課程設(shè)計(太陽能跟蹤器)

太陽能跟蹤器設(shè)計引言太陽能跟蹤器是能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置，能夠顯著提高太陽能光伏組件的發(fā)電效率。由于地球的自轉(zhuǎn)，相對于某一個固定地點的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太陽的光照角度時時刻刻都在變化，有效的保證太陽能電池板能夠時刻正對太陽，發(fā)電效率才會達(dá)到最佳狀態(tài)。目前世界上通用的太陽能跟蹤器都需要根據(jù)安放點的經(jīng)緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟件中，也就是靠計算太陽位置以實現(xiàn)跟蹤。采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的的數(shù)據(jù)和設(shè)定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新設(shè)定數(shù)據(jù)和調(diào)整各個參數(shù)；原理、電路、技術(shù)、設(shè)備都很復(fù)雜，非專業(yè)人士不能夠隨便操作。本文提出一種基于單片機的固定軌跡粗略跟蹤與光電傳感器精確跟蹤的雙模式太陽能跟蹤控制器。定軌跡跟蹤方式是使跟蹤裝置的控制器根據(jù)相關(guān)的公式和參數(shù)計算出白天太陽的位置，再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動伺服電機實時跟蹤太陽。光電傳感器精確跟蹤控制是由普通光電傳感器和暗激發(fā)光控開關(guān)電路實現(xiàn)，精確地跟蹤太陽光信號的最強點，提高太陽光能的利用率。1.2課題背景1.2.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)90年代，全球煤炭和石油的發(fā)電量每年增長1%而太陽能發(fā)電每年增長達(dá)20%風(fēng)力發(fā)電的年增長率高達(dá)26%預(yù)計在未來的5-10年內(nèi)，可持續(xù)能源將與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物燃料一統(tǒng)天下的局面。相對于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會能源的希望所在。1.2.3目前太陽能的開發(fā)和利用人類直接利用太陽能有三大技術(shù)領(lǐng)域，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲能技術(shù)。太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品很多，如熱水器、開水器、干燥器、采暖和制冷，溫室與太陽房，太陽灶和高溫爐，海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽能醫(yī)療器具。13課題研究的目的本課題研究一種基于光電傳感器的太陽光線自動跟蹤裝置，該裝置能自動跟蹤太陽光線的運動，保證太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽光線垂直，提高設(shè)備的能量利用率。1.4課題研究的意義1.4.2提高太陽能的利用率太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽能裝置如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能電池等等，但太陽能的利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太陽能裝置而言，如何最大限度的提高太陽能利用率，仍為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。解決這一問題應(yīng)從兩個方面入手，一是提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高太陽能的接受率，前者屬于能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接受率相差37.7%精確的跟蹤太陽可使接收器的接收率大大提高，進(jìn)而提高了太陽能裝置的太陽能利用率，拓寬了太陽能的利用領(lǐng)域。1、太陽能跟蹤器的現(xiàn)狀現(xiàn)階段的太陽能跟蹤器主要的工作方式有以下幾種；1）.壓差式太陽能跟蹤器壓力差式跟蹤器的原理是：當(dāng)入射太陽光發(fā)生偏斜時，密閉容器的兩側(cè)受光面積不同，會產(chǎn)生壓力差，在壓力的作用下，使裝跟蹤器重新對準(zhǔn)太陽。