课程设计(太阳能跟踪器)_工学_高等教育_教育专区。太阳能跟踪器设计 引言 太阳能跟踪器是能够保持太阳能电池板随时正对太阳， 使太阳光的光线随时 垂直照射太阳能电池板的动力装置，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率。 由于地球的自转， 相对于某一个固定

　　太阳能跟踪器设计 引言 太阳能跟踪器是能够保持太阳能电池板随时正对太阳， 使太阳光的光线随时 垂直照射太阳能电池板的动力装置，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率。 由于地球的自转， 相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬 四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电 池板能够时刻正对太阳， 发电效率才会达到状态。目前世界上通用的太阳能 跟踪器都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳 所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到 PLC、单片机或电脑软件中， 也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地 区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定 数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设都很复杂，非专业人士不能够随 便操作。 本文提出一种基于单片机的固定轨迹粗略跟踪与光电传感器跟踪的 双模式太阳能跟踪控制器。 定轨迹跟踪方式是使跟踪装置的控制器根据相关的公 式和参数计算出白天太阳的位置，再转化成相应的脉冲发送给伺服驱动器，驱动 伺服电机实时跟踪太阳。 光电传感器跟踪控制是由普通光电传感器和暗激发 光控开关电路实现，地跟踪太阳光信号的点，提高太阳光能的利用率。 1.2课题背景 1.2.1能源现状及发展 据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1% 而太阳能发 电每年增长达20% 风力发电的年增长率高达26% 预计在未来的5-10年内， 可持续 能源将与矿物燃料相抗衡，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。 1.2.3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， 即光热转换、 光电转换和光化学转换， 此外，还有储能技术。 太阳能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 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， 保证太阳能设的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设的能量利用率。 1.4 课题研究的意义 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，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，如何限度的提高太阳能利用 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，一是提高太 阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接受率，前者属于能源转换领域，还 有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。理论分析表明：太阳的跟踪与非跟 踪，能量的接受率相差37.7%的跟踪太阳可使接收器的接收率大大提高，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。 1、太阳能跟踪器的现状 现阶段的太阳能跟踪器主要的工作方式有以下几种； 1）.压差式太阳能跟踪器 压力差式跟踪器的原理是：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产 生压力差，在压力的作用下，使装跟踪器重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质的不同， 可分为重力差式，气压差式，和液压式。该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需 电子控制部分及外接电源。但是，该机构只能用于单轴跟踪，精度很低。 2）.控放式太阳跟踪器 控放式太阳能跟踪器在太阳能接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力， 并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收 器向西偏转运动。