太阳自动跟踪装置的设计详解文档格式.docx
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Storagebattery
英文摘要
1绪论
1.1课题来源及意义
目前,世界能源结构主要还是以化石燃料为主，但化石能源在逐渐迅速锐减。
由于化石燃料的终将会枯竭的局限性，人们不得不开发新能源。
当代社会能源危机蓄势待发，能源紧缺问题十分严重。
所以作为新能源的太阳能在人们生活中的地位越来越重要。
但是地球的自传与公转一直影响着太阳能的利用率，所以需要一种太阳自动跟踪装置来克服这一弊端。
为了加强对太阳能的开发，研究人员开始研制各种太阳自动跟踪装置［1］。
就目前的系统及装置来看有着耗能多，效率低等各种的弊端，因此太阳自动跟踪装置必须需要大量的科研人员去更新完善它。
所以选取太阳自动跟踪装置为我的设计课题。
太阳能的开发是当今社会的热点，更是为人类提高一切能量的源泉。
以太阳自动跟踪装置为设计内容有着非常重要的意义。
首先对学习机电一体化的学生来说一种很好学习机会，因为此设计需要充分的结合机械和电相关知识。
所以需要学生掌握扎实的机电一体化知识来完成。
其次完成此设计需要阅读大量的相关论文、文章等。
所以要优秀的完成此设计对学生有着很高的要求，这将督促自己学习和接触更多机电一体化的前沿知识。
由于太阳能独特地位，太阳自动跟踪装置也有着丰富的研究案例，其研究都相对比较成熟。
这些成功的设计为后学者开辟了更好的道路。
所以太阳自动跟踪装置研究道路有着大好的前景。
1.2太阳跟踪装置研究背景
1.2.1能源的利用及其现状
能源对于我们社会的发展有非同寻常的意义。
如今，世界上绝大多数国家尤其是发展中国家是以化石燃料为主要能量来源。
由于矿物质燃料终将用尽，所以世界各国都开始寻找代替矿物质燃料的新能源了。
即使矿物质燃料在可见的未来任然在能源比重中占主要位置，但人们对新能源的开发利用也开始重视，在能源结构比例中新能源日益重要。
据对发电系统的数据统计发现，在20世纪末，前者以每年1%的速率增长，而后者每年增长20%以上。
这一数据足以表明后者在人们心中的地位。
随着矿物质燃料日益枯竭，太阳能将会成为和最主要的能源。
1.2.2太阳能的地位
表1-1各能源剩余数据
名称
天然气、石油
煤
核能
太阳能
年限
60年
300年
100年
无限
由表1-1可以发现太阳能有着取之不竭、用之不竭的优势［2］。
因此，如果不去开发新能源，全世界将会面临能源枯竭的尴尬局面。
全世界公认太阳能在新能源中占有重要的比例，太阳在40分钟向地球照射的能量相对于地球上的全部能量。
太阳光线可以到达地球的每个角落，不必需要远距离的传输介质，无噪声，无污染。
正因为这些太阳能具有其他能源无法比拟的优势，所以太阳发电得到了飞速发展。
我国领土位于世界第三，所以有着非常丰富的太阳能资源。
据统计，一年内我国领土可以接收到太阳能50*1018KJ。
被誉为“日光城”的拉萨市，太阳年辐射量为816KJ/cm2,是太阳照射最多的地方。
因此我国尤为适合发展太阳能资源。
但是因为地球的自传和公转给太阳能的利用带来困难。
因此，需要各类太阳自动跟踪装置来提高太阳能的利用率，让太阳能成为我国能源的主要来源。
实验得出使用装置可提高太阳能源的利用率25%左右，所以有必要发展太阳自动追踪装置。
随着社会的发展，人类直接利用太阳能技术的有三大领域，第一光电转换领域，第二光热转换领域，第三光化学转换领域，再者还有储能技术。
19世纪30年代末，研究人员已经发现光电效应。
20世纪50年代，研究人员发明了硅晶片，其可以实现光电的转换。
不久后，利用太阳能发电的技术也被发明。
1990年，德国使用太阳房屋计划，并取得了显著成效。
1992年日本称之为阳光计划的决策的开始实施，并取得了很大的进步。
此外，各个发达国家也开始投入了大量的人力物力进行太阳能的开发利用。
在进20多年来各国科学家都开始了太阳能技术的研究。