根據(jù)密閉容器內(nèi)所裝介質(zhì)的不同，可分為重力差式，氣壓差式，和液壓式。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制作費用低，純機械控制，不需電子控制部分及外接電源。但是，該機構(gòu)只能用于單軸跟蹤，精度很低。2）.控放式太陽跟蹤器控放式太陽能跟蹤器在太陽能接收器的西側(cè)放置一偏重，作為太陽光接收器向西的轉(zhuǎn)動力，并利用控放式自動跟隨裝置對此動力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動力，使太陽光接收器向西偏轉(zhuǎn)運動。該機構(gòu)成本低廉，純機械控制，不需電子控制部分及外接電源。但是該機構(gòu)不能自動復(fù)位，不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求，除非另外加復(fù)位機構(gòu)；而且該跟蹤器只能用于單軸跟蹤，精度低。3).時鐘式跟蹤器時鐘式跟蹤器是一種主動式的跟蹤器，有單軸和雙軸兩種形式。其控制方法是定時法：根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運動角度，計算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，從而確定出電動機的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)變動。其特點是電路簡單，但由于時鐘累積誤差不斷增加，系統(tǒng)的跟蹤精度很低；同時需外接電源，日夜不停的運轉(zhuǎn)，浪費能源。4）.比較控制式太陽跟蹤器利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將四個完全相同的光敏電阻分別放置于太陽光接收器的東南西北方向邊沿處。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，東西（南北）兩個光敏電阻接收到的光照強度相同，所以它們的阻值完全相等，此時電動機不轉(zhuǎn)動。當(dāng)太陽光方向與電池板的法線有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減小，信號采集電路可以采集到光敏電阻的信號差值，控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號，驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，直至兩個光敏電阻上的光照強度相同?？刂品绞剑何覀儗r間式太陽能跟蹤與比較式太陽能跟蹤相結(jié)合，使其在時間的粗略控制下進(jìn)行較為精確的控制。17論文的研究內(nèi)容本文所介紹的太陽跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實現(xiàn)大范圍、髙精度跟蹤。論文的主要工作包括-0分析太陽運行規(guī)律，比較國內(nèi)外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略。②機械部分也是實現(xiàn)追蹤目的的關(guān)鍵，主要是機械設(shè)計和計算，裝配圖及其零件閣。③分析傳感器工作原理，分析該傳感器大范圍、髙精度跟蹤的可行性，還要設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路。④選取控制芯片，分析系統(tǒng)的硬件需求，設(shè)計控制系統(tǒng)。⑤設(shè)計控制方案，步進(jìn)電動機以及驅(qū)動電路。2太陽能自動跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計機械部分設(shè)計機械部分我們采用市場上常見的立柱式跟蹤器對其進(jìn)行改進(jìn)使其在太陽角度跟蹤方面更為精確。本課題的機械設(shè)計方案機構(gòu)結(jié)構(gòu)：電機1固定在支架上，電機1的輸出軸連接小齒輪I小齒輪1與大齒輪嚙合。把齒輪連接著主軸上，主軸安裝在支架上生軸相對于支架可以轉(zhuǎn)動、馬達(dá)2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達(dá)2的輸出軸連接小齒輪2小齒輪2與齒圈嚙合，齒圈連接著太陽能板，轉(zhuǎn)動架安裝在主軸上。機構(gòu)實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏離時?？刂撇糠职l(fā)出控制信號驅(qū)動馬達(dá)1帶動小齒輪1轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動：同吋控制信號驅(qū)動馬達(dá)2帶動小齒

