太阳能自动跟踪系统设计.docx

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太阳能自动跟踪系统设计

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

Abstract

Humanbeingisseriouslythreatenedbyexhaustingmineralfuel,suchascoalandfossiloil.Asakindofnewtypeofenergysources,solarenergyhastheadvantagesofunlimitedreserves,existingeverywhere,usingcleanandeconomical.Butitalsohasdisadvantages,suchaslowdensity,intermission,changeofspacedistributingandsoon.Thesemakethatthecurrentseriesofsolarenergyequipmentfortheutilizationofsolarenergyisnothigh.Inordertokeeptheenergyexchangeparttoplumbupthesolarbeam,itmusttrackthemovementofsolar.Inthispaper,thesolartrackingsystemofthemechanicalpartandcontrolsystempartaredesigned.

First,themechanicalpartisdesigned.

Mechanicalstructuremainlyincludesthemainspindle,steppingmotors,gearsandgearring,andsoon.Whenthesun'srayshasadeviation,smallgeararerotatedbysteppermotoraccordingtothecontrolsignalfromMCU.Andthelargegearandmainspindleisrotatedbysmallgearinordertotracktoachievetheleveldirection.Atthesametime,anothersmallgearisrotatedbyanothersteppermotoraccordingtothecontrolsignal.Andthelargegearandthesolarpanelsarerotatedbythesmallgearinordertotracktoachievetheverticaldirection.Solaristrackedbythetwosteppermotorstogether.

Second,controlsystempartisdesigned.

Controlsystemmainlyincludesthesensorspart,steppermotor,MCUsystemandthecorrespondingexternalcircuit,andsoon.Photoelectricdetectionsystemisusedtotracksolar.Sensorsusephotosensitiveresistance.Thetwosamephotosensitiveresistanceswereplacedineastandwestdirectionofthebottomedge.Whenthetwophotosensitiveresistancesreceiveddifferentlightatthesametime,thesignalfromcomparisoncircuitissenttoMCUinordertorotatesteppingmotors.

KeywordsSolarenergyTrackingPhotosensitiveresistanceSCMSteppingmotor

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，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960×104km，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50×1018KJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2·A，中值为586KJ/cm2·A。

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/cm2·A，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244.6天，年平均云量高达8.4。

其它地区的太阳年辐射总量居中。

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，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