太阳能-自动跟踪-系统设计32

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AbstractHumanbeingisseriouslythreatenedbyexhaustingmineralfuel,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 21.2.4太阳能的特点 21.3课题研究的目的 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太阳运行的规律 62.2跟踪器机械执行部分比较选择 62.2.1立柱转动式跟踪器 62.2.2陀螺仪式跟踪器 72.2.3齿圈转动式跟踪器 72.2.4本课题的机械设计方案 82.3跟踪方案的比较选择 82.3.1视日运动轨迹跟踪 92.3.2光电跟踪 92.3.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 112.3.4本设计的跟踪方案 123机械设计部分 133.1太阳能自动跟踪系统机械设计方案 133.2第一齿轮转动计算 133.2.1材料选择 133.2.2尺寸计算 133.2.3校核计算 143.2.4齿根弯曲疲劳强度验算 153.3第二齿轮转动计算 173.3.1材料选择 173.3.2尺寸计算 173.3.3校核计算 173.3.4齿根弯曲疲劳强度验算 193.4轴瓦校核计算 203.4.1大轴瓦校核计算 203.4.2小轴瓦校核计算 223.5键联接计算 253.5.1主轴与大齿轮的键联接 253.5.2小轴与齿圈的键联接 253.5.3步进电机1输出轴与小齿轮1的联接 253.5.4步进电机2输出轴与小齿轮2的联接 253.6抗风性分析 263.6.1底座上螺钉校核 263.6.2轴校核 264自动跟踪系统设计 284.1系统总体结构 284.2光电转换器 284.2.1光电转换电路 284.3单片机及其外围电路 294.3.1AT89C51单片机 294.3.2外围电路 314.4步进电动机及驱动电路 324.4.1步进电动机介绍 324.4.2步进电机的主要特性 324.4.3步进电机的选择 334.4.4驱动电路 344.5系统的实现 354.5.1光敏电阻光强比较法 354.5.2光敏电阻光强比较法的工作过程 364.5.3系统的流程图 375结论 395.1结论 395.2展望 39致谢 40参考文献 41附录1 43附录2 511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1～5千瓦，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。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21～40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1996～2020年太阳能光电PV（光伏发电）发展计划，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,课题总结及展望。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。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：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。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，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，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。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V2<V1，装置停止工作；在有太阳光时V1>V2，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，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。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=4×25=100。分度圆直径：小齿轮直径，取d1=100mm。大齿轮直径，取d2=405mm。式（3.1）取齿宽系数=1.2b==1.2×100=120则取大齿轮宽度b2=120,小齿轮宽度b1=125。齿顶高式（3.2）齿根高式（3.3）齿高式（3.4）3.2.3校核计算查文献[28]表12.9得使用系数KA＝1.35。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=10×360×2=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=1.3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。3.3第二齿轮转动计算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（为分度圆螺旋角）。初选Z1=30，=15度，则Z2=iZ1=4*30=120。分度圆直径：小齿轮，取d1=125mm。大齿轮，取d2=500mm。取齿宽系数=1.2b==1.2×125=150则取大齿轮宽度b2=150,小齿轮宽度b1=155。齿顶高齿根高齿高3.3.3校核计算查文献[28]表12.9得使用系数Ka＝1.35。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Ka=400。

载荷系数查文献[28]表12.12得弹性系数＝189.8MPa。查文献[28]图12.16得节点区域系数＝2.45。查文献[28]表12.14得接触最小安全系数。总工作时间Th=10×360×2=7200h。查《机械设计》表12.15得指数m=8.78。原估计应力循环次数正确。接触寿命系数ZN:查文献[31]图12.18得=1.18,=1.25。许用接触应力验算许用接触应力计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。3.3.4齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数式(3.16)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,YFa2=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《机械设计》表12.15得指数m=49.91。式（3.18）原估计应力循环次数正确。弯曲寿命系数=0.95,=0.97查文献[28]图12.25得尺寸系数=1.0。许用弯曲应力式(3.19)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)eq\o\ac(○,1)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。eq\o\ac(○,2)润滑剂和润滑方法选择，选择润滑牌号，自定机械油AN32。设平均油温t=50度。下油的运动粘度V=20/s下油的动力粘度式(3.24)润滑方法选择式(3.25)选择针阀式注油油杯润滑。eq\o\ac(○,3)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eq\o\ac(○,4)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eq\o\ac(○,5)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摩擦功耗油温升式(3.33)进油温度出油温度均符合要求。eq\o\ac(○,6)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eq\o\ac(○,1)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。eq\o\ac(○,2)润滑剂和润滑方法选择选择润滑牌号，自定机械油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。eq\o\ac(○,3)承载能力计算相对间隙取轴转速索氏数偏心率eq\o\ac(○,4)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轴承润滑油的体积流量eq\o\ac(○,5)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eq\o\ac(○,6)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。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。3.5.2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=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。3.5.3步进电机1输出轴与小齿轮1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。3.5.4步进电机2输出轴与小齿轮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。3.6抗风性分析3.6.1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。3.6.2轴校核判断危险截面主轴端面往下170mm处材料选用45钢调质。对称循环疲劳极限 式 (3.45)式(3.46)脉动循环疲劳极限式(3.47)等效系数式(3.48)截面上的应力有效应力集中系数表面状态系数尺寸系数弯曲安全系数设为无限寿命，k=1式(3.49)轴强度满足要求。4自动跟踪系统设计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传感器光电转换步进电机驱动器单片机电源电源图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、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4.3.1AT89C51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4-4AT89C51的引脚1.主电源引脚(1)Vcc:电源端。(2)GND: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-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