该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是该机 构不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位机构；而且该跟踪器 只能用于单轴跟踪，精度低。 3).时钟式跟踪器 时钟式跟踪器是一种主动式的跟踪器，有单轴和双轴两种形式。其控制方法是定时法：根据 太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出 电动机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。其特点是电路简单，但由于 时钟累积误差不断增加，系统的跟踪精度很低；同时需外接电源，日夜不停的运转，浪费能 源。 4）. 比较控制式太阳跟踪器 利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理， 将四个完全相同的光敏电阻分别放置于太阳光 接收器的东南西北方向边沿处。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，东西（南北）两个 光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光 方向与电池板的法线有夹角时， 接收光强多的光敏电阻阻值减小， 信号采集电路可以采集到 光敏电阻的信号差值，控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电动机转动，直至两个光敏 电阻上的光照强度相同。 控制方式： 我们将时间式太阳能跟踪与比较式太阳能跟踪相结合， 使其在时间的粗略控制下进行较为精 确的控制。 1 7论文的研究内容 本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电追踪方式，可实现大范围、髙精度跟踪。论文 的主要工 作包括0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，装配图及其零件阁。 ③ 分析传感器工作原理，分析该传感器大范围、髙精度跟踪的可行性，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。 2太阳能自动跟踪系统总体设计 机械部分设计 机械部分我们采用市场上常见的立柱式跟踪器 对其进行改进使其在太阳角度跟踪方面更为。 本课题的机械设计方案 机构结构：电机1固定在支架上，电机1的输出轴连接小齿轮I小齿轮1与大齿轮 啮合。把齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架上生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：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：同吋控制信号驱动马达2带动小齿 轮么小齿轮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。 本课题的跟踪方案 国内外的跟踪方法很多，但是不外乎三种：（1）视日运动轨迹跟踪；（2）光电跟踪；（3）视 日运动轨迹和光电跟踪相结合。 我们选用视日运动和光电跟踪相结合， 利用光敏电阻光强比较进行跟踪。 本设计的光敏器件选为 光敏电阻。 利用光敏电阻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]^照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到 的光强&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皮相同， 称为光敏电阻光强比较法。 机械部分设计计算 轴瓦校核计算 大轴瓦校核计算 取 = 1，轴颈直径d = 100mm，则有效宽度B=100mm d B 试取β = 180° 计算 轴承压强 F 5000 P= F Bd 0.1×0.1 = 5000 =0.5Mpa 轴承速度 V= πdn 60×1000 =5.24m/s PV值 PV=0.5× 5024 = 2062MPa ? m/s 1 轴承材料：选ZCrSn10P1 ○ 许用值[P]=15Mpa,[v]=10m/s，[PV]=15m/s，工作温度280C° ，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。 2 润滑剂和润滑方法选择，选择润滑牌号，机械油AN32。 ○ 设平均油温 t = 50C° 油的运动粘度 V = 20mm /s 油的动力粘度 η=νp=20×10 润滑方法选择 k= 选择针阀式注油油杯润滑 3 承载能力计算 ○ ?6 2 × 900 = 0.018 ? pν = 3 0.5 × 5.24 = 8.49 3 相对间隙 φ = 0.6 ? ?1 × 10 取φ = 0.001 轴转速 ω= 索氏数 S0 = 偏心率ε = 0.24 4 层流校核 ○ 2πr 60 1000 60 ?3 4 ν = 0.6 ? ?1 × 10 ?3 4 5.24 = 0.009 ? ?0.0015 = 2π × = 104.7rad/s Fφ 2 Bdηω = 5000 × 0.001 × 0.001 0.1 × 0.1 × 0.018 × 104.7 = 0.26 半径间隙 δ = φr = 0.001 × 0.1 ∕ 2 = 50 × 10 m 临界雷诺数 R? = 41.3 轴承雷诺数 1 ρ = 41.3 1 0.001 = 1306 ?6 R? = 满足层流条件 5 流量计算 ○ ρνδ η = 900 × 5.24 × 0.00005 0.018 = 13.1 13.6 流量系数 qv = 0.075 轴承润滑油的体积流量 qν = φd ωqν = 0.001 × 0.001 × 104.7 × 0.075 = 7.8 × 10 m /s 功耗计算 摩擦特性系数 μ = 2.4 摩擦系数 μ = μφ = 2.4 × 0.001 = 0.0024 摩擦功耗 Pμ = μFν = 0.0024 × 5000 × 5.24 = 62.88w 油温升 ?t = μp d παb 2cp ρ qν + B φν = 2.4 × 0.5 × 10 6 6 3 ?6 3 2 × 1.8 × 10 × 1 × 0.075 + π80 0.001 × 5.24 = 3.8 进油温度 t1 = tm 出油温度 t2 = tm + 均符合要求。 6 安全度计算 ○ ?t 2 = 50 ? 3.8 2 = 48.1 ?t 2 = 50 + 3.8 2 = 51.9 小油膜厚度 hmin = d 2 φ 1?ε = 0.1 2 × 0.001 × 1 ? 0.69 = 15.5 × 10 ?6 轴颈表面粗糙度，由加工方法精磨得R21 = 1.6。 轴瓦表面粗糙度，由加工方法精车得R22 = 3.2。 安全度 S= hmin R21 + R22 × 10 ?6 = 15.5 × 10 ?6 ?6 = 3.23 2 1.6 + 3.2 × 10 小轴瓦校核计算 取 = 1，轴颈直径d = 89mm，则有效宽度B=89mm d B 试取β = 180° 计算 轴承压强 F 5000 P= F Bd 0.89×0.89 5000 = =0.63Mpa 轴承速度 V= πdn 60×1000 =4.66m/s PV值 PV=0.5× 4660 = 2330MPa ? m/s 1 轴承材料：选ZCrSn10P1 ○ 许用值[P]=15Mpa,[v]=10m/s，[PV]=15m/s，工作温度280C° ，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。 2 润滑剂和润滑方法选择，选择润滑牌号，机械油AN32。 ○ 设平均油温 t = 50C° 油的运动粘度 V = 20mm /s 油的动力粘度 η=νp=20×10 润滑方法选择 k= 选择针阀式注油油杯润滑 3 承载能力计算 ○ ?6 2 × 900 = 0.018 ? pν = 3 0.63 × 4.66 = 7.93 3 相对间隙 φ = 0.6 ? ?1 × 10 取φ = 0.001 轴转速 ω= 索氏数 S0 = 偏心率ε = 0.24 4 层流校核 ○ 2πr 60 1000 60 ?3 4 ν = 0.6 ? ?1 × 10 ?3 4 4.66 = 0.009 ? ?0.0013 = 2π × = 104.7rad/s Fφ 2 Bdηω = 5000 × 0.001 × 0.001 0.089 × 0.089 × 0.018 × 104.7 = 0.335 半径间隙 δ = φr = 0.001 × 0.089 ∕ 2 = 44.5 × 10 m 临界雷诺数 R? = 41.3 1 ρ = 41.3 1 0.001 = 1306 ?6 轴承雷诺数 R? = 满足层流条件 5 流量计算 ○ ρνδ η = 900 × 4.66 × 0.0000455 0.018 = 12.8 13.6 流量系数 qv = 0.075 轴承润滑油的体积流量 qν = φd ωqν = 0.001 × 0.089 × 104.7 × 0.075 = 7.8 × 10 m /s 功耗计算 摩擦特性系数 μ = 2.4 摩擦系数 μ = μφ = 2.4 × 0.001 = 0.0024 摩擦功耗 Pμ = μFν = 0.0024 × 5000 × 4.66 = 55.92w 油温升 ?t = μp d παb 2cp ρ qν + B φν = 2.4 × 0.5 × 10 6 6 3 3 ?6 3 π80 2 × 1.8 × 10 × 1 × 0.075 + 0.001 × 4.66 = 3.9 进油温度 t1 = tm 出油温度 t2 = tm + 均符合要求。 6 安全度计算 ○ ?t 2 = 50 ? 3.9 2 = 48.05 ?t 2 = 50 + 3.9 2 = 51.95 小油膜厚度 hmin = d 2 φ 1?ε = 0.089 2 × 0.001 × 1 ? 