光伏发电智能追日系统的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘  要  人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，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。但是太阳能又存在着低密度，间歇性，空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一些列太阳能设备对太阳能的利用率不高。光伏发电智能追日系统解决了太阳能利用率不高的问题。本文对追日系统进行了机械设计和自动跟踪系统控制部分的设计。  第一，机械部分设计：  机械结构主要包括底座，主轴，齿轮等，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 通过减速器带动 Z 向主轴转动，实现水平方向跟踪，同时控 制信号驱动步进电机 2 带动齿轮 1，齿轮 1 带动齿轮 2 和 Y 向主轴转动，从而使太阳能电池板实现垂直方向转动，通过步进电机 1，步进电机 2 的共同工作实现对太阳的跟踪。  第二，控制部分设计：  主要包括信号转换电路，单片机系统和电机驱动电路等。系统采用电压检测模式实现对太阳的跟踪。将太阳能电池板用两块遮光板隔开，当太阳能电池板接受的光强度不同时，输出电压不同，通过比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。  关键词 :太阳能 ,跟踪 ,单片机 ,步进电机  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 he is so on of to is so on to be to to to to to on of  a    s to to to by  to  to a  a   to  so to of by a  to of   of    a to of  be by a is by at  is to a  to  文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目     录  1. 绪论  . 1 题来源  . 1 题目的  . 1 题意义  . 1 内外研究现状与发展趋势  . 3 究内容  . 4 究方案  . 5 2. 系统机械部分设计 . 6 械部分工作原理  . 6 矩计算  . 6 机选型  . 7 速器设计  . 12 的结构设计  . 17 轮设计  . 18 3. 机械零件的校核及选用  . 26 轴器的选用  . 26 承的分类及选用  . 26 的分类及选用  . 27 4. 系统控制部分设计 . 29 片机的选型  . 29 片机外部接线设计  . 30 片机控制方案  . 31 5. 结论  . 34 论  . 34 望  . 34 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 参考文献  . 35 致谢  . 35 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1. 绪论  题来源  本课题来自科研课题和社会需要，是设计一种自动调节太阳能电池板角度以加强对光能的利用率的系统，基于单片机控制，实现太阳角的测量、步进电机的驱动，可实现自动控制，精确定位等功能 ，显著提高太阳能光伏组件的发电效率。  题目的  太阳能是资源丰富、无污染的能源替代品，如何提高对太阳能的利用率逐渐成为了各国关注和研究的焦点。太阳能的利用主要存在以下问题：首先，太阳能虽然资源非常丰富，但能量比较分散，集中在某点的能量较少，并且太阳光照的方向决定了较长时间内不可能在固定方向一直获取较大的能量；第二，太阳能受环境条件的制约，只有在白天太阳光线较好的情况下，才能获得稳定的太阳能；第三，太阳能电池板的转换效率不高，目前世界上太阳能电池板的转换效率最高也只有 30，而国内使用的转换效率大都在 20左 右 1。  追日跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，与固定式相比，追日跟踪系统将增加大于 35%的太阳辐射接收量，能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率 2。  题意义  随着人类发展的速度加快，社会现代化、能源化的进步，世界各国各地对能源的消耗量和需求量越来越大，对能源的开采也越来越凶猛，已经达到了肆无忌惮，完全不顾虑可再生和环境问题了，造成了世界范围内的能源危机，而能源危机直接影响到了人类的发展延续，如果在地球上所有储备的化石能源 (石油、煤炭等 )消耗 完之前找到可以替代的大规模绿色安全能源，不要说人类文明的停滞，出现战争也是不可避免的。因此，能源危机现在不仅仅是当今世界关注的热点问题，还已经成为了各国发展的焦点问题了3。  