太阳灶的设计

自动对光太阳灶的设计

开题报告

班级（学号）：电气0801（2008010952）姓名：王天琦

指导教师：白雪峰

一、综述

改革开放三十余年来，我国经济发展突飞猛进，再加上庞大的人口基数，中国目前已列居为世界第二大能源消费国。据统计全球对化石燃料能源的消耗在二十世纪七十年代约为80亿吨标准煤,而在二十世纪末,这种消耗达到了140亿吨标准煤,即25年间就增长了近70%,而近十年化石燃料的消耗增长近20倍,预计到2020年全球对能源的消耗会再翻一翻.根据公认的估算,如果人类对能源的追求以现在的速度增长,全球的石油燃料将在今后40年间被耗尽,而天然气和煤至多也只能维持60年和200年左右。所以，能源问题迫在眉睫，新能源的开发与使用已成为目前我国以及全世界的首要任务。

太阳能作为一种新能源，与常规能源相比，它是人类可以利用的最为丰富的能源。地球每天收到的太阳能约4×1015千瓦时，相当于2.5×108万桶石油，而我国每年接收到的太阳照射产生的能量为335～873KJ/cm2。而且，据估计，在过去的漫长的11亿年中，太阳仅消耗了它本身能量的2%。所以，太阳能资源可谓是取之不尽用之不竭。同时，太阳能资源不存在运输问题。而且，作为一种洁净的能源，它在开发利用时，不会产生废水、废气、废渣、也没有噪音，是代替传统化石能源的最佳选择。

能源与人类的文明发展和百姓的衣食住行密切相关。现如今，百姓的烧火做饭主要依靠天然气和煤炭这些不可再生能源，燃煤或烧柴火冒出的炊烟更是严重污染大气环境。太阳能灶作为一种节能环保的新型炊具，做到零污染且一次投资永久受益。但由于太阳照射位置的时变性，使调节太阳能灶实时自动对光变得不便利。

二、研究内容

（一）研究方向

在本题目中，首先要研究太阳能光伏发电系统，以及如何对太阳能光伏发电系统进行最大功率跟踪控制。通过课本以及查阅相关资料，了解最大功率跟踪的控制方法，如恒电压控制法、扰动观测法、导纳增量法这些基本控制方法。通过对这三种方法的分析和理解，并结合设计中实际的精度以及环境条件要求，选择一种方法，确定采样信号，运用单片机控制实现最大功率跟踪。该设计的实质是进行单片机对步进电机的控制。

太阳灶是利用太阳能辐射，通过聚光获取热量，进行炊事烹饪食物的一种装置。它运用了旋转抛物面的聚光原理，当阳光照射到有高效反光涂层的反射面上后，平行光会被集中反射到一个特定位置，在该位置的温度会升高，从而达到加热烧水做饭的目的。太阳能灶的使用能够起到节约能源保护环境的作用。但因为太阳在一天中的照射角度会根据时间而变化，而且天气因素更有局限性，所以太阳能灶的手动调节不仅不精确，而且很麻烦。在此，本设计致力于研究一台可自动跟踪太阳方位，达到太阳灶在使用过程中的实时自动对光，并且控制太阳灶转动电路和电机的用电均为太阳能发电，使该设计做到最大限度的节能环保。

自动对光太阳灶系统包括太阳能灶、传动装置、步进电机、控制电路、太阳能电池、蓄电池等

组成。根据太阳照射位置的变化，使太阳灶直对太阳。

（二）研究内容

1、步进电机的运行原理、构造

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机转速 =

x

T

f1 360

60

⋅

⋅

步进电机的转速单位是：转/分

f单位是：赫兹

x实指细分倍数

T:固有步进角

步进电机结构主要分为：

外壳、定子、转子、马达、钢球、支架、弹簧垫片、垫圈、轴承、丝杆轴、齿轮（滑轮）等部品。

部品名称及用处；

⑴外壳：包装支撑马达，外壳极齿在定子励磁时被磁化产生磁场。

⑵定子：由线圈架、铜线、极齿组成，定子在励磁时极齿被磁化产生磁场，并与转子磁场相互作业。

⑶转子：由磁铁、轴（丝杆轴）、衬套组成。磁铁经着磁后形成永久性磁铁，并根据着磁模具的极数不同而形成不同的磁极对数，并与定子磁场产生相互作用。

⑷轴、丝杆轴：带动外部结构运动。

⑸齿轮、滑轮：带动外部机构将转矩传递出去。

⑹钢球：将转子置于定子的中心位置；支撑转子，起滚动轴承的作业，减少转动时的摩擦阻力。

⑺弹簧片：它可以消除转子在静止或转动时的轴向间隙，使转子在静止或转动时预先受到一种压力－预压。它能弥补转子轴向间的磨损量。

⑻轴承：支撑轴的运转，承受轴的径向压力。

⑼垫圈：转子与轴承之间的介子，防止轴承与磁铁或衬套直接接触而减少摩擦阻力，并可调整马达的间隙寸法及调整转子所受的预压力。

⑽支架：支撑丝杆轴，使底板中的钢球与支架上的支点轴承上的钢球将转子支撑起来，马达转动时带动滑架进行运动。

2、自动太阳灶传动部分原理

传动部分使用蜗轮和蜗杆：

蜗杆传动用于传递空间交错两轴间的动力和运动，交错角为90度。蜗杆为主动件，蜗轮为从动件。步进电机与蜗杆同轴相连，将太阳灶下端装设蜗轮。这样，步进电机就可带动太阳灶进行小幅度的转动调节，使太阳灶的反光面对追太阳直射方向。

机械传动装置结构如图1：

图1机械传动装置结构图

3、太阳能光伏电池

太阳能光伏电池是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。

4、蓄电池

蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。它的工作原理就是把化学能转化为电能。它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28%的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。

在本设计中，蓄电池作为储能器件，储存太阳能电池发出的电，并作为电源对控制电路以及步进电机进行供电。

5、控制电路

控制器设计后，通过单片机对步进电机行程进行控制。控制电路设计时将进行绘制原理图、芯片、器件选择、PCB的绘制和制作电路板的工作。之后对步进电机的控制和太阳灶的自动对光功能进行调试并得出实验测试数据，得出有价值的结论。

单片机介绍：

STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C 振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。

6、效益分析