 达 1 带动小齿轮 1 转动,小齿轮带动齿圈1 和主轴转动;同时控制信号驱动马达2 带动 小齿轮 2。小齿轮 2 带动齿圈 2 和转动架转动,通过马达1、马达 2 的共同工作实现对太 阳方位角和高度角的跟踪。 图 2-3 齿圈转动跟踪器 系统特点:该跟踪机构结构简
31、单,造价低。两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动 力,能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力,使用功率较小的马达降低了其 能源成本和制造成本;由于使用半个齿圈,能在紧凑的结构下得到较大的传动比。结构 紧凑,运动空间大。 2.2.4 本课题的机械设计方案 图 2-4 本课题的机械设计方案 机构结构:马达1 固定在支架上,马达1 的输出轴连接小齿轮1,小齿轮 1 与大齿 轮啮合。把齿轮连接着主轴上,主轴安装在支架上( 主轴相对于支架可以转动,马达2 安装在主轴前端的一块板上,马达2 的输出轴连接小齿轮2,小齿轮 2 与齿圈啮合,齿圈 连接着太阳能板,转动架安装在主轴上。 机构实现自动跟踪的原理:
32、当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马 达 1 带动小齿轮 1 转动,小齿轮带动大齿轮和主轴转动;同时控制信号驱动马达2 带动 小齿轮 2。小齿轮 2 带动齿圈和太阳能板转动,通过马达1、马达 2 的共同工作实现对太 阳方位角和高度角的跟踪。 个人资料整理仅限学习使用 2.3 跟踪方案的比较选择 目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多,但不外乎三种方式 22 :(1 视日运动轨迹 跟踪; (2光电跟踪; (3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案 做一个简要的介绍和比较。 2.3.1 视日运动轨迹跟踪 不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统,太阳运行的位置变化都是可以预
33、测 的,通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。 太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便,操作性强,但也存在轨迹坐标计算没 有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的 具体值却严格已知,同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关,于是通过天 文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系 23 。 根据太阳轨迹算法的分析,太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。 在应用中,全球定位系统(GPS 可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间,控制系 统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置,以保证系统的准确定位和跟踪 的高准确性和高可
34、靠性。 在设定跟踪地点和基准零点后,控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳 的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号,实现 跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后,跟踪装置停止跟踪,按照原有跟踪路 线返回到基准零点。 参考目前世界通用的算法,涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法 24 : 算法 l ,采用 中国国家气象局气象辐射观测方法;算法2,采用世界气象组织气象和观测方法。 由此可以看出,该种跟踪方案不论采取何种算法,算法过程都十分复杂,计算量的 增大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统,无角度反馈值做比较,因 而为了达到高精度跟踪的要求,
35、不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求,而且与仪 器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始 化安装时,仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时,还要通过仪器底 部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平,使仪器的高度角零点处于地面水平面 内。 2.3.2 光电跟踪 传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式,这种跟踪系统, 25 原则上由三大部件 组成: 位置检测器、控制组件、跟踪头。其跟踪系统框图如图2-5 所示。位置检测器主要 由性能经过挑选的光敏传感器组成,如四象限光电池、光敏电阻等。控制组件主要接受 从位置检测器来的微弱信号,经放大后送到跟踪头,