按照可持续发展的目标模式，我们不能单靠消耗矿物原料来维持口益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力十对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 特优势的太阳能具有能源巨大，接收面广，供应几乎无时间限制，具有广阔的开发前景，在人类能源科学尚未出现突破性进展的前提下，这几乎就是最绿色有效的能源了 4。  太阳能有以下几点好处 : （ 1）  普遍 性  太阳光照射的面积散布地球大部分角落，除了南北极外几乎不会有死角，而在平均太阳照射最强烈的赤道上，又大多数地带是海洋，属于世界上可以共同开发的地区，不会出现什么技术垄断，地域端争端的问题 5。  （ 2）  永久性  太阳的寿命安全期就有 50 亿年，因此几乎不用考虑其寿命，即可以视太阳能为永久能源。  （ 3）  无污染性  现今使用最多的矿物能源 (石油、煤炭、木材等 )，滋生的问题几乎都是废物的处理，所谓物质不灭，能源消耗越多，产生污染也急剧增加，太阳能则无危险及污染，在人与自然和平共处的原则下，使用太阳能最和谐 6。  煤炭、石油等矿 物燃料产生大量有害气体和废渣，而使用太阳能则不会带来污染，不会排放出任何对环境不良影响的物质，是一种清洁的能源。不过，大量的使用太阳能，由于太阳能的充分利用，结果会使环境的温度稍微升高，但是放射到地球的太阳能总量是一定的，人类保留太阳热量达不到温室气体的效果，所以不致对环境造成不良影响 7。  （ 4）  太阳能安全可靠性  核能发电会有核泄漏的危险，一旦核泄漏了便会造成极大的生态危机，而太阳能绝没有这种情况，是十分可靠的。  （ 5）  节省运输费用  太阳能发电如果能普及，那么除了极少的地区，大部分城市和农村都可以有自己的太阳能发电 基地，节约了大量的管道线路架设、维护、防盗费用，就算主要传输线路被切断，或者交通、通讯被切断，只要太阳还能照射到这里，那么生产生活就可以继续维持，也是人类文明安全系数提高的表现 8。  太阳能是“取之不尽，用之不竭”的，无污染的可再生能源。在人类出现之前到现在这很长一段时间内，太阳能大部分从我们身边溜走，只有及少的转化为化学能保留了下来，但人类就依靠这亿万年以来残留的极少部分能源发展到了现在。  随着科学技术的飞速发展，太阳能逐渐被开发利用，并已成为最有发展前景的环保买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 能源之一。  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，该系统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的智能追日系统的研究与发展，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，大力发展太阳能，对节约能源，保护环境也具有重大的意义9。  太阳能是一种低密度，间歇性，空间分布不断变化的能源 10，这样的特点对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管各国相继研发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，但是太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要 是对太阳能的利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高对太阳能的利用率，仍为国内学者研究的热点问题，解决这一问题可以从以下两个方面着手 11，一是提高太阳能装置对太阳能量的转换率，二是提高对太阳能的接受效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者则可以利用现有的技术来解决。光伏发电智能追日系统为解决这一问题提供了可能。  内外研究现状与发展趋势  虽然我国有着十分丰富的太阳能资源，尤其是西部地区由于地理位置较好，太阳辐射总量很大，但是我国的太阳能事业还处于起步阶段，现在也只是开发了一些小型的太阳能设备。比如：太阳能热水器，太阳灶，太阳能热发电系统和小型太阳能光伏发电系统，这些太阳能设备只能满足一小部分人的需要 12。  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，接收器的接受效率提高了。 19998 年美国加州成功的研究了 轴跟踪器 13，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退出了新型太阳能跟踪装置，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，大大扩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，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是可以概括为以下两种：一种是光端追从方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 环的程控系统 14。  