太阳能发电系统自动跟踪装置设计-两边电池板发电【含9张CAD图纸+PDF图】
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摘 要当今世界能源短缺，环境污染，化石能源濒临枯竭，在这种情况下，可再生能源的利用就显得尤为重要。太阳能以其储量的无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，其开发利用是最终解决常规能源特别是化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类理想的替代能源。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，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。为了提高太阳能发电系统的效率，本文设计了双轴太阳能自动跟踪系统。本系统利用步进电机带动蜗轮蜗杆减速器以实现对太阳水平方向角的跟踪，并利用蜗轮蜗杆减速器的特性实现系统的自锁。利用步进电机带动丝杠使发电系统围绕水平轴以实现对太阳高度角的追踪。为了使电池板能在恶劣天气下实现自动收放，利用步进电机带动行星轮减速器，驱动具有不同旋向的丝杠以实现两侧板的同步反方向运动。最后，本文给出了三个步进电机控制系统的流程图。关键字：太阳能 双轴跟踪 蜗轮蜗杆减速器 行星轮减速器 ABSTRACTAbout energy consumption, there is same problem, such as energy shortage, environmental pollution, and the fossil sources drying up. In this case, it is very important to develop and utilize renewable energy. Solar energy have some advantages, for example limitless reserves, distributing everywhere, cleanness and economical. So it is the way to solve Energy shortage, Environmental pollution, and greenhouse effect to develop and utilize renewable energy, and is human perfect replaceable sources.But it also has disadvantages, such as low density, intermission, change of space distributing and so on. These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to improve the efficiency of solar power system, this paper introduces the design of automatic two-axis tracking system . This system drives worm gear reducer to follow the azimuth angle of the sun using step motor , and realize the self-locking function with the character of the worm gear reducer. The step motor drives the ball screw around horizontal axis to follow the altitude angle of the sun. In order to protect the panels in bad weather, the step motor drives the screw to realize the panels moving.Finally, this paper gives the control flow chart of the three step motors.Keywords: Solar energy Two-axis tracking system Worm gear reducer Planetary gear reducer目 录1 绪论11.1 能源概述11.1.1能源现状及发展11.1.2我国太阳能资源11.1.3目前太阳能的开发和利用11.1.4太阳能的特点21.2课题研究的目的21.3研究课题的意义21.3.1新环保能源21.3.2提高太阳能的利用率21.4太阳能利用的国内外发展现状31.5太阳追踪系统的国内外研究现状41.6论文的研究内容42太阳能自动跟踪系统总体设计52.1太阳运行的规律52.1.1赤道坐标系52.1.2地平坐标系52.1.3太阳位置的确定62.2 太阳能跟踪器的机械装置62.2.1单轴跟踪62.2.2 双轴跟踪72.3 太阳能跟踪器的控制方式82.3.1时钟式控制方式82.3.2程序式控制方式82.3.3 压差式控制方式82.3.4光电式太阳跟踪装置92.4机械跟踪装置和控制方式的比较和选用102.4.1机械跟踪方式的选择102.4.2 太阳能电池板收放的实现102.4.3 控制方式的选择113 机械设计部分123.1电池板收放装置的设计123.1.1 行星轮减速器的设计123.2 水平方向角跟踪装置的设计253.2.1 蜗轮蜗杆减速器的设计253.3 俯仰角调节的装置设计334自动跟踪控制系统设计354.1太阳位置跟踪控制系统设计354.1.1光敏电阻光强比较法354.1.2光电转换器364.1.3 AT89C51单片机364.1.4水平方位角跟踪控制系统流程图384.1.5高度角调节控制系统流程图394.2太阳能电池板收放装置控制系统设计395 结 论415.1总结415.2展望41参考文献42翻译部分43英文原文43中文翻译49致 谢531 绪论1.1 能源概述1.1.1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。