二维跟踪太阳光伏发电装置设计

1、黄河科技学院毕业设计说明书 第 - 3 - 页二维跟踪太阳光伏发电装置设计（曲柄摇杆式） 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8带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实

2、现水平方向跟踪；同时控制信号驱动步进电机4带动丝杆，丝杆带动可动螺母和太阳能板实现垂直方向转动，通过步进电机8、步进电机4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Two dimensional tracking solar photovo

3、ltaic power generation device design (crank rocker type)Author：Liu da ke Tutor：Li an sheng Abstract:Human being is seriously 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 ev

4、erywhere,using clean and economical .But it also has disadvantages ,such as low density,intermission,change of space distributing 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 plum

5、b up the solar beam,it must track the movement of solar. In this paper, the solar tracking system of the mechanical part and 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.

6、 When the suns rays has a deviation, small gear are rotated by stepper motor according to the control signal from MCU. And the 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 mot

7、or according to the control signal.And the large gear and the solar panels are rotated by the small gear in order to track to achieve the vertical direction. Solar is tracked by the two stepper motors together. Second, control system part is designed.Control system mainly includes the sensors part,

8、stepper motor, MCU system and the corresponding external circuit, and so on. Photoelectric detection system is used to track solar. Sensors use photosensitive resistance. The two same photosensitive resistances were placed in east and west direction of the bottom edge .When the two photosensitive re

9、sistances received different light at the same time, the signal from comparison circuit is sent to MCU in order to rotate stepping motors.Keywords ：Solar energy Tracking Photosensitive resistance SCM Stepping motor目录1绪论11.1课题来源11.2课题背景11.2.1能源现状及发展11.2.2我国太阳能资源11.2.3目前太阳能的开发和利用11.2.4太阳能的特点11.3课题研究的目

10、的21.4研究课题的意义21.4.1新环保能源21.4.2提高太阳能的利用率31.5太阳能利用的国内外发展现状31.6太阳追踪系统的国内外研究现状41.7论文的研究内容51.8论文结构52太阳能自动跟踪系统总体设计62.1本课题的机械设计方案62.2跟踪方案的比较选择72.2.1本设计的跟踪方案73机械设计部分83.1太阳能自动跟踪系统机械设计方案83.2电池板的选择及布局分析83.2.1太阳能电池板的发展及种类83.2.2电池板的参数和选择103.3太阳能电池板的布局和分析113.3.1电池板的参数分析113.3.2边框及其固定结构设计113.4电动机的选择123.4.1电动机功率的确定12

11、3.4.2确定电动机的转速133.5齿轮转动计算143.5.1材料选择143.5.2尺寸计算143.5.3校核计算143.5.4齿根弯曲疲劳强度验算163.6丝杆螺母转动计算173.6.1材料选择173.6.2尺寸计算173.7键联接计算183.7.1主轴与大齿轮的键联接183.7.2小轴与齿圈的键联接193.7.3步进电机1输出轴与小齿轮1的联接193.7.4步进电机2输出轴与小齿轮2的联接193.8抗风性分析193.8.1底座上螺钉校核194自动跟踪系统设计214.1系统总体结构214.2光电转换器214.2.1光电转换电路214.3单片机及其外围电路224.3.1 AT89C51单片机2

12、24.3.2外围电路244.4驱动电路254.4.1驱动电路254.5系统的实现264.5.1光敏电阻光强比较法264.5.2光敏电阻光强比较法的工作过程274.5.3系统的流程图285结论305.1结论305.2展望30致谢31参考文献32黄河科技学院毕业设计(论文) 第 1 页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能源现状及发展传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。于是，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其独有的

13、优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.61012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍，而且太阳能发电的实施对环境不会造成任何的污染，是最理想的新型能源。1.2.2我国太阳能资源中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时

14、以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。 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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、。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2010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

21、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营。这家太阳能发电厂投资7000万欧元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。截至2005年年底，德国共有670万平方米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

22、。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2015年，美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200

23、2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2010年规则中已将太阳能热水系统列入成果推广项目。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300万平方米，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（光伏发电）发

24、展计划，在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。1.6太阳追踪系统的国内外研究现状在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器16，并在太阳