36、跟踪头实为跟踪装置的执行元件。 个人资料整理仅限学习使用 图 2-5 跟踪系统框图 下面对2001 年应用光学杂志介绍的一种五象限法太阳跟踪仪做一简单介绍 26 ,下图为五象限光电转换器原理。在半径为R 的大圆内有一个半径为R /2 的小圆, 将大圆与小圆之间的圆环分成四个象限。每象限的分界线与X 轴均成 45 度,小圆为第V 像限。 图 2-6 五象限光电转换器原理 在上述 5 象限中为跟踪定位测向象限,V象限为主测象限。将5 片面积、性能、参数 相同的光电池安装在所设计的5 个象限内,当阳光照射到5 片光电池上时必然产生光电 流,光电流强度与光强成正比。 为了测量准确,在光电池前放置可调光
37、学镜筒,将一个凸透镜放在镜筒前,透镜安 放在镜筒的最外沿,如图2-7 所示。当光线经过透镜照到镜筒底部的5 片光电池上时, 调节筒的长度,使光斑正好完全覆盖5 片光电池。当太阳光与光轴成一角度时,光线经 过透镜照射到5 片光电池上形成的光斑必然发生偏移,如图2-8 所示。阴影部分为光线 照到的部分,此时有的光电池不能被光斑完全覆盖,因此各光电池产生的光电流不尽相 同,将光电流差经过一系列处理后输入到跟踪头,驱动电机动作, 调节跟踪装置 , 直到 4 个象限光电池输出的光电流相等,此时太阳光线与透镜光轴平行,驱动电机无动作。 为了使测量跟踪装置更安全、可靠,该装置采用V 象限主测光电池进行光强测
38、量和 判断,使装置在夜晚停止工作。将第V 象限的电压 V1 与外来控制电压V2 进行比较,可 选择合适的V1 控制测量跟踪装置的工作状态,在夜晚时V2V2 ,装置正常工作。 图 2-7 镜筒结构 图 2-8 光线与光轴不垂直时 理论上,镜筒越长,光电池的灵敏度愈高,但是镜筒长度和透镜的参数也有关系, 不可能无限制增长,通常镜筒长度,以取10-30cm 为宜。系统的位置精度,基本决定于 传感器的精度,因此能够比较容易实现跟踪装置具有较高的精确度,光电池只要能捕捉 到透镜聚焦的光斑就可以跟踪太阳,且结构设计较为简单。 但当长时间出现云遮后或早晨太阳刚升起时, 太阳光线与透镜光轴的夹角超过一定的 角
39、度范围,由于镜筒结构的限制,透镜聚焦的光斑无法被光电池捕捉到这时跟踪装置便 无法跟踪太阳,甚至引起执行机构的误动作。因而该种跟踪装置只能在一定的角度范围 内实现高精度跟踪,其跟踪范围跟镜筒结构有关。 2.3.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 由上述讨论可知 27 ,开环的程序跟踪存在许多局限性,主要是在开始运行前需要精 确定位,出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时,需要定期的人为调整 跟踪装置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错 误跟踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点,电机往复运行,造成了能 源的浪费和部件的额外磨损。 如果两者结合
40、,各取其长处,可以获得较满意的跟踪结果。在视日运动轨迹跟踪的 基础上加两个高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时,用两片高精度角度传感器初 个人资料整理仅限学习使用 始定位,在运行当中,以程序控制为主,角度传感器瞬时测量作反馈,对程序进行累积 误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。 这种跟踪方案跟踪精度高,工作过程稳定,应用于目前许多大型太阳能发电装置。 但计算过程十分复杂,高精度角度传感器成本也很高,对于需要降低成本的小型太阳能 利用装置来讲,该种跟踪方式并不十分适用。 2.3.4 本设计的跟踪方案 光敏电阻光强比较法。 本设计的光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻
41、在光照时阻值发生变化的原理,将 两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光垂 直照射太阳能电池板时,两个光敏电阻接收到的光强度相同,所以它们的阻值相同,此 时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时,接收光强多的光敏电阻阻 值减少,驱动电动机转动,直至两个光敏电阻上的光照强度相同,称为光敏电阻光强比 较法。 个人资料整理仅限学习使用 3 机械设计部分 3.1 太阳能自动跟踪系统机械设计方案 图 3-1 自动跟踪系统机械设计方案 机构结构:步进电机 1 固定在支架上,步进电机1 的输出轴连接小齿轮1,小齿轮 1 与大齿轮啮合。齿轮连接着主轴上,主轴安装在
42、支架上( 主轴相对于支架可以转动,步 进电机 2 安装在主轴前端的一块板上,步进电机2 的输出轴连接小齿轮2,小齿轮 2 与齿 圈啮合,齿圈连接着太阳能板,转动架安装在主轴上。 机构实现自动跟踪的原理:当太阳光线发生偏离时。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1 带动大齿轮和主轴转动;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转动,通过步进电机1、步进电机 2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。 3.2 第一齿轮转动计算 3.2.1 材料选择 齿圈及齿轮的材料选用渗碳钢,热处理为渗碳淬火。 3.2.2 尺寸计算 初选模