輪么小齒輪2帶動齒圈和太陽能板轉(zhuǎn)動，通過馬達(dá)1、馬達(dá)2的共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。本課題的跟蹤方案國內(nèi)外的跟蹤方法很多，但是不外乎三種：（1）視日運動軌跡跟蹤；（2）光電跟蹤；（3）視日運動軌跡和光電跟蹤相結(jié)合。我們選用視日運動和光電跟蹤相結(jié)合，利用光敏電阻光強比較進(jìn)行跟蹤。本設(shè)計的光敏器件選為光敏電阻。利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將兩個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽光垂]^照射太陽能電池板時，兩個光敏電阻接收到的光強&相同，所以它們的阻值相同，此時電動機不轉(zhuǎn)動。當(dāng)太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減少，驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，直至兩個光敏電阻上的光照強皮相同，稱為光敏電阻光強比較法。機械部分設(shè)計計算軸瓦校核計算大軸瓦校核計算取Bd=1，軸頸直徑試取β=180°計算軸承壓強FP=FBd=50000.1×0.1軸承速度V=πdn60×1000PV值PV=0.5×5024=2062MPa?m/seq\o\ac(○,1)軸承材料：選ZCrSn10P1最大許用值[P]=15Mpa,[v]=10m/s，[PV]=15m/s，最高工作溫度280C°，最高軸頸硬度200HB，抗咬合性3，順應(yīng)性/嵌藏性5，耐蝕性1，耐疲勞性1。eq\o\ac(○,2)潤滑劑和潤滑方法選擇，選擇潤滑牌號，機械油AN32。設(shè)平均油溫t=50C°油的運動粘度V=20m油的動力粘度η潤滑方法選擇k=選擇針閥式注油油杯潤滑eq\o\ac(○,3)承載能力計算相對間隙φ=取φ=0.001軸轉(zhuǎn)速ω=索氏數(shù)S偏心率ε=0.24eq\o\ac(○,4)層流校核半徑間隙δ=φr=0.001×0.1∕2=50×臨界雷諾數(shù)R軸承雷諾數(shù)R滿足層流條件eq\o\ac(○,5)流量計算流量系數(shù)q軸承潤滑油的體積流量qν=φ功耗計算摩擦特性系數(shù)μ摩擦系數(shù)μ=摩擦功耗P油溫升?t=進(jìn)油溫度t出油溫度t均符合要求。eq\o\ac(○,6)安全度計算最小油膜厚度h軸頸表面粗糙度，由加工方法精磨得R21軸瓦表面粗糙度，由加工方法精車得R22安全度S=小軸瓦校核計算取Bd=1，軸頸直徑試取β=180°計算軸承壓強FP=FBd=50000.89×0.89軸承速度V=πdn60×1000PV值PV=0.5×4660=2330MPa?m/seq\o\ac(○,1)軸承材料：選ZCrSn10P1最大許用值[P]=15Mpa,[v]=10m/s，[PV]=15m/s，最高工作溫度280C°，最高軸頸硬度200HB，抗咬合性3，順應(yīng)性/嵌藏性5，耐蝕性1，耐疲勞性1。eq\o\ac(○,2)潤滑劑和潤滑方法選擇，選擇潤滑牌號，機械油AN32。設(shè)平均油溫t=50C°油的運動粘度V=20m油的動力粘度η潤滑方法選擇k=選擇針閥式注油油杯潤滑eq\o\ac(○,3)承載能力計算相對間隙φ=取φ=0.001軸轉(zhuǎn)速ω=索氏數(shù)S偏心率ε=0.24eq\o\ac(○,4)層流校核半徑間隙δ=φr=0.001×0.089∕2=44.5×臨界雷諾數(shù)R軸承雷諾數(shù)R滿足層流條件eq\o\ac(○,5)流量計算流量系數(shù)q軸承潤滑油的體積流量qν=φ功耗計算摩擦特性系數(shù)μ摩擦系數(shù)μ=摩擦功耗P油溫升?t=進(jìn)油溫度t出油溫度t均符合要求。eq\o\ac(○,6)安全度計算最小油膜厚度h軸頸表面粗糙度，由加工方法精磨得R21軸瓦表面粗糙度，由加工方法精車得R22安全度S=鍵連接計算主軸與大齒輪的鍵連接選用普通圓頭鍵連接取直徑d=100mm，則鍵的截面尺寸為：b=20mm，高h(yuǎn)=12mm，鍵長L=120mm，鍵的接觸長度L鍵的材料選用45鋼，則[σP連接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩T=滿足要求小軸與齒圈的鍵連接選用普通圓頭鍵連接取直徑d=89mm，則鍵的截面尺寸為：b=12mm，高h(yuǎn)=10mm，鍵長L=92mm，鍵的接觸長度L鍵的材料選用45鋼，則[σP連接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩T=滿足要求步進(jìn)電機1輸出軸與小齒輪1的連接選用花鍵連接材料選用45鋼，齒面經(jīng)過熱處理σZ=20,h=5mm,連接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩T=kzh滿足要求步進(jìn)電機2輸出軸與小齒輪2的連接選用花鍵連接材料選用45鋼，齒面經(jīng)過熱處理σZ=20,h=5mm,連接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩T=kzh滿足要求自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)的總體設(shè)計本系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機、89051系列單片機以及相應(yīng)的外圍電路等。太陽