25、能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。目前17，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1.7论文的研究内容本文所介绍的太阳跟踪

26、装置采用了光电追踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。论文的主要工作包括:(l)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，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

27、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, 课题总结及展望。2太阳能自动跟踪系统总体设计2.1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：马达固定在支架上，马达8的输出轴连接小齿轮，小齿轮与大齿轮5啮合。把齿轮连接着主轴上，主轴安装在地板上(主轴相对于地板可以转动)，马达4安装在底部支架的一块板上，马达4的输出轴连接丝杆2，丝杆2与可动螺母配合，是摇杆3可以有一定的移动量。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

28、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。上图为其效果图。2.2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。2.2.1 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

29、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。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 8固定在地板支架上，步进电机8的输出轴连接小齿轮，小齿轮与大齿轮5啮合。齿轮连接着主轴上，主轴安装在地板上(主轴相对于地板可以转动)，步进电机4安装在底部支架，步进电机4的输出轴连接丝杆2，丝杆2与可动螺母啮合，可动螺母连接着摇杆3。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

30、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。3.2电池板的选择及布局分析3.2.1太阳能电池板的发展及种类太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转

31、动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个PN结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，PN结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在PN结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电

32、压。这种现象就是上面所说的“光生伏特效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。（ 1）单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15

33、年，最高可达25年。 （2）多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。 （3）非晶硅太阳能电池 非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化

34、，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。 （4）多元化合物太阳电池 多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：a) 硫化镉太阳能电池b) 砷化镓太阳能电池c) 铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)3.2.2电池板的参数和选择根据以上太阳能的介绍和比较，并综合网上各厂家的发布的信息，以及所产的太阳能电池板的性能参数，我选择有由三门峡华豫

35、新能源科技有限公司提供的HSM125系列的电池板，其参数如下： 根据设计的要求时期能用较长的时间，并能够达到较高的使用效率，并根据市场和厂家的查阅，我选择使用由三门峡华豫新能源科技有限公司的产品。其市场报价相对较低，并且其产品HSM-125单晶硅系列太阳能电池板功率从1峰瓦到260峰瓦的多种规格系列，从而满足客户的各种需求。HSM-125单晶硅太阳能电池板产品通过了ISO9001（2000）质量体系认证，同时也通过了国际权威认证机构的IEC61215，TUV，CE的认证。符合国际电气和防火规范，从而确保了产品在世界各地的安全可靠运行。根据布局设计我选择了该公司的HSM125-60 一款太阳能电

36、池作为我所用的电池板。3.3太阳能电池板的布局和分析3.3.1电池板的参数分析 HSM125-60系列的技术参数有上表可得，其功率120W 基本尺寸1470*680*35mm 重量为12KG。根据设计要求，需满足输出功率为1KW左右的发电装置，则有1000/120=8.33则有其设计需要，可设定需要9块电池板，满足其输出功率的要求。其总的功率为1209=1080W,总的重量为M板9*12=108KG。其布局的分采用33分布，并且布局于一个整体大平板之上。 3.3.2边框及其固定结构设计电池板需要一定的支撑和边框，其中涉及到材料的选择和其与电池板的配合问题。电池板之间通过高标准的焊接工艺要求，焊

37、接在一起，需放在有一定的支撑上面，保证其稳定性。首先，次出设计要求没有固定的特殊要求，所以我初步选定用45钢或铝合金材料来做为材料来源。因为这两种材料应用比较广泛，相对来说购买方便，并且其性能都能满足需求。其次，是这两种材料无需太过复杂加工，其型号和产品的种类较多，可以很好的满足需求。45钢是优质的碳素钢，有很好的热加工性能，经热处理后可满足各种条件下的用途。其结构有易切削加工的特点和其价格相对较低，因此在工业领域得到广泛的应用。而铝合金做为一种综合性能较高的材料，具有一定的强度和硬度，可加工性能较好，另外还有较好的抗氧化、腐蚀和防锈的特点，并且因其质轻和外观美观大方而备受大众的青睐。首先考虑