1992年研制成功了太阳能灶的跟踪系统，两年之后《太阳能》杂志发文说明了单轴液压自动跟踪器，自此出现了太阳自动跟踪装置，1990年，我国研制成功了用来检测太阳辐射的全自动跟踪系统。
发展至今，对太阳的跟踪方式主要分为三种，分别是光电跟踪，视日轨迹跟踪以及混合跟踪。
光电跟踪是以感光元件实时信号输出为依据，通过对伺服电机的控制来实现对太阳光线的跟踪,此装置灵敏度、较高，结构设计简单，但容易受到阴天的影响。
视日跟踪系统可分为单轴跟踪和双轴跟踪。
单轴跟踪是根据对太阳赤纬度角的变化的计算，跟踪平面绕转轴做俯仰运动来跟踪太阳。
但是无法保证阳光和收集面保持垂直，因此收集率不高。
双轴系统根据计算的太阳方位角和高度角变化，跟踪平面在两个方向上运动，保证阳光与收集面垂直,对机械结构精度要求高，实时跟踪所消耗的能量较大。
混合跟踪是将光电跟踪和视日跟踪相结合的跟踪方式。
如王世军通过视日运动轨迹方式作为主控程序，再通过太阳检测装置俩判断是否跟踪。
赵建华研制的系统在太阳辐射较强时，利用光电传感器反馈进行跟踪，当天气条件变差时转为视日运动轨迹跟踪。
1.3太阳能跟踪装置的国内外发展现状
为了提高太阳能的利用率，太阳自动跟踪装置在二十世纪得到了飞速的发展［4］。
我国在1997年研制成功了单轴追踪器，并实现了东西方向的自动跟踪，但是南北方向需要根据四季的变化手动调节。
对之前的装置来说已经有了很大的提升。
在1998年，美国科学家成功研制出了双轴跟踪器，并在光伏板上安装了许多透镜片，这样大大提升了光伏板对太阳能的吸收率。
2002年美国亚利桑大学成功发明新型的太阳自动跟踪装置，该装置用控制电机的方法实现了自动跟踪，而结构采用铝合金框架，这样在很大程度上减轻了装置呢质量，使太阳自动跟踪装置推广到了很多领域。
在近些年，国内专家也开始该方面的研究。
1992年，太阳灶自动跟踪装置被研制成功。
至今，太阳自动跟踪装置跟踪方法丰富多彩，但归纳起来大体分为两种，一种是以闭环随机系统为基础的光电追踪方式，第二种是以开环的程控系统为基础的视日轨迹跟踪系统。
为了进一步提高太阳能的利用率，未来将从三个方面进行改进第一太阳光接收率、第二能量转换效率，第三平台。
1.4小结
通过对现有太阳自动跟踪装置分析对比，找出最优方案，确定自己的方案，使自己的研究有独特的创新点。
提升自己的自主创新能力。
设计机械部分，按照机械设计的方法：
①选取原动机②设计传动部件③设计执行机构。
机械部件设计注意事项：
尽量避免选用非标件；
考虑设计机构的寿命；
考虑加工工艺性；
考虑资源节约、环境友好型。
Proe建三维模型、防震，让设计更加直观的反映出来，也好找出其中的弊端，对设计进行修改、优化。
设计控制部分，首先是对感测部分的设计、设计要求高精度、低能耗、高效率。
再者选取控制方式及芯片，要去控制方式低能耗、高效率。
最后对控制部分用peoteus绘图及仿真，验证控制的可靠性及完善修改。
第一章绪论部分，主要阐述研究此课题的意义及应用前景，最后说明研究的内容。
第二章总体设计的阐述。
具体是设计方案的确定以及方案的优点对比。
确定设计思路及设计计划。
第三章机械部分的设计，原动件的选取，传动部件的设计以及执行机构的设计，最后总体框架的设计。
第四章控制部分的设计，感测部件、单片机及其外围电路的设计，程序编制。
最后论文的总结及致谢。
2太阳自动跟踪装置总体方案
2.1太阳运动规律
2.1.1太阳高度角和方位角数学模型建立
首先依据太阳运动规律计算某地经纬度，时间与水平面对应的高度角、方位角，接着计算追踪装置对应角度，来控制原动件。
太阳高度角、方位角的建立;
地球的一直在自传与公转。
太阳赤纬度角是地球的赤道平面和地球中心连线的夹角。
春分、秋分此角度为零度。
夏至、冬至赤纬度角分别为南北纬23度27分［9］。
按照Cooper方程可计算可计算太阳赤纬度角σ：
σ=23.45°
·
sin[360°
（284+n）/365]（2-1）
式中：