0.69 = 14 × 10 ?6 轴颈表面粗糙度，由加工方法精磨得R21 = 1.6。 轴瓦表面粗糙度，由加工方法精车得R22 = 3.2。 安全度 S= hmin R21 + R22 × 10 ?6 = 14 × 10 ?6 ?6 = 2.92 2 1.6 + 3.2 × 10 键连接计算 主轴与大齿轮的键连接 选用普通圆头键连接 取直径d = 100mm，则键的截面尺寸为：b = 20mm，高h = 12mm，键长 L = 120mm，键的接触长度L1 = l ? b = 120 ? 20 = 100mm 键的材料选用45钢，则[?P ]=80MPa 连接所能传递的转矩 1 1 T = hl1 d ?p = × 12 × 100 × 100 × 80 = 2Nm 2100 4 4 满足要求 小轴与齿圈的键连接 选用普通圆头键连接 取直径d = 89mm， 则键的截面尺寸为： b = 12mm， 高h = 10mm， 键长L = 92mm， 键的接触长度L1 = l ? b = 92 ? 12 = 80mm 键的材料选用45钢，则[?P ]=80MPa 连接所能传递的转矩 1 1 T = hl1 d ?p = × 10 × 80 × 89 × 80 = 1424Nm 1200Nm 4 4 满足要求 步进电机1输出轴与小齿轮1的连接 选用花键连接 材料选用45钢，齿面经过热处理 ?p = 80MPa Z = 20, h = 5mm, l1 = 80mm, rm = 12mm 连接所能传递的转矩 T = kzhl1 rm ?p = 0.7 × 20 × 5 × 80 × 12 × 80 = 6272Nm 2000 满足要求 步进电机2输出轴与小齿轮2的连接 选用花键连接 材料选用45钢，齿面经过热处理 ?p = 80MPa Z = 20, h = 5mm, l1 = 100mm, rm = 12mm 连接所能传递的转矩 T = kzhl1 rm ?p = 0.7 × 20 × 5 × 100 × 12 × 80 = 6720Nm 2000 满足要求 自动跟踪系统设计 系统的总体设计 本系统包括光电转换器、步进电机、89051系列单片机以及相应的外围电路等。太阳 能电池板有两个自由应。控制机构将分别对水平方向与垂直方向进行调整。单片机加电复 位后，垂直方向将处于旋转状态，单片机将对采样进来的电压信号进行判断，电压有增大 和减小两种可能，如电压增大，则让电池板继续转动，一旦电压减小，单片机将立即发出 信号，让电机反转，实现电池板对太阳的跟踪。 传 感 器 光 电 转 换 单 片 机 驱 动 器 步 进 电 机 步进电机的选择 步进电机 1 选择静力矩不大于 200N，选用 57BYGH100 混合式步进电机。 电压 5V， 电流 3A， 电阻 1.4Ω ， 静力矩 200N*cm， 机身长 100mm， 输出轴直径 10mm， 2 转动惯量 1.5g*cm 步进电机 2 选择 步进电机 2 所需推力小于 2000N，选用 8700 系列螺杆轴混合式步进电机。 电压 5V，电流 3A，电阻 1.6Ω ，推力 2270N，机身长 100mm，输出轴直径 10mm。 驱动电路 1.BL一240 BL一240型驱动模块 1适用电压范围宽（12-40V）； 2恒流斩波，双极性全桥式驱动；3运行特性良好： 4.自动半流锁定：5可靠性高：6适配4A以下两相和四相混合式步进电机 2技术数据： 输入电压：12一40V单电压供电；2相电流:本模块相电流可在0-4A之间调节；3 驱动模式：全桥驱动；4运行方式：半步（0.9 ） ° 5运行特性:优于原电机出指标： 8重量： 300 ； 9 6〉保护方式：过热保护，锁定自动半流；7外形尺寸126mm*73mm*32mm 运行环境:温度-15--40 C湿度90% 3接线GND； VCC对应地线)CP IN+ 时钟脉冲输入端，光耦输入端，上升沿有效： 6)CP IN-；光耦输入负 端； 7） CW +： 电机运转方向控制， 光耦输入端； 8） CW-： 光耦输入负端； 9） REST+/REST-： 脱机电平。 系统的实现 固定轨迹跟踪模块 虽然太阳位置是实时变化的，但是它的运行规律还是可循的［4］。软件算法主 要根据太阳的运行规律计算其实时方位角和高度角， 以及太阳能跟踪控制器的水 平角和仰角。 利用PLC 控制单元按照太阳运行遵循的公式计算得到太阳的实时位 置，通过指令使电机驱动太阳跟踪装置，实现太阳实时跟踪。如图6 所示，OXYZ 为地平坐标系，O 为系统所在地点; οxyz 为时角坐标系，原点ο 为地心; 以 矢量I、J、K 来表示X、Y、Z 方向的单位向量，太阳光线以单位矢量S 表示; 同 样以i、j、k 来表示x、y、z 方向的单位向量。公式［2］为 S = sin a I + cos g J - cos a ? sin g K S = sin a i + cos d ? cos w j - cos d ? sin wk （1） （2） 图6 太阳位置计算几何学模型 图中: a 为太阳高度角( 指太阳光线与地表水平面之间的夹角 (0 ＃ a 90?) ; g 为太阳方位角( 指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角，当太阳 在正南方时， g = 0? ，正南以西 g 0? ，正南以东 g 0? ) ; d 为太阳的赤纬角， 随季节变化，夏至时 d = 23.5? ，冬至时 d = - 23.5? ; w 为时角，是用角度表示的 时间。