38、到，该设计为太阳能发电装置，要求其用到的条件相对恶劣。这样来说选择铝合金材料相对较好。其次是45号钢的焊接性能不是太好，随着碳元素含量的增加其焊接性能有所下降。而太阳能电池板的焊接工艺要求很严格，必须要求其能很好的连接起来。最后是考虑到其价格和总体设计的要求，在材料选择时我们应该尽可能的选择性能合适而价格低廉的材料。而45号钢和铝合金在价格方面是铝合金明显要贵的很多，但考虑到其用量不大的情况下，还是可以接受。另外从实用角度分析，我们要求整个装置能实用15年左右，期间采用45号则要求能很好的抵抗外界环境的侵蚀，这样增加更高的维护成本。所以我认为采用铝合金可以有效的改善这方面的不足，综合比较这两种

39、材料，我决定用铝合金材料作为电池板的结构框架。3.4、电动机的选择3.4.1电动机功率的确定工作机各传动部件的传动效率及总效率查机械设计课程设计指导书表9.2可知丝杆传动的传动比为：i=1040；又根据机械设计基础表4-2可知蜗杆头数为Z1=1，由表4-4可知蜗杆传动的总效率为： =0.750.82查机械设计课程设计指导书表9.1可知各传动部件的效率分别为：=0.97；工作机的总效率为：总 =（0.75 0.82）0.97 =0.7275 0.7954电动机的功率确定 此装置要求其转速不能太高，并且转动的机构的转角不是太大，是该装置的速度为V1m/s。另有上述太阳能电池板的结构可计算得其参数。

40、电池板的总长L1=14703=4410mm电池板的总宽L2=6803=2040mm根据设计的参数可知，由设计软件算出M框45.5Kg 加上电池板自身的重量，由此可得电动机所要带动的电池框架的总的重量为MMM板M框 45.5108 153.5 160KG由此可得 F板Mg 16010 1600N P板 F板V1000 （16001）1000 1.6KW 则电动机的工作传动功率为P电 P电P板总 1.60.7275 2.199KW3.4.2确定电动机的转速1) 传动装置的传动比的确定：查机械设计课程设计指导书书中表9.2得各级齿轮传动比如下：i=1040理论总传动比：i总i丝杆i（10 40）1.

41、2512.5 502) 电动机的转速：涡轮轴的工作转速：n1（601000V）D（6010001）（3.14272）70.25r/min则电机的转速为nn电n1i即得n电n1i总 70.25（12.5 50） 878.125 3512.5r/min所以电动机转速的可选范围为：n电878.125 3512.5r/min根据上面所算得的原动机的功率与转速范围，符合这一范围的同步转速有1000 r/min和1500 r/min两种。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、质量及价格等因素，为使传动装置结构紧凑，决定选用同步转速为1000 r/min的电动机。其主要功能表如下：电动机型号额定功率kW满载转速/

42、r/min起动转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩Y112M-62.29402.02.23.5齿轮转动计算3.5.1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。3.5.2尺寸计算初选模数m=4mm,中心距a=510，转动比i=32。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=27，分度圆螺旋角=10度，则齿轮齿数Z2=iZ1=2725=675。分度圆直径： 小齿轮直径 ， 取d1=100mm。大齿轮直径 ，取d2=990mm。 式（3.1）取齿宽系数=1.2b=1.2100=120取大齿轮宽度b2=10,小齿轮宽度b1=120。齿顶高 式（3.2）齿根高 式（3

43、.3）齿高 式（3.4）3.5.3校核计算查文献28表12.9得使用系数KA1.35。 查文献28 图12.9得动载系数KV=1.1。 查文献28表12.10得齿间载荷分配系数KHa 。 式（3.5）式中-圆周力； -端面重合度； -重合度系数。载荷系数K 式（3.6）查文献28表12.12得弹性系数189.8。查文献28图12.16得节点区域系数2.5 。查文献28表12.14得接触最小安全系数为1.25。 总工作时间Th=103602=7200h。应力循环次数 式（3.7）原估计应力循环次数正确。 式(3.8)接触寿命系数ZN:查文献28图12.18得 =1.2 ， =1.3 。 许用接触

44、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。3.5.4 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 =1.3载荷系数K 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