n是按天数顺序排列的积日，一年的开始为0，以此类推。
在一天里太阳角度随着时间变化的角度可由太阳时角ω表示，中午此角度为0，以每小时15°
的角度变化。
早上到晚上角度从正变为负。
用公式表示为
ω=（t-12）·
15°
（2-2）
公式中：
T为当地时间。
所以，太阳高度角hs的计算式为：
Sinhs=sinδ·
sinψ+cosψ·
cosδ·
cosω
ψ为当地的地理纬度。
太阳方位角As的计算公式为：
cosAS=cosδ·
sinω/coshs
综上所述，根据某地纬度和时间便可由公式计算出太阳的俯仰角和方位角。
2.1.2跟踪系统运动特性分析
根据上述计算公式，已知某地地理位置（37°
28´
11´
´
，118°
32´
12´
）,用模拟软件对一年的冬夏至，春秋分，分别模拟出两跟踪轴的转角在一天中的变化规律，从而实现对跟踪系统运动特性分析［9］。
如图2-1、2-2分别是用matlab模拟出的俯仰轴和方位轴变化规律。
由图可得12俯仰轴在中午之后需要按相反的方向转动，并在夏至是出现最大转动范围。
而方位轴在夏至日是变化范围最大。
以上可得出俯仰轴变化范围是0°
～90°
，方位轴变化范围是-120°
～120度。
所以确定装置在两个方向的极限位置。
图2-3、2-4俯仰轴和方位角轴的转速和时间的变化曲线。
由图可得，俯仰轴的最大转速是12°
/h。
方位轴转速一年内变化不大，可看为匀速，因此方位轴所需转矩较小。
综上所述，自动跟踪系统两个运动轴的转速都非常小，可每隔一段时间，运动轴快速调整一次角度，其余时间固定不动，如此循环形成间歇跟踪太阳的方案，从而减小步进电机的运行次数，降低能耗。
图2-1俯仰轴变化曲线图
图2-2方位角轴变化曲线
图2-3俯仰角轴速度变化曲线
图2-5方位角轴速度变化曲线
2.2跟踪装置方案的确定
2.2.1齿轮-丝杠式跟踪装置
齿轮-丝杠式跟踪装置如图2-6所示，其结构主要由方位角轴和高度角轴构成。
电机A和丝杠直接连接，然后由丝杠转动控制装置的高度角。
电机B通过小齿轮减速、传动带动大齿轮控制方位轴从转动。
跟踪原理:
当太阳发生斜射时，感测部件发出信号给控制芯片，然后驱动电机转动。
如果是南北方向出现斜射，控制器将驱动电机B转动，接着通过一级齿轮减速，降低扭矩，带动方位轴转动，然后是太阳板转动，感测部件和太阳板同时转动。
直到太阳光直射时控制器急需发出信号停止电机转动，如此便实现了南北方向的定位追踪。
当东西方向发生斜射时检测部件向控制器发出信号，控制器驱动电机B转动，电机B直接电动丝杠转动，调整太阳能板高度角发生变化。
最终使太阳光直射在太阳板上，实现东西方向上的的定位。
由方位轴，高度角轴同时作用就实现多维度的实时定位。
齿轮-丝杠式跟踪装置的优点整体装置灵敏度较高，结构简单，电机的要求较低。
因为有丝杠，所以高度角变化较大，调整方便。
容易实现跟踪，对检测器的精度要求较低。
使用方便。
该装置的缺点，由于丝杠需要较大的行程，所以对丝杆的刚度较高，因此决定太阳板的质量不能过大，所以适用范围窄。
因为底座较小，且所有质量压在了方位轴上，所以底座与低的链接需要较高的要求。
图2-6齿轮-丝杠太阳自动跟踪装置
2.2.2立柱旋转式跟踪装置
跟踪器的机构（19）是由方位轴俯仰轴组成，如图2-3。
大齿轮、方位轴和底座固连，小齿轮电机和转动架固连。
转动是由电机带动小齿轮围绕大齿轮做圆周运动。
转动架上有俯仰轴和带动俯仰轴的电机。
跟踪装置的跟踪原理是，当太阳光发生折射时，控制器发出信号分别驱动两个电机。
电机1带动小齿轮自传，同时围绕大齿轮公转，最后带动转动架转动，从而让太阳板实现方位上的变化。
电动机2和俯仰轴直接固连，电机的转动直接带动太阳板在高度方向上的改变，继而实现高跟方向上的追踪。
两轴联合起来就能实现多自由度的太阳光线跟踪。
立柱旋转式跟踪器的优点结构简单，跟踪精度练好，适用范围是体积较小的太阳板。
缺点是适用范围小，俯仰轴转矩较小，对电机要求较高，所以装置的寿命较短。