对地平坐标系和时角坐标系进行坐标变换[5]，得 sin a = sin f ? sin d + cos f ? cos d ? cos w （3） （4） （5） cos d ? sin w cos a 360 d = 23.45? sin[ ?(284 + n)] 365 sin g = t = 12 - w 15 （6） ; n为1 年中的日期序号，从1 其中，f 为当地纬度角，I 与i 的夹角为 90? f 月1 日开始计数; t 为北京时间; 令日落、日出时高度角为0°，可以得到［6］ cos w = - tan f ?tan d (7) 由上午时角大于0°，下午时角小于0°，得到 w tan d ) 1 = arccos(- tan u ? w2 = - arccos(- tanu ?tan d ) (8) (9) 将得到的日出时角 w1 、 日落时角 w2 代入式(6) 可以得到日出时间和日落时间， 然 后通过单片机指令驱动电机实现太阳跟踪。 光敏电阻光强比较法 系统采用光敏电阻光强比较法，设计出一种全新的光电转换装置，很好的实现了光电 转換。它能够利用光敏电阻比较法实现对太阳水平、垂直方向的全方位跟踪，晚上便自动 复位。当太阳的水平或垂直位置发生偏移时，III、皮或！^鬼另一组控制电路）四个光 ，乜管中必有一个受阳光照射，这样就可确认太阳运动的方向了。抝、1^ ^4放置见图 控制电路有两组，电路图中是其中的一组（图4-21，另一组电路与此相同。光电管是 直接与控制电路连接的，当太阳能板正对太阳时，化、^2都是高电阻，八8两点电压相 等。四运放11^24的从^输出的电压相同，单片机收到的信号差为零，所以单片机不 控制电动机转动。若阳光发生倾斜，使只1被阳光射屮呈低电阻，则八点电位比8点高， 信号经过放大和转换，则单片机使得电机得电转动并拖动太阳能板转动，使太阳能板重新 对准太阳。当81、 ^2重新转为高电阻时，电机停转。若阳光偏转时使被阳光射中则电 机反转。不论哪种情况，电机运动的方向和太阳运动的方向总是一致的.从而达到了跟踪 的冃的。到太阳西坠之时光线减弱，光电管^水,、垂直复位共用）的电阻升高。835导 通，电机反转。回到原位时，限位开关断幵，电机停转。当光敏电阻对准阳光时，采用微 凋氣呢使得八8两点的电位相等，以提卨系统的准确度。 系统流程图 开始 系统初始化 N 日出？ Y 传感器跟踪 N 电机要驱动？ N Y 步进电机驱动 光敏电阻光强比较流程图 程序设计为，通过单片机检测4个光敏电阻所对应的4个引脚的电位的高低， 就可以判断太阳的朝向，并对电机发出命令，流程图如下 开始 反转 N R1 是否小于 R2 Y 正转 N 反转 R3 是否小于 R4 Y 正转 结束 用 BL-240 电机驱动来实现，P1_4 P1_0 P1_1 P1_2 P1_3 X 轴 P1_5 Y轴 上面为驱动板的信号控制口，EN1 EN2 为高电平就行。 #include REGX51.H #include intrins.h #define RightSenser P1_4 //左信号 #define LeftSenser P1_5 //右信号 unsigned char a,b,k,j;de; void delay10ms() //延时函数 { for(a=100;a0;a--) for(b=225;b0;b--); } //******************************************************** //******************************************************** main() { while(1) { P1_0 = 1 ; P1_1 = 1 ; P1_2 = 1 ; P1_3 = 1; if((!RightSenser) && LeftSenser) P1_0 = 0 ; P1_1 = 1 ; for (de=0; de100; de++); } if(RightSenser && (!LeftSenser)) P1_2 = 0 ; P1_3 = 1; { // 延时 { for (de=0; de100; de++); // 延时 } if((!RightSenser) && (!LeftSenser)) //左右都有信号，前进 { P1_0 = 0 ; P1_1 = 1 ; P1_2 = 0 ; P1_3 = 1; for (de=0; de100; de++); // 延时 } if((RightSenser) && (LeftSenser)) //无信号 停止 { P1_0 = 1 ; P1_1 = 1 ; P1_2 = 1 ; P1_3 = 1; for (de=0; de100; de++); // 延时 } } }
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