45、力 式(3.14)验算许用弯曲应力 式(3.15)齿根弯曲疲劳强度验算满足。3.6丝杆螺母转动计算3.6.1材料选择丝杆及可动螺母的材料选用渗碳钢，热处理为渗碳淬火。3.6.2尺寸计算 设计滚珠丝杠副时，已知条件是：工作载荷F(N)或平均工作载荷F。(N)，使用寿命Lh(h)，丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)L(m)，丝杠的转速n(平均转速nm或最大转速n)(rmin)，以及滚道硬度HRC和运转情况。设计步骤及方法如下：1)计算载荷F。(N)的计算Fc=KFKHKAFM (22) 式中，KF为载荷系数；KH为硬度系数；KA为精度系数；FM为平均工作载荷。各项参数按表22选取。丝杆螺母传动负责

46、电池板垂直方向的运动。电池板架的重量为150kg。所以F=1.2*1*1*150*1.6=288N。表选取外径为35mm的丝杆螺母副。4）验算传动效率、刚度及工作平稳性是否满足要求，不能满足要求的禁忌使用，应另选其他规格并需重新验算。3.7键联接计算3.7.1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。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。3.7.2 小轴与齿圈的键联接选用普通圆头键联接。取真径d=89mm ，则键的截面尺寸为：b=12mm,高h=10mm,键长l=

47、92mm。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(3.37)所以满足要求。3.7.3 步进电机8输出轴与小齿轮的联接选用花键联接。材料选用45钢，齿面经过热处理则。 联接所能传递的转矩 式(3.38)所以满足要求。3.7.4 步进电机4输出轴与丝杆2的联接选用花键联接。材料选用45钢，齿面经过热处理。联接所能传递的转矩 式(3.39)所以满足要求。3.8抗风性分析3.8.1底座上螺钉校核危险截面面积 式(3.40)螺钉应力副 式(3.41)选择螺钉的性能等级5.6级 则 式(3.42)螺钉疲劳极限 式(3.43)极限应力幅 式(3.44)许用应力幅 所以螺钉强度满足条件。4自

48、动跟踪系统设计4.1系统总体结构本系统包括光电转换器、步进电机、89C51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度。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。传感器光电转换步进电机驱动器单片机电源图4-1系统总体结构4.2光电转换器光电转换器接收太阳光，将光信号转换成电信号，单片机根据采集来的信号进行分析比较，得出结果最终控制步进电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始

49、终垂直于入射光线，从而达到最高效率的利用太阳能。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。其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。4.2.1光电转换电路下图中光电转换电路是其中的一组，另一组电路与此相同。当阳光正对太阳能板时，光敏电阻R1、R2都是高电阻， A

50、、B两点电压相等。四运放LM124的输出的电压相同，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Rl被阳光射中呈低电阻，则A点电位比B点高。运算放大器U2A的作用是一个电压跟随器，起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，保持采样信号的稳定。U3A是减法器，其输出为A与B的电压差值。因为A与B的电压差值可正可负，而单片机的输入端不能为负的电压值，所以U3A正的输入端接了个偏置电压电路，使U3的输出始终为正值。图4-2光电转换电路4.3单片机及其外围电路4.3.1 AT89C51单片机控制部件选择ATMEL公司生产的AT89C5l型单片机。AT89C5l是一种低功耗、高性能的8

51、位单片机29，片内带有4KB的Flash可编程可擦除只读存贮器，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存贮器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存贮器编程器来编程。AT89C5l是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。一、结构框图AT89C5l的结构框图如图4-3所示。它具有如下的主要特征30:4KB可改编程序的Flash存贮器(可擦写1000次)；全静态工作频率: 24MHz；三级程序存贮器保密；128字节内部RMA；32条可编程I/O线；2个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程全双工串行通

52、道；片内时钟震荡器 。图4-3单片机结构框图AT89C5是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到OHz，并提供两种可用软件选择的省电方式，即空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保持内部RAM的内容，直到下一次硬件复位为止。二、AT89C51的引脚31：AT8C951引脚采用双列直插式封装(DIP)或方形封装。双列直插式封装的如图所示，共有40个引脚，下面将对这些引脚进行说明。图4-4 AT89C51的引脚1.主电源引脚(1)Vcc:电源端。(2)GND:

53、接地端。2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2：(1)XTAL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。(2)XTAL2:接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡信号源源时，此引脚应悬浮不连接。3 控制或与其它电源复位引脚RTS。RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。在对Flash存贮器编程期间，该引脚也用于施加编程语序电源。4.输入/输出引脚P0.0-P0.7、Pl.O

54、-P1.7、P2.0-P2.7 、P3.0-P3.7。(1)P0端口(PO.0-PO.7):P0是一个8位漏极开路型双向I/0端口。作为输入口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8位TTL输入，对端口锁存器写“1”时，又可作为高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据时，它是分时多路转换的地址(低8位)/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在对Flash编程时，PO端口接收指令字节;而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。(2)P1端口(P1.0-P1.7):P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。Pl的输出可驱动4个TTL输入。作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些

55、被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。(3)P2端口(P2.0-P2.7):P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。4.3.2外围电路电源管理部分电路。电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此作为电子设备的基础元件，电源受到越来越多的重视。系

56、统电源设计是单片机应用系统设计中的一项极其重要的工作，它对整个单片机系统能否正常运行起着至关重要的作用。电源设计应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问题。电源功率必须能满足整个系统的需要。在系统电路中，除单片机系统需要+5V直流电源外，步进电机和驱动器还需要一个模拟电源12V。选用印刷线路板焊接式电源变压器PKB05将220V交流电压变换成正负12V的电压。这种变压器结构紧凑、坚固、抗震、防潮、阻燃，外型美观，使用方便，抗电强度高。它的初级是220V，50HZ/60Hz，次级既可以是单路输出，也可以双路输出。由于这种变压器变出的电压仍是交流电压，且又不十分准确和稳定，所以再利用全桥整流，电容滤波电

57、压稳定后，分别用三端稳压电源模块7812，7912，输出正负12V。电路在7812和7912的输入端分别接上0.33uF的CBB电容、2000uF/25V的电解电容和2.2uF的CBB电容、2000uF/25V的电解电容。CBB电容可以滤掉高频干扰，电解电容组合可以滤掉低频干扰。在输出端接上104瓷片（0.1uF）电容，对输出的+5V电源再次进行滤波，以得到干净的电源。 图4-5电源管理部分电路4.4驱动电路4.4.1驱动电路1. B L- 240 BL-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

58、高； 6)适配4A以下两相和四相混合式步进电机技术数据:1）输入电压: 12-40V 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:优于原电机出厂指标； 6)保护方式:过热保护,锁定自动半流； 7)外形尺寸:126 mm73mm32mm； 8)重量300g； 9)运行环境:温度-15-40 湿度90%。接线端子:(I/O PORTS)1)VCC:供电电源12-40V 注:切忌超过40V,以免损坏模块； 2)GND:VCC对应地线； 3)B； 4)A； 5)CP IN:时钟脉冲输入端，光藕输入端，上升沿有效； 6

59、)CP IN:光藕输入负端； 7)CW/CCW:电机运转方向控制，光藕输入端； 8)CW/CCW:光藕输入负端； 9)FREE:脱机电平； 10)FREE:脱机电平。图4-7 BL-240型驱动摸块2.MT-2HB03M驱动器特点：双极驱动； 驱动器工作电压12-40 V； 驱动电流0.8-3.5 A；用户可根据需要采用共阳极接法、共阴极接法或差分输入接法。共阳极接法：分别将CP+，U/D+，FREE+连接到控制系统的电源上，如果此电源是+5V 则可直接接入，如果此电源大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕提供8-15mA 的驱动电流。输入信号通过CP-加入。此时，U/D-，FREE-在低电平时起作用。共阴极接法：分别将CP-，U/D-，FREE-连接到控制系统的地端（SGND，与电源地隔离），+5V 的输入信号通过CP+加入。此时，U/D+，FREE+在高电平时起作用。限流电阻R 的要求与共阳极接法相同。差分输入接法：分别将CP-，U/D-，FREE-接差分信号的负端、CP+，U/D+，FREE+接差分信号的正端。图4-8 MT-2HB03M驱动器4.5系统的实现4.5.1光敏电阻光强比较法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