43、数 m=4mm, 中心距 a=260,转动比 i=4 。 一般齿轮齿数 Z1=25,分度圆螺旋角=8到 15 度 。 初选齿轮齿数 Z1=25,分度圆螺旋角=10度,则齿轮齿数 Z2=iZ1=425=100。 分度圆直径: 小齿轮直径, 取 d1=100mm 。 大齿轮直径,取 d2=405mm 。式 接触寿命系数 ZN:查文献 28 图 12.18 得 =1.2 , =1.3 。 许用接触应力 式(3.9 验算许用接触应力 式(3.10 计算结果表明,接触疲劳强度较为合适,齿轮尺寸无需调整。 3.2.4 齿根弯曲疲劳强度验算 重合度系数 齿间载荷分配系数 式(3.11 则齿向载荷分布系数=1
44、.3 载荷系数 K 个人资料整理仅限学习使用 式(3.12 齿型系数 YFa: 查文献 28 图 12.21 得: 应力修正系数 Ysa:查文献 28 图 12.22 得: 弯曲疲劳极限: 查文献 28 图 12.23c 得1=600MPa ,2=450MPa 。 查文献 28 表 12.14 得弯曲最小安全系数SFlim1=1.6 。 应力循环次数 式(3.13 原估计应力循环次数正确。 弯曲寿命系数 尺寸系数 : 查文献 28 图 12.25 =1.0 。 许用弯曲应力 式(3.14 验算许用弯曲应力 个人资料整理仅限学习使用 式(3.15 齿根弯曲疲劳强度验算满足。 3.3 第二齿轮转动
45、计算 3.3.1 材料选择 大齿轮及小齿轮的材料选用渗碳钢,热处理为渗碳淬火。 3.3.2 尺寸计算 初选模数 m=3mm, 转动比 i=4 。 一般 Z1=25,=8到 15 度 齿间载荷分配系数 则齿向载荷分步系数=1.38 载荷系数 K 式(3.17 齿型系数 YFa:查文献 28 图 12.21 得 YFa1 =2.5,Y Fa2=2.06 。 应力修正系数 Ysa:查文献 28 图 12.22 得 Ysa1=1.63,Ysa2=1.97 。 弯曲疲劳极限: 查文献 28 图 12.23c 得=600MPa,=450MPa 。 查文献 28 表 12.14 得弯曲最小安全系数。 查机械
46、设计表12.15 得指数 m=49.91 。 式 验算弯曲应力 式(3.20 齿根弯曲疲劳强度满足。 3.4 轴瓦校核计算 3.4.1 大轴瓦校核计算 取 B/d=1, 轴颈直径 d=100mm, 则有效宽度 B=100mm。 试取=180度计算 轴承压强 式(3.21 轴承速度 式(3.22 PV值 式(3.23 错误 !轴承材料 : 选 ZCrSn10P1 最大许用值 P=15MPa,v=10m/s ,PV=15m/s,最高工作温度280,最高轴颈硬度 200HB ,抗咬合性 3,顺应性 / 嵌藏性 5,耐蚀性 1,耐疲劳性 1。 错误 !润滑剂和润滑方法选择,选择润滑牌号,自定机械油 A
47、N32 。 设平均油温 t=50 度。 下油的运动粘度 V=20/s 下油的动力粘度 式(3.24 个人资料整理仅限学习使用 润滑方法选择 式(3.25 选择针阀式注油油杯润滑。 错误 !承载能力计算 相对间隙 式(3.26 取 轴转速 式(3.27 索氏数 式(3.28 偏心率 错误 !层流校核 半径间隙 式(3.29 临界雷洛数 式(3.30 轴承雷洛数 式(3.31 满足层流条件 错误 !流量计算 流量系数v=0.075 轴承润滑油的体积流量 式(3.32 功耗计算 摩擦特性系数 摩擦系数 个人资料整理仅限学习使用 摩擦功耗 油温升 式(3.33 进油温度 出油温度 均符合要求。 错误
48、!安全度计算 最小油膜厚度 式(3.34 轴颈表面粗糙度,由加工方法精磨得=1.6。 轴瓦表面粗糙度,由加工方法精车得=3.2。 安全度 式(3.35 3.4.2 小轴瓦校核计算 取 B/d=1, 轴颈直径 d=89mm,则有效宽度 B=89mm。 试取=180度计算 轴承压强 轴承速度 PV值 个人资料整理仅限学习使用 错误 !轴承材料 选 ZCrSn10P1 最大许用值 :P=15MPa,v=10m/s ,PV=15m/s,最高工作温度280 度,最高轴颈 硬度 200HB ,抗咬合性 3,顺应性 / 嵌藏性 5,耐蚀性 1,耐疲劳性 1。 错误 !润滑剂和润滑方法选择选择润滑牌号,自定机
49、械油 AN32 。 设平均油温 t=50 度。 下油的运动粘度 V=20/s 下油的动力粘度 润滑方法选择 选择针阀式注油油杯润滑。 错误 !承载能力计算 相对间隙 取 轴转速 索氏数 偏心率 错误 !层流校核 半径间隙 临界雷洛数 轴承雷洛数 满足层流条件 流量计算 流量系数v=0.075 个人资料整理仅限学习使用 轴承润滑油的体积流量 错误 !功耗计算 摩擦特性系数 摩擦系数 摩擦功耗 油温升 进油温度 出油温度 均符合要求 错误 !安全度计算 最小油膜厚度 轴颈表面粗糙度,由加工方法精磨得=1.6。 轴瓦表面粗糙度,由加工方法精车得=3.2。 安全度 3.5 键联接计算 3.5.1 主轴与大齿轮的键联接 选用普通圆头键联接。 取直径 d=100mm 则键的截面尺寸为: b=20mm, 高 h=12mm, 键长 L=120mm 。 个人资料整理仅限学习使用 键的接触长度 键的材料选用 45 钢,则 联接所能传递的转矩 式(3.36 所以满足要求。 3.5.
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