能電池板有兩個自由應(yīng)。控制機構(gòu)將分別對水平方向與垂直方向進(jìn)行調(diào)整。單片機加電復(fù)

位后，垂直方向?qū)⑻幱谛D(zhuǎn)狀態(tài)，單片機將對采樣進(jìn)來的電壓信號進(jìn)行判斷，電壓有增大

和減小兩種可能，如電壓增大，則讓電池板繼續(xù)轉(zhuǎn)動，一旦電壓減小，單片機將立即發(fā)出

信號，讓電機反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電池板對太陽的跟蹤。步進(jìn)電機驅(qū)動器單片機光電轉(zhuǎn)換傳感器步進(jìn)電機驅(qū)動器單片機光電轉(zhuǎn)換傳感器步進(jìn)電機的選擇步進(jìn)電機1選擇最大靜力矩不大于200N，選用57BYGH100混合式步進(jìn)電機。電壓5V，電流3A，電阻1.4Ω，最大靜力矩200N*cm，機身長100mm，輸出軸直徑10mm，轉(zhuǎn)動慣量1.5g*cm步進(jìn)電機2選擇步進(jìn)電機2所需最大推力小于2000N，選用8700系列螺桿軸混合式步進(jìn)電機。電壓5V，電流3A，電阻1.6Ω，最大推力2270N，機身長100mm，輸出軸直徑10mm。驅(qū)動電路1.BL一240BL一240型驅(qū)動模塊1適用電壓范圍寬（12-40V）；2恒流斬波，雙極性全橋式驅(qū)動；3運行特性良好：

4.自動半流鎖定：5可靠性高：6適配4A以下兩相和四相混合式步進(jìn)電機2技術(shù)數(shù)據(jù)：輸入電壓：12一40V單電壓供電；2相電流:本模塊相電流可在0-4A之間調(diào)節(jié)；3

驅(qū)動模式：全橋驅(qū)動；4運行方式：半步（0.9°）5運行特性:優(yōu)于原電機出廠指標(biāo)：

6〉保護(hù)方式：過熱保護(hù)，鎖定自動半流；7外形尺寸126mm*73mm*32mm8重量：<300g；9運行環(huán)境:溫度-15--40°C濕度<1.VCC供電電源12-40V注：切忌超過40V以免損壞模塊；2GND；VCC對應(yīng)地線；3)B+

4：A+；5)CPIN+時鐘脈沖輸入端，光耦輸入端，上升沿有效：6)CPIN-；光耦輸入負(fù)端；7）CW+：電機運轉(zhuǎn)方向控制，光耦輸入端；8）CW-：光耦輸入負(fù)端；9）REST+/REST-：脫機電平。系統(tǒng)的實現(xiàn)固定軌跡跟蹤模塊雖然太陽位置是實時變化的，但是它的運行規(guī)律還是可循的［4］。軟件算法主要根據(jù)太陽的運行規(guī)律計算其實時方位角和高度角，以及太陽能跟蹤控制器的水平角和仰角。利用PLC控制單元按照太陽運行遵循的公式計算得到太陽的實時位置，通過指令使電機驅(qū)動太陽跟蹤裝置，實現(xiàn)太陽實時跟蹤。如圖6所示，OXYZ為地平坐標(biāo)系，O為系統(tǒng)所在地點;οxyz為時角坐標(biāo)系，原點ο為地心;以矢量I、J、K來表示X、Y、Z方向的單位向量，太陽光線以單位矢量S表示;同樣以i、j、k來表示x、y、z方向的單位向量。公式［2］為（1）（2）圖6太陽位置計算幾何學(xué)模型圖中:為太陽高度角(指太陽光線與地表水平面之間的夾角;為太陽方位角(指太陽光線在水平面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，當(dāng)太陽在正南方時，，正南以西，正南以東);為太陽的赤緯角，隨季節(jié)變化，夏至?xí)r，冬至?xí)r;為時角，是用角度表示的時間。對地平坐標(biāo)系和時角坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換[5]，得（3）（4）（5）（6）其中，為當(dāng)?shù)鼐暥冉?，I與i的夾角為;n為1年中的日期序號，從1月1日開始計數(shù);t為北京時間;令日落、日出時高度角為0°，可以得到［6］(7)由上午時角大于0°，下午時角小于0°，得到(8)(9)將得到的日出時角、日落時角代入式(6)可以得到日出時間和日落時間，然后通過單片機指令驅(qū)動電機實現(xiàn)太陽跟蹤。光敏電阻光強比較法系統(tǒng)采用光敏電阻光強比較法，設(shè)計出一種全新的光電轉(zhuǎn)換裝置，很好的實現(xiàn)了光電