究内容  （ 1）  课题预计达到的目标  通过对市面上一经出现的相关同类产品以及国内外的各种专利进行研究与分析，从使用的实用性，可行性，简易性出发 ，以减少制造成本，增加可利用性，满足后续设计研发和创新的目的，设计一个基于单片机控制的光伏发电追日系统，能够通过电机的驱动、各部分传动机构的传输以及单片机技术的控制，实现由单片机控制的太阳能电池板自动旋转与俯仰，以达到提高光能利用率的功能。与此同时，通过本次设计对自动追日系统有一定的了解，清晰了自动追日系统结构设计全过程及工作特点，运用所学知识解决设计中问题，达到综合训练的目的，提高独立工作能力，巩固所学知识，并有所进步，增强机械创新设计的能力。  跟踪器实现自动跟踪的原理如图 1示，当太阳光线发生偏移的 时候，太阳能电池板产生电压，经过 A/D 转换，将信号传递给单片机，单片机通过计算输出控制信号驱动步进电机 1 带动轴 1 运动，并通过齿轮传递给轴 2 使得转动架与太阳能电池板转动，同时控制信号驱动步进电机 2 带动轴 3 使得电池板做俯仰运动，从而实现太阳能电池板角度的自动控制。  图 1能追日系统控制结构框图  （ 2）  电机类型  电动机 按用途可划分 为 驱动用电动机和控制用电动机 。  驱动用电动机可划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、 吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。   买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 控制用电动机 可 划分 为 步进电动机和伺服电动机。   （ 3）  传动机构  机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有目的地加以利用。 我们 主要 用的传动机构有 齿轮传动、带传动 、 链传动 以及滚珠丝杠副传动等。  （ 4）  控制系统  电气控制方面主要分为 制和单片机控制。  一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部 存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。  单片机是一种集成 电路 芯片，是采用 超大规模集成电路 技术把具有数据处理能力的中央 处理器 机存储器 只读存储器 种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器 等功能（可能还包括显示驱动电路、 脉宽调制 电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器 等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的 微型计算机系统 ，在工业控制领域的广泛应用。  究方案  （ 1）  通过资料查阅与分析，了解技术的国内外现状和发展趋势（对国内外技术及现有产品进行对比分析）；  （ 2）  分析设计要求，比较几种可行的传动方案性 能；  （ 3）  按所需要求，对智能追日系统进行整体规划（包括智能追日系统的传动方式、模块化设计等）；  （ 4）  确定各个机构的类型并进行具体设计（包括零件尺寸设计、零件材料选择）；  （ 5）  制定机械结构的加工工艺路线；  （ 6）  完成电气控制部分设计（包括供电方式、控制顺序、单片机程序及接线图  ）；  （ 7）  绘制图纸；  （ 8）  完成设计说明书。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2. 系统机械部分设计  械部分工作原理  图 2作原理图  机械部分工作原理：  工作时，步进电机 1 通过减速器带动 Z 向主轴旋转实现太阳能电池板的水平旋转，步进电机 2 通过齿轮传动带动 Y 向主轴旋转实现太阳能电池板的俯仰。  矩计算  由 件测得，支架的体积为 ，又 45 则质量为  阳能电池板的质量为 20 当太阳刚升起或落下是太阳能电池板处于最低处，力矩最大，受力图如图所示：将太阳能电池板简化成一质点，则电池板与支架的重力 20 。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 2力分析图  由图 2力分析图可得方程：  187c o s                       （ 2 可求得 F= 将力矩转换到电机轴上                       （ 2 转动惯量  23                   （ 2 机选型  电动机的类型根据动力源和工作要求选用步进电机。  步进电机作为 执行元件 ，是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用 16。   步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（即步进角）。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 还 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。  步进电机按照工作原理可分为反应式（磁阻式）、永磁式和混合式（永磁感应式）步进电动机。