由于俯仰轴转动角精度对检测器的要求较高。
图2-7立柱旋转式跟踪装置
2.2.3机械臂式太阳自动跟踪装置
机械臂式太阳自动跟踪装置机械结构如图2-8所示。
其结构主要有底座、连接支架、旋转箱构成。
旋转箱内装有方位角轴和高度角轴的两个步进电机，其密封性良好，可以起到保护电机的作用。
其中方位角轴电机带动箱体东西方向旋转，从而带动反光镜东西转动，高度角轴电机带动反光镜南北向转动。
底座固定阴暗区域上部可以采集光线的地方，以便将采集到的太阳光反射进来。
同时该机械传动装置悬空安装，适用于各种结构形式的屋顶。
连接支架可以根据安装位置进行调整，保证反光镜获取最佳的反射角.。
工作原理是当太阳光发生折射时，控制器发出信号分别驱动两个电机。
方位角轴带动轴传，最后带动转动架转动，从而让太阳板实现方位上的变化。
高度角轴电机直接和高度角轴相连，电机的转动直接带动太阳板在高度方向上的改变，继而实现高跟方向上的追踪。
机械臂式太阳自动跟踪装置主要适用于空间狭小的场合，底座可安装在垂直的墙上［6］。
质量轻，轻捷、便利，可供家庭照明使用。
由于密封性较好，电机等机构比较耐用，所以寿命相对较长。
因为结构比较小，所以定位较为精确，效率较高。
正因为结构较小，所以限制了其使用范围。
图2-8机械臂式太阳自动跟踪装置
2.2.4本课题的设计方案
图2-9太阳自动跟踪装置结构示意图
1—底座；
2—方位轴电机；
3—方位轴大齿轮；
4—方位轴小齿轮；
5—方位轴；
6—支撑板；
7—俯仰轴电机；
8—俯仰轴支架；
9—俯仰轴小齿轮；
10—俯仰轴；
11—俯仰轴大齿轮；
12—太阳板支架；
13—太阳板底座
2.2.4.1装置介绍
通过对以上各方案的对比，综合其各个优点，设计出了自己方案，为适应较大场合的使用，高度角轴（俯仰轴）上也采用一级减速齿轮副，这样即可以承受较大质量的太阳板也降低了对电机的要求。
方位轴将电机布置在底盘上可减轻对方位轴的要求也提高了定位精度，可适用于各种场合。
如图2-9,机构示意图所示，该方案由方位角轴和俯仰角轴构成。
两轴都有一级减速齿轮进行传动，分别俯仰轴电机和方位轴电机驱动。
其工作原理是：
当太阳光线在南北方向出现斜射时检测器发出信号，控制器发出脉冲信号，驱动器驱动步进电机，再通过方位轴的一级齿轮传动，带动方位轴转动，最终带动太阳板在南北方向做出调整，当达到直射情况时检测器再次发出信号，控制步进电机停止运动。
这样便实现了南北方向的定位。
相同，当太阳光线在东西方向出现斜射时检测器发出信号，控制器发出脉冲信号，驱动器驱动步进电机，再通过俯仰轴的一级齿轮传动，带动俯仰轴转动，最终带动太阳板在东西方向做出调整，当达到直射情况时检测器再次发出信号，控制步进电机停止运动。
这样便实现了东西方向上的定位。
两轴联合起来就可实现太阳光线的自动跟踪。
图2-10是proe创建的三维模型。
图2-10太阳自动跟踪装置三维模型
2.2.4.2结构说明
如图2-10所示方位轴与底盘之间可以相对转动，由于方位轴轴向需要承受装置的大部分重量，同时在径向需要承受摩擦阻力、风的阻力以及惯性力矩，所以由两个圆锥滚子轴承链接。
方位轴和底板的轴向链接是螺栓挡板组成，径向链接由两个紧定螺钉和螺栓挡板在径向上的分力承担。
俯仰轴需要承受太阳板的转动力矩且转动相对方位轴频率较高，所以俯仰轴和支撑肋板用角接触球轴承。
为减轻质量太阳底板采用工程塑料。
为了优化结构，所以方位轴电机安装在底盘上，俯仰轴电机安装在了底板上。
为了减轻转动惯量和质量各个肋板及底板均设计了槽或孔。
其原动件选用控制较为简单且定位精确的步进电机。
2.2.4.3控制方案的选择
太阳自动跟踪方案有多种，如今比较成熟的有视日轨迹跟踪、光电传感器跟踪以及两者综合起来使用，前者顾名思义是由预先设计好的程序控制整天的自动跟踪。
光电传感器跟踪是由检测部件实时检测发出信号进行跟踪。