轉(zhuǎn)換。它能夠利用光敏電阻比較法實現(xiàn)對太陽水平、垂直方向的全方位跟蹤，晚上便自動復(fù)位。當(dāng)太陽的水平或垂直位置發(fā)生偏移時，III、皮或！^鬼另一組控制電路）四個光

，乜管中必有一個受陽光照射，這樣就可確認(rèn)太陽運動的方向了。抝、1^^4放置見圖控制電路有兩組，電路圖中是其中的一組（圖4"-21，另一組電路與此相同。光電管是

直接與控制電路連接的，當(dāng)太陽能板正對太陽時，化、^2都是高電阻，八8兩點電壓相

等。四運放11^24的從^輸出的電壓相同，單片機收到的信號差為零，所以單片機不

控制電動機轉(zhuǎn)動。若陽光發(fā)生傾斜，使只1被陽光射屮呈低電阻，則八點電位比8點高，

信號經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換，則單片機使得電機得電轉(zhuǎn)動并拖動太陽能板轉(zhuǎn)動，使太陽能板重新

對準(zhǔn)太陽。當(dāng)81、^2重新轉(zhuǎn)為高電阻時，電機停轉(zhuǎn)。若陽光偏轉(zhuǎn)時使"被陽光射中則電

機反轉(zhuǎn)。不論哪種情況，電機運動的方向和太陽運動的方向總是一致的.從而達(dá)到了跟蹤

的冃的。到太陽西墜之時光線減弱，光電管^水,、垂直復(fù)位共用）的電阻升高。835導(dǎo)

通，電機反轉(zhuǎn)。回到原位時，限位開關(guān)斷幵，電機停轉(zhuǎn)。當(dāng)光敏電阻對準(zhǔn)陽光時，采用微

凋氣呢使得八8兩點的電位相等，以提卨系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)流程圖開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化NN日出？日出？YNYN傳感器跟蹤傳感器跟蹤電機要驅(qū)動？電機要驅(qū)動？NNYY步進(jìn)電機驅(qū)動步進(jìn)電機驅(qū)動光敏電阻光強比較流程圖程序設(shè)計為，通過單片機檢測4個光敏電阻所對應(yīng)的4個引腳的電位的高低，就可以判斷太陽的朝向，并對電機發(fā)出命令，流程圖如下開始開始NY正轉(zhuǎn)R1NY正轉(zhuǎn)R1是否小于R2反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)NYR3NYR3是否小于R4反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)結(jié)束結(jié)束用BL-240電機驅(qū)動來實現(xiàn)，P1_4X軸P1_5Y軸P1_0P1_1P1_2P1_3上面為驅(qū)動板的信號控制口，EN1EN2為高電平就行。#include<REGX51.H>#include<intrins.h>#defineRightSenserP1_4//左信號#defineLeftSenserP1_5//右信號unsignedchara,b,k,j;de;voiddelay10ms()//延時函數(shù){for(a=100;a>0;a--)for(b=225;b>0;b--);}//********************************************************//********************************************************main(){while(1)