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。1.1.2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960104km，占世界总面积的7%，居世界第三位。据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为501018KJ，全国各地太阳年辐射总量达335837KJ/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24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。 1.1.3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医疗器具。1.1.4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： 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。1.2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，该装置能定时跟踪太阳光线的运动，保证太阳能电池板与太阳入射光线保持垂直，提高设备的能量利用率。1.3研究课题的意义1.3.1新环保能源长期以来，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，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。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。1.3.2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，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，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: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。1.4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” ，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量15千瓦，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2140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，21世纪末，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。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，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19962020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。1.5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，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，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。1.6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)进行机械装置的设计，完成零件的计算，设计，装配图的设计。(3) 对太阳能电池板收放装置进行设计，实现恶劣天气时多块电池板的收放。(4) 对控制部分进行设计。选用光电传感器作为信号的输入，定时进行太阳能电池板对太阳光线的追踪，提高光电转换的效率。2太阳能自动跟踪系统总体设计2.1太阳运行的规律2.1.1赤道坐标系赤道坐标系是把地球上的经、纬度坐标系扩展至天球而形成的。在地球上与赤道面平行的纬度圈, 在天球上则叫赤纬圈；在地球上通过南北极的经度圈, 在天球上称时圈。在赤道坐标系中, 我们以太阳赤纬角和时角表示太阳的位置（如图2-1）。图2-1 天体的时角和赤纬角如图2-1所示, 通过地心并与地轴垂直的平面与地球表面相交而成的圆,即是地球的赤道, 太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角, 即为太阳赤纬角，其计算公式如下：其中，n为从每年的一月一号算起的天数赤纬角从赤道面起算, 向北为正, 向南为负。显然, 赤纬角变化于土2327。太阳所在的时圈与通过南点的时圈构成的夹角为时角。自天球北极看, 顺时针方向为正, 逆时针方向为负。时角表示太阳的方位, 地球每天旋转360，所以每小时的时角为15。太阳在黄道上的运动实际上不是匀速的, 而是时快时慢, 因此,真太阳日的长短也就各不相同。但人们的实际生活需要一种均匀不变的时间单位, 这就需要寻找一个假想的太阳, 它以均匀的速度在运行。这个假想的太阳就称为平太阳, 其每个周期的持续时间称平太阳日, 由此而来的小时称为平太阳时。