利弊权衡，从体积、价格以及总的传动比等考虑，电机 1 决定采用110号的系列二四相混合式步进电机，因为反应式（磁阻式）步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁且动态 性能较差，电动机升温较高。而永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，虽然动态性能好，断电是有自锁能力，但制作成本较高。其转子又受磁钢加工的限制，因而步矩角较大，要求与之配套的驱动电源有细分功能。  之所以选择 110电机是因为该电机性能良好，可以满足要求。并且混合式（永磁感应式）步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，定子和转子的导磁又与反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式。该类型电动机的特点是输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低。具有较高的性能 /价格比，在现代工业生产 中有广泛的应用。  110电动机的主要性能参数如表 2示  表 210动机主要性能参数  技术参数  型号  步距角  机身长  额定电流  相电阻  相电感  保持转矩  转动惯量  重量  11021 0 8 5000 1075 3 400 1020 2 18 12600 12 11050 0 22 16800 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 110电动机的外形尺寸如图 2示  图 210电动机外形尺寸  步进电机 2 选择 130，负载转矩为 主要性能参数如表 2示  表 230动机主要性能参数  130步进电机机械尺寸如图 2示  型号  电压  电流  电阻  电感  保持  转矩  定位  转矩  引线  转子  转动惯量  重量  机身长  V A  g 300350 6 3  25000 70 1300350 6 8 25  30000 99 1300350 6 2 35  35000 26 1300350 6 9 45  45500 22 280 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 230步进电机机械尺寸  频距特性：  图 230步进电机频距特性  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 230步进电机频距特性  图 230步进电机频距特性  图 230步进电机频距特性  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 速器设计  定减速器总传动比及其分配：  减速器总传动比选择  20/ 工作机电机                     （ 2 式中 i 传动装置总传动比  电机n 步进电机转速，单位 r/作机n 工作机的转速，单位 r/ 计算传动装置的运动和动力参数：  （ 1）  各轴的输入功率：  电机轴  1 （ 2 轴 1 4 轴联          （ 2 轴 2 412 联轴蜗   （ 2）  各轴的转速：  电动机  2.0   轴 1 m m  轴 2 m 01/ 312  （ 3）  各轴的输入转矩：  电动机轴  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 9 7  5 0/9 5 5 0 5         （ 2 轴 1 550 5111  轴 2  3101/ 5 0/9 5 5 0 35222  轮蜗杆的设计计算：  （ 1）  选择蜗轮蜗杆类型，材料，精度：  根据 10085推荐，采用渐开线蜗杆 (杆材料选用 45 钢，整体调质，表面淬火，齿面硬度 45508 级精度，标准保证侧隙 c。  （ 2）  计算步骤：  1）  按接触疲劳强度设计：  设计公式   h （ 2  选 1z , 2z : 取 21z 。  40101/32112           （ 2 2z 在 3064 之间，故合乎要求。  初估  。    涡轮转矩 2T ：   6 8 3 0 9 612   （ 2  载荷系数 K: 因载荷平稳，查表取 K=  材料系数 查表56  许用接触应力 H ：  查表取 H =220文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7201 2 0 0 011016060 32        （ 2 1010 8 78 7                   （ 2 M p  2 62 2               （ 2  12   h e  3 0 9 （ 2  初选 2m ， 1d 的值：  查表取 m=1d =63。   