由于时日轨迹跟踪精度较低且需阶段性的更换程序，自动化程度相对较低所以该设计的控制方案选用光电传感器跟踪，但此跟踪方案耗能较高，所以在此基础上进行了改进，在控制器中添加了时钟电路一达到自动阶段性跟踪，即将控制变化角较小的方位轴的控制方案改为一小时自动跟踪一次，这样既提高了跟踪精度也降低了跟踪装置自身的能耗。
由于传感器的发展应用，检测器丰富多彩，太阳自动跟踪装置检测部件也是相当成熟。
应用较为广泛的是光电传感器跟踪和光伏板的跟踪。
光电传感器需要光敏电阻进行感测，灵敏度角高，但是其产生的信号较弱，需要复杂的放到电路放大后传输给控制器。
所以选用光伏板直接传输较大的电压信号，这样便可去除复杂的放大电路，同时也降低系统自身的能耗。
如图2-11是光伏板检测部件的实物图。
图2-11感测部件实物图
2.2.4.4控制部件及其外围电路器件的选取
控制器选用应用较为成熟的AT89C51单片机。
步进电机驱动器选用ULN2003芯片进行驱动。
这样可以降低系统自身的能耗。
具体介绍请参考第四章控制部分。
3机械部分的设计
机械部分的设计主要包括电机的选用计算；
齿轮的设计计算；
轴承的选用校核；
轴的设计计算键的选用校核；
整体框架的设计和重要螺钉的校核。
设计完后用proe建三维模型，进行仿真，然后优化。
3.1步进电机的选取
3.1.1总体质量的估算
表3—1质量估算表
质量（kg）
底座M1
0.252*3.14*0.05*7.2*103-40=30
方位轴M2
0.042*3.14*0.25*7.2*103=9.0432
支撑板M3
0.25*0.5*0.03*7.2*103-7=20
俯仰轴支架M4
0.24*0.03*0.25*7.2*103-3=10
俯仰轴M5
0.032*3.14*0.3*7.2*103=6
太阳板支架M6
0.18*0.15*0.02*7.2*103=4
太阳板底座及太阳板M7
6
其余质量估算M8
8
总体质量M
93
步进电机选取的条件，首先根据太阳板的质量确定负载，然后计算转动惯量，最后求折算到电机轴上的转动惯量。
计算数据和许用值进行比较。
再查找电机启动、停止频率特性选取电机［10］。
转矩和惯量匹配条件的计算
为了使电机具有较快的响应速度，通常需满足
TL/Tmax<
=0.5
JL/Jm<
=4（3-1）
式中Tmax——步进电机最大静力矩，N·
m；
TL——换算到电机轴上的负载转矩，N·
Jm——步进电机转子的最大转动惯量，kg·
m2;
JL——折算步进电机转子上的等效转动惯量，kg·
m。
3.1.2俯仰轴电机的选取
（1）负载的计算
太阳板、支架及底座质量
M1=3kg+1kg+2kg=6kg
俯仰轴需承受负载
G=M1·
g=60N
已知：
L=20cm小齿轮直径d2=5cm太阳板支架长度L1=15cm
俯仰轴上的负载
T1=L1*G=60*0.15=9N·
m
折算到电机轴上的负载扭矩
TL=（T1/d1/2）*d2/2=2.25N·
（2）转动惯量的计算
太阳板支架的转动惯量（回转轴过杆的端点并垂直于杆）
I1=M*L2/3=20*（0.1588）2/3=2.281*10-4kg·
m2
大齿轮转动惯量
I2=1/2M1*R12=1/2*0.036*0.04=7.2*10-4kg·
小齿轮转动惯量
I3=1/2M2*R22=1/2*3.5*10-6kg·
折算到电机轴上的转动惯量
IL=I1+I2+I3=9.4*10-4kg·
综上所述，由公式2—1得
Tmax>
=TL/0.5=2.5N·
Jm>
=IL/4=2.305*10-4kg.m2
3.1.3方位轴电机的选取
方位轴负载主要分为惯性力矩及各传动间的摩擦阻力。
方位轴负载的估算T2=5N·
TL=T2/（d3/2）*d4/2=0.71N·
底板及底板以上零件的转动惯量
I4=1/2Mz*R12=0.5*46*0.062=8.28*10-4kg.m2
大齿轮
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