平太阳时是基本均匀的时间计量系统, 与人们的生活息息相关。由于平太阳是假想的, 因而无法实际观测它, 但它可以间接地从真太阳时求得。为此, 需要一个差值来表达二者的关系, 这个差值就是时差。2.1.2地平坐标系地平坐标系是以地平圈为基圈, 用太阳高度角h和方位角A来确定太阳在天球中的位置（图2-2）。图2-2 高度角与方位角太阳高度角h是指太阳直射光线与地平面间的夹角。太阳方位角A是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正南向所夹的角, 通常以正南方为0, 向西为正值, 向东为负值。2.1.3太阳位置的确定虽然太阳在天球上的位置每日、每时都有变化, 但是其运行具有严格的规律性。根据其相互运动规律, 我们可以通过天文公式计算出太阳在赤道坐标系中的太阳赤纬角和太阳时角。在实际使用中, 由于太阳赤纬角和太阳时角是建立在赤道坐标系中, 不便于直接应用, 所以一般将其转换到人们所熟悉的地平坐标系中, 即由太阳赤纬和时角计算出太阳高度角和太阳方位角。当太阳高度角和方位角确定后, 太阳的位置也就唯一确定了。太阳高度角计算h公式如下：其中为当地的纬度方位角A为：2.2 太阳能跟踪器的机械装置对太阳光线的跟踪器根据所选用的轴数可分为单轴和双轴跟踪两种方式。2.2.1单轴跟踪单轴跟踪装置一般采用三种方式:(l)倾斜布置东西跟踪;(2)焦线南北水平布置，东西跟踪;(3)焦线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是南北方向或东西方向的单轴跟踪，工作原理基本相似。以第一种跟踪方式为例，阐述单轴跟踪原理，如图2-3图2-3 倾斜布置东西跟踪图2-3所示为单轴跟踪装置的转轴南北倾斜方向布置。控制器计算太阳角度的变化，控制转轴转动，使太阳能电池板作东西运动，以跟踪太阳。采用这种跟踪方式，只有在转轴倾斜角度与太阳高度角互余时才能使得太阳光与电池板相垂直。采用单轴跟踪的特点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集光线的效果并不理想。2.2.2 双轴跟踪如果能够同时跟踪太阳两个角度的变化，就能获得更多的太阳能量，双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪通常可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角方位角式全跟踪。(l)极轴式全跟踪极轴式全跟踪是指电池板的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴。另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。电池板绕极轴用与地球自转角速度相同方向相反的固定转速进行跟踪，电池板按照季节时间的变化围绕赤纬轴作俯仰运动以适应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，但从力学角度分析，在结构上电池板的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。(2)高度角一方位角全跟踪高度角一方位角全跟踪建立在地平坐标系基础上，如图2-4所示，两轴分别为方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。根据太阳角度的计算方法，工作时电池板根据太阳位置的理论计算值，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变电池板的倾斜角，使电池板始终与太阳光线垂直。这种跟踪装置的跟踪准确度高，而且电池板的重量保持在垂直轴所在的平面内，支持机构容易设计。但是在计算太阳角的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。图2-4 高度角方位角全跟踪 2.3 太阳能跟踪器的控制方式不论是单轴跟踪或双轴跟踪，太阳跟踪器的控制方式可分为:时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种。2.3.1时钟式控制方式时钟式太阳跟踪装置是一种主动式的跟踪装置，有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法。根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。双轴跟踪器的主要结构是通过电机带动反射器以每小时15的恒速绕日轴转动，以跟踪太阳的赤经运动，另一个电机带动电池板以每天15的恒速绕季轴旋转，以跟踪太阳的赤纬运动。这样反射器就能全年和入射阳光相垂直，达到跟踪太阳的目的。为了完成这两个方向上的跟踪，机构应该采用子午坐标跟踪系统。这种跟踪装置的主要优点是:结构简单，便于制造，并且该装置的控制系统也十分简单。其主要缺点是:跟踪精度不够。太阳的高度角随季节的变化不是均匀的，对这种属于被动式的跟踪装置，单轴跟踪系统需要在每天开始工作时调整角度以对准太阳，双轴跟踪系统累积误差比较大，需要定期进行校正。2.3.2程序式控制方式程序控制式太阳跟踪装置是与计算机相结合的。首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，最后通过电机传动装置达到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。在美国加州建成的10MW太阳I号塔式电站，就是使用这种控制系统，在总计28万平方米的范围内分散着 1818块反射镜。首先计算出太阳的位置，然后求出每个反射镜要求的位置，再通过固定在两个旋转轴(高度角和方位角跟踪轴)上的13位增量式编码器得到反射镜的实际位置，最后把反射镜要求所处的位置同实际上所处的位置进行比较，偏差信号用来驱动122.5W的支流电机，使反射装置对太阳运动进行跟踪。