9  0 012  导程角：  r c t a a                   （ 2  滑动速度 s /o  0 060 o  0 060 511      （ 2  啮合效率  由 查表的 '161v   8 9  1t a n ( a nt a n t a v （ 2 11 传动效率 ：  取轴承效率 ，搅油效率    4 6 7 612  12 检验 12值：  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 原选参数满足齿面接触疲劳强度要求。  2）  确定传动的主要尺寸：  ， 31 ， 21z ， 392 z    中心距   )( 21            （ 2  蜗杆尺寸：  分度圆直径 1d    31  齿顶圆直径1 111 齿根圆直径1导程角     n   右旋  轴向齿距      齿轮部分长度 1b    21  取 01    涡轮尺寸：  分度圆直径 2d      齿顶高   2 齿根高   (2 齿顶圆直径2  52 222 齿根圆直径29384)(222 导程角     n   右旋  轴向齿距    X  涡轮齿宽  2b    2 齿宽角   2/s 12  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3）  热平衡计算：  估算散热面积 A            （ 2 验算油的工作温度常取 20 。  散热系数 2/20。    5  0 0 0)1(1 0 0 0 01  （ 2 油温未超过限度。  4）  润滑方式：  根据 查表采用浸油润滑，油的运动粘度 1035040 26  轮蜗轮轴的结构设计：  1）  蜗轮轴的设计：    选择轴的材料：  选取 45 钢，调质，硬度 30，强度极限 00 ，由表查的其许用弯曲应力 51    最小直径估算：  （ 2 C 查机械设计 手册得 60c    47101  5m d  根据机械设计选 48d    确定轴各段直径和长度：  蜗轮轴最下端与轴承配合  701d  2d 与蜗轮配合， 取 772 d  3于定位齿轮，取 873 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4d 与轴承配合，取 704 d  5 505 蜗杆轴的设计：    选择轴的材料  选取 45 钢，调质处理，硬度 30，强度极限 50 ，屈服极限 60，弯曲疲劳极限 ，剪切疲劳极限 ，对称循环变应力是的许用应力 01 。    最小直径估算：  m i n 取 30d  蜗杆和轴做成一体，即蜗杆轴。  的结构设计  Z 向主轴主要起支撑与传递旋转运动的作用，最下端与联轴器相连，上端通过焊接与支撑板 相连。轴的各段直径与长度如图 2示  图 2 向轴各段直径与长度  Y 向主轴主要起传递俯仰运动的作用，两端通过键连接与太阳能支撑架相连。轴的各段直径与长度如图 2示  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 2 向轴各段直径与长度  轮设计  轮材料选择：  选用直齿圆柱齿轮传动，由于速度不高，故选用 8 级精度（ 0095选择小齿轮材料为 45 钢（调质后表面淬火），硬度为 45择大齿轮材料为 45 钢（调质后表面淬火），硬度为 45 根据齿面硬度值，对工业齿轮，通常按 质量要求，查机械设计手册得  小齿轮  1 1120H  ，1 360 大齿轮  2 1120H  ，2 360  算步骤：  （ 1）  按齿根弯曲强度计算齿轮模数（单位 m：  13 21m        （ 2中    弯曲强度螺旋角系 数   配对材料系数  K 载荷系数，常用值  2K   复合齿形系数  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1z 小齿轮齿数  d 齿宽系数  1T 小齿轮转矩（ ）   许用弯曲应力（   确定公式内的各计算数值 ：  工件转速较低，要求有一个较大的转速比，小齿轮齿数尽量取小。所以初定小齿轮齿数 201z 。  根据 步进电机的选型，转速 等要求，初选齿数比 25.1i 。  小齿轮传递的转矩即 步进电机 输出的转矩   齿宽系数在 2 0 . 2 0 . 61 范围内取值，初定 5.0a螺旋角系数 （螺旋角 0）  配对材料系数 1（钢对钢）  复 合齿形系数 许用弯曲应力11 360F P F  p a；22 360F P F  p a模数   0201  2 故取模数为 4。  又 201z ， 25.1i ，所以 取 252 z  中心距  9042 25202 21 （ 2）  主要尺寸与参数 ：  小齿轮分度圆直径：  020411  大齿轮分度圆直径：  0 025422  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 小齿轮齿顶高：  411 小齿轮齿根高：  齿轮全齿高： 4111 小齿轮齿顶圆直径： 842802 111 小齿轮齿根圆直径： 2802 111 大齿轮齿顶高：  412 大齿轮齿根高：  齿轮全齿高：  4222 大齿轮齿顶圆直径： 08421002 222 大齿轮齿根圆直径： 21 0 02 222 齿轮宽度：1 0 . 5 8 0 4 0db d m m 取2 40b 1 50b  （ 3）  按接触强度验算传递功率能力 ： &