太阳能自动跟踪装置的设计.doc
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太阳能自动跟踪装置的设计.doc
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分类号编号
烟台大学文经学院
毕业设计
太阳能自动跟踪装置的设计
Thedesignofsolarautomatictrackingdevice
申请学位:
工学学位
院系:
机电工程系
专业:
机械设计制造及其自动化
姓名:
李显
学号:
200790516206
指导老师:
李春植(教授)
张芹英(助教)
2011年5月26日
烟台大学文经学院毕业设计
I
太阳能自动跟踪装置的设计
姓名:
李显
导师:
李春植(教授)
张芹英(助教)
2011年5月26日
烟台大学文经学院毕业论文(设计)任务书
院(系):
机电工程系
姓名
李显
学号
200790516206
毕业届别
2011
专业
机械设计制造及其自动化
毕业论文(设计)题目
太阳能自动跟踪装置的设计
指导教师
李春植
学历
职称
教授
所学专业
指导教师
张芹英
学历
职称
助教
所学专业
主要内容:
本设计是基于单片机控制的自动跟踪系统,它利用光电跟踪原理,通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线的角度大小来控制信号的输入。
采用四个光敏电阻做传感器,把光能转换为电阻的变化,进而通过光电转换电路给单片机输入信号,并由驱动电路来控制步进电机,从而实现机械装置的方位角、高度角的调整。
该机械装置主要采用机械传动原理实现,用一对直齿轮传动机构来实现方位角的旋转。
同时,采用平面四杆机构原理,用一对滚珠丝杠副来实现高度角的调整。
基本要求:
满足该装置能精确自动跟踪太阳光的运动,以达到最大效率利用太阳能。
进度安排:
1-2周完成设计任务书和绪论;3-5周提出自己的设计方案并论证(理论)
6-9周部件零件的设计;10-11周初稿完成;12-13周根据格式,完成论文
指导教师(签字):
年月日
院(系)意见:
教学院长(主任)(签字):
年月日
备注:
IV
[摘要]:
太阳能是自然界的一种天然资源,它具有分布范围广、丰富可再生、无污染的优良特点,它的开发和利用已成为当代研究领域的热点。
解决如何提高太阳能利用效率就成为了所有问题的关键。
太阳能效率的提高将直接影响我国能源利用结构的变化,对我国的可持续发展以及建设资源节约型和环境友好型社会有着重大影响。
基于太阳能利用效率的考虑,本设计选择太阳能自动跟踪装置,以达到时刻跟踪太阳光线位置,使太阳光最大限度的照射到该跟踪装置,满足太阳能的充分利用。
该装置是基于单片机控制的自动跟踪系统,通过考虑某地的位置、光照等因素,由单片机输出控制数据,从而来控制步进电机,并通过机械传动机构来实现太阳能电池板自动跟踪光线的目的。
并且对该系统采用二维跟踪方式,以实现太阳能电池板东西方向和南北方向共同调整跟踪,达到进一步提高利用效率、跟踪精度的要求。
[关键词]:
太阳能;自动跟踪;单片机;步进电机;二维运动。
[Abstract]:
Solarenergyisnature'snaturalresourceandithasspreadwidly,richly,renewabllyandhaspollution-freehighcharacteristics.Itsdevelopmentandusehasbecomehotspotsinthefield.Thesolutionoftheefficientuseofsolarenergybecomethekeytoallproblem.Theincreaseofsolarenergyefficiencywilldirectlyaffectourenergystructureanditwillhavemajoreffectsonnationalsustainabledevelopment,constructionresourcesavingandenvironmentalfriendlytypeofsociety.
Basedonsolarenergyutilizationefficiencyconsiderations,thisdesignchoicessolarautomatictrackingdeviceinordertoachievetotrackthesunlightpositionatanytimeandmakethesunexposuretothetrackingdevicetothemaxtomeetthefulluseofsolarenergy.
Thedeviceisacontrolautomatictrackingsystemwhichbasedonmicrocontroller.Byconsideringtheposition,illuminationsomewhere,andotherfactors,microcontrolleroutputscontroldatatocontrolthesteppingmotor.Thissystemrealizesautomatictrackingforthelighttothesolarpanelsthroughthemechanicaltransmissionanditisusedtotrackoftwo-dimensionalwayinordertorealizecommonadjustingtrackingforthesolarpanelseast-westdirectionandnorth-southdirection.Thissystemfurtherimprovestheutilizationefficiencyandtherequirementsoftrackingprecision.
[Keywords]:
solarenergy;automatictrack;microcontroller;steppingmotor;two-dimensionalmovement.
目录
第1章绪论 1
1.1能源现状及发展 1
1.2目前太阳能的开发和利用 1
1.3课题研究的目的和意义 2
1.4太阳能利用的国内外发展现状 2
1.5太阳追踪系统的国内外研究现状 3
1.6本论文的研究内容 3
第2章太阳能自动跟踪系统总体设计 4
2.1太阳运行的规律 4
2.2总体设计原理 4
2.2.1平面四杆机构原理 4
2.3跟踪方案的设计 5
2.4总体结构 7
第3章机械部分的设计 8
3.1齿轮的选择 8
3.1.1材料选择 8
3.1.2尺寸计算 8
3.2滚珠丝杠副的选择 10
3.2.1材料选择 11
3.2.2滚珠丝杠副结构的选择 11
3.2.3滚珠丝杠副尺寸的选择 12
3.2.4滚珠丝杠副支承方式的选择 12
3.3太阳能电池板 14
3.4底座的设计 16
3.5中心轴的选择 16
3.5.1尺寸设计 16
3.5.2轴的校核 16
3.6轴承的选择 17
3.6.1轴承1的选择 17
3.6.2轴承2的选择 17
3.7联轴器的选择 18
第4章控制部分的设计 21
4.1光电转换器 21
4.1.1光敏电阻传感器 21
4.1.2光电转换电路 23
4.2步进电动机及其驱动电路 24
4.2.1步进电动机介绍 24
4.2.2步进电机的选择 26
4.2.3驱动电路 26
4.3单片机及其输入电路 29
4.3.18031单片机 29
4.3.2单片机的输入电路 30
4.4控制的实现过程 32
4.4.1系统的整体电路图 32
4.4.2系统的流程图 33
总结及展望 35
致谢 36
参考文献 37
烟台大学文经学院毕业设计
第1章绪论
1
烟台大学文经学院毕业设计
1.1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[1]。
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。
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,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。
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960×10km,占世界总面积的7%,居世界第三位。
据估算[2],我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×10kJ,全国各地太阳年辐射总量达335~837KJ/cm2A,中值为586KJ/cm2A。
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/cm2a,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
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