伺服机构的设计与实现(硬件)论文.doc

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毕业设计论文
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
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 960×10 km，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 50×10 KJ，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。例如四川省省会成都市，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 84。其它地区的太阳年辐射总量居
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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。
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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
[12] 利用， 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
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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， 世纪末， 21 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。
16 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
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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。
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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
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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
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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。
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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。
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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 V2V2，装置正常工作。
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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
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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。
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3.2 键联接计算
3.2.1 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 L1 = l - b = 120 - 20 = 100 键的材料选用 45 钢，则 [σ P ] = 80 MPa 联接所能传递的转矩 1 1 T = hl1d [σ P ] = ×12 × 100 × 100 × 80 = 2400 Nm > 2100 Nm 4 4 所以满足要求。
式(3.36)
3.2.2 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 L 1 = l - b = 9 2 - 1 2 = 8 0 键的材料选用 45 钢，则 [σ P ] = 80 MPa 联接所能传递的转矩 1 1 T = hl1d [σ P ] = × 10 × 80 × 89 × 80 = 1424 Nm > 1200 Nm 4 4 所以满足要求。
式(3.37)
3.2.3 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。 [σ P ] = 80 MPa
Z=20,h=5mm,l1=80mm rm=12mm
联接所能传递的转矩 T = kzhl1rm [σ P ] = 0.7 × 20 × 5 × 80 × 12 × 80 = 6272 Nm > 1200 Nm 所以满足要求。
式(3.38)
3.2.4 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。
[σ P ] = 80 MPa
Z=20h=5mm,l1=100mm rm=12mm
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联接所能传递的转矩
T = kzhl1rm [σ P ] = 0.7 × 20 × 5 ×100 ×12 × 80 = 6720Nm > 2000Nm
所以满足要求。
式(3.39)
3.3 抗风性分析
3.3.1 底座上螺钉校核
危险截面面积
Ac =
π
4
(d1 ?
H 2 ) = 1045mm 2 6
式(3.40)
螺钉应力副
σa =
Fa = 9000 N Ac
式(3.41)
选择螺钉的性能等级 5.6 级 则 σ B = 5 × 100 = 500MPa
σs = 6×
螺钉疲劳极限
σB
10
= 6×
500 = 300 MPa 10
式(3.42) 式(3.43)
σ ?1 = 0.32σ B = 0.32 × 500 = 160MPa
极限应力幅
σ a lim =
许用应力幅
ε km ka
kσ
σ ?1 =
0.62 × 1× 1.5 × 160 = 43.1MPa 3.45
式(3.44)
σa =
σ a lim
[ sa ]
=
43.1 = 14.4 MPa 3
σ a < [σ a ]
所以螺钉强度满足条件。
3.3.2 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 。
σ B = 650MPa σ s = 360MPa
对称循环疲劳极限 式 (3.45)
σ ?1b = 0.44σ B = 0.44 × 650 = 286 MPa τ ?1 = 0.30σ B = 0.3 × 650 = 195MPa
脉动循环疲劳极限
式(3.46)
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σ 0b = 1.7σ ?1b = 1.7 × 286 = 486MPa σ 0 = 1.6τ ?1 = 1.6 ×195 = 312MPa
等效系数
式(3.47)
σ 0b 2τ ? τ 2 × 195 ? 312 = 0.25 ?τ = ?1 0 = 312 τ0
截面上的应力
σ =
2σ ?1b ? σ 0 b
=
2 × 286 ? 486 = 0.18 486
式(3.48)
τ=
T = 10 MPa wT
τa =τm =
有效应力集中系数
τ
2
= 5MPa
kσ = 1.77, kτ = 1.31
表面状态系数
β = 0.92
尺寸系数
ε σ = 0.88, ετ = 0.81
弯曲安全系数 设为无限寿命，k=1
1× 286 = 6.38 1.77 kσ × 20.5 σ +? σ βε σ a σ m 0.92 × 0.88 k N σ ?1 1×195 sσ = = = 19.62 kτ 1.31 × 4.95 + 0.25 × 4.95 σ +? σ βετ a σ m 0.92 × 0.81 sσ sτ 6.38 × 19.62 s= = = 6.07 > 1.5[ s ] 2 2 sσ + sτ 6.382 + 19.622 sσ = = k N σ ?1b a
式(3.49)
轴强度满足要求。
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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
单片机
驱 动 器
步 进 电 机
电源
图 4-1 系统总体结构
4.1.1 系统总体电路图
系统总体电路图，即在总体结构的基本框架下运用光敏电阻作为传感器，以及相应的 光电转换电路将采集到的信号输入单片机，单片机经过已编制好的 c 程序的控制，将脉冲 输入驱动芯片，从而驱动步进电机正反转。具体过程如下：当阳光正对太阳能板时，光敏 电阻 R1、R2 都是高电阻， U1、U2 相等。芯片 LM358 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 U1 大于 U2，比较出的结果就是 P1.0 口输入为 1、P1.1 口输入为 0，则电机正转；反之 电机反转。
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图 4-2 系统总体电路图
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