太阳能跟踪系统设计

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

课程名称：自动控制元件

院系：航天学院控制科学与工程系班级：

设计者：

指导教师：

设计时间：2011年12月

摘要

能源是人类生存的基础，当前，人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，而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，同时太阳能也存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使当前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。而太阳光线自动跟踪装置能有效地解决太阳能利用率不高的问题。本文对太阳能跟踪系统进行了自动跟踪系统控制部分设计和机械设计。

第一，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，将九个完全相同的光敏电阻成九宫装放置于一块电池板上。当九个光敏电阻接收到的光强度不相同时，产生电流信号。电流通过信号转换电路生成脉冲信号，然后脉冲信号通过运放比较电路将信号送给单片机。通过给单片机录入程序使单片机驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。

第二，机械部分设计：

机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。通过以上原件实现了水平方向和垂直方向的跟踪。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。

关键词太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机

1绪论 (5)

1.1课题来源 (5)

1.2课题背景 (5)

1.2.1能源现状及发展 (5)

1.3课题研究的目的 (6)

1.4研究课题的意义 (6)

1.5太阳能利用的国内外发展现状 (7)

1.6太阳追踪系统的国内外研究现状 (7)

1.7论文的研究内容 (8)

2太阳能自动跟踪系统总体设计 (9)

2.1太阳运行的规律 (9)

2.2跟踪方案的比较选择 (9)

2.2.1视日运动轨迹跟踪]3[ (9)

2.2.2光电跟踪 (11)

2.2.3系统跟踪方式的选择 (12)

3机械设计部分 (12)

3.1跟踪器机械执行部分比较选择 (12)

3.1.1立柱转动式跟踪器 (13)

3.1.2陀螺仪式跟踪器 (14)

3.1.3齿圈转动式跟踪器 (14)

3.2太阳能自动跟踪系统机械设计方案 (16)

3.3第一齿轮转动计算 (17)

3.4第二齿轮转动计算 (18)

3.5抗风性分析 (18)

4电机选择 (19)

4.1电机所需静力矩计算 (19)

4.1.1电机1静力矩 (19)

4.1.2电机2静转矩 (20)

4.2电机选择 (21)

4.2.1 电机的主要种类及其相应特性及特点 (21)

4.2.2电机种类的选择 (24)

4.3步进电动机介绍 (26)

4.3.1总述 (26)

4.3.2步进电机的主要特性 (27)

4.3.3步进电机型号的选择 (29)

5传感器的选择 (37)

5.1光电传感器 (37)

5.1.1光电探测器]6[ (37)

5.1.2典型光敏电阻传感器 (39)

5.1.3高精度光敏传感器]5[ (41)

5.1.4日晷式太阳传感器 (43)

5.1.5五象限光电传感器 (43)

5.1.6太阳敏感器 (45)

5.2光电传感器的确定 (46)

5.3风速传感器 (47)

6自动跟踪系统设计 (48)

6.1系统总体结构 (48)

6.2系统流程图 (49)

6.2.1系统主流程图 (49)

6.2.2风速测试子流程图 (49)

6.2.3光照强度测试子流程图 (50)

6.3系统控制图 (51)

6.4外围电路 (51)

7相关理论性能指标分析与计算： (53)

7.1分辨率 (53)

7.2发电效率 (53)

7.3系统运转角度 (54)

7.4电机负载启动频率]4[ (54)

7.5成本分析及收益计算 (55)

8结论 (55)

8.1设计过程的概述 (55)

8.2展望 (56)

8.3感想及心得 (56)

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

目前，人类生存主要依靠的能源是以石油、煤炭、天然气为主的矿物燃料。众所周知，这类矿物能源是不可再生能源，包括我国在内的很多国家都在认真积极的探索新能源以及可再生能源的开发和利用。

而在众多新型能源中，太阳能作为一种清洁、可再生、利用成本低、安全的新型能源，在众多新能源中脱颖而出。而就现阶段的应用来看，太阳能也是当之无愧的最有新型能源。

1.2.2我国太阳能资源

我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。全国2/3地区日照小时数大于2200h/a ，理论储量折合标准煤达17×1011t/a 。丰富区位于吐哈、柴达木、二连、银额盆地；较丰富区位于塔里木、准噶尔、鄂尔多斯、松辽及渤海湾盆地。目前利用太阳光光能发电已成为主流，中国也在加紧研发光伏电池和如何降低成本等问题。

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