这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。2.3.3 压差式控制方式武汉市电子产品研究所，参考国外单轴跟踪太阳时角的热水器，研制了一种压差式单轴太阳跟踪器，现己用在太阳能热水器上。这种太阳能热水器的吸热板南北放置，其倾角可按不同季节通过手动调节。为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差，当压力达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号，用压力为0.IMPa的自来水作为跟踪动力(若无自来水，可装一只容积为2L的压力水箱)。带动镜面跟踪太阳。当镜面对准太阳时，管内压力平衡，压差执行器又发出停止跟踪信号。这种跟踪器的跟踪灵敏度高，每大当太阳刚升起3一5分钟后，镜面即跟踪对准太阳。与此相类似的太阳跟踪装置还有重力差式跟踪器和液压式跟踪器。简易液压式跟踪器的工作原理与以上两种基本相似。太阳的相对位置信号由跟踪器平板两侧遮光板下方南北向安装的温度传感器(黑管)所接受。黑管内充有低沸点的液体物质，在常温下，部分液体汽化形成饱和蒸汽，同时产生一定的饱和蒸汽压，通过胶管驱动双杆双作用液压缸运动，达到自动跟踪目的。当太阳正对跟踪器平板时，两黑管的受热面积(投影面)相等，黑管保持同样的受热状态，液压缸活塞的两侧受力处于平衡状态，跟踪器平板静止不动。当太阳光线向西偏移一个角度时，遮光板使黑管的受热面积发生变化，右黑管将被遮光板遮住一部分，受热面积改变，而左黑管的受热面积不变，仅是位置发生了变化。由于两黑管的受热情况不同，产生压力差，左侧黑管所接液压缸一侧的压力增大，推动活塞上移，带动跟踪器平板绕中间支点逆时针转动，使跟踪器平板随太阳在空间位置的变化自东向西跟踪集热，直到日落西山。第二天早上日出东方，晒热右侧黑管，液压缸带动跟踪器迅速做顺时针转动，重新对准太阳集热。这种跟踪器在实际中应用很广，其主要的优点是:结构比较简单，制作费用低，纯机械式，不需电子控制部分及外接电源。缺点是没有足够的工作空间，而且一般只用于单轴跟踪，不能完成自动对太阳往返于南北回归线之间运动的跟踪，只能每隔一段时间，重新对准阳光，因此精度比较低。 2.3.4光电式太阳跟踪装置光电式太阳跟踪装置使用光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个闭值时，执行机构调整集热装置的位置，直到使太阳光线与集热装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪，与前两种跟踪装置相比，光电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较容易实现，受到普遍关注，其工作原理如图25所示。图2-5 光电式太阳跟踪装置示意图2.4机械跟踪装置和控制方式的比较和选用2.4.1机械跟踪方式的选择根据上述的讨论可知，目前对太阳光线的追踪多为单轴和双轴式跟踪。通过实验比较，单轴式跟踪装置相对于固定式发电量提高了15%，而双轴式跟踪相对于固定式发电量则提高了37% 。鉴于双轴跟踪更高的发电量，本次设计中我们采用双轴式自动跟踪。图2-6 光电跟踪装置总体方案如图2-6示为本设计的总体设计方案。步进电机A通过蜗轮蜗杆减速器带动方位轴转动，来追踪太阳方位角的变化。采用蜗轮蜗杆减速器，一方面是利用其减速功能，另一方面利用其自锁功能，防止大风吹动电池板旋转。步进电机B通过丝杆连接电池板和固定支架，从而带动电池板围绕俯仰轴，来追踪太阳高度角的变化。2.4.2 太阳能电池板收放的实现本次设计中使用的太阳能电池板由两块1x1.5m2和一块2x1.5m2的电池板组成，如图2-7所示。图2-7 太阳能电池板 在完全伸展开的条件下，太阳能电池板面积较大。在大风等恶劣天气中，电池板的受力会很大，整个跟踪装置很容易受到破坏。为了减小恶劣天气下的受力面积，更好的保护太阳能电池板，我们采用收放装置实现两侧两块板的自由收放。为了实现这一收放功能，两侧的太阳能电池板的高度低于中间电池板，两侧板上装有滑轮，相应的在支架上设置有轨道。在整个支架的下方装有一根通过减速器与步进电机相连接的丝杆。该丝杆两端螺纹的旋向是相反的，所以在丝杠转动的时候，两侧的电池板可以实现同步同速但方向相反的运动，以实现电池板的收放功能。2.4.3 控制方式的选择 根据上述的分析可知，目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但是现在应用最普遍的有三种方式: (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。视日运动轨迹跟踪是利用太阳高度角和方位角的计算公式，确定具体地点和时间太阳的精确位置。这种方式首先要确定太阳高度角和方位角的计算方法，上述的讨论中我们看到，高度角和方位角的计算都涉及到了三角函数，所以采用视日运动轨迹跟踪的控制方式，必定会增加算法上的困难，从而增加控制方式的成本。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，否则长时间的运行后会产生较大的累积误差。 为了减小控制器的成本，消除系统因素导致的累积误差，控制方式选用光电跟踪的方式。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。对于实现电池板收放功能的步进电机的控制，我们采用风速传感器作为探测元件。当传感器测出风速超过所设置的最大风速后，单片机发出信号给步进电机，使其转动一定的圈数，在丝杆的带动下两侧的电池板变完全收缩到了中间电池板的下方。当天气好转后，单片机再次发出控制信号使步进电机旋转，实现两侧板的收回，进行正常的工作。3 机械设计部分3.1电池板收放装置的设计图3-1电池板收放装置如图3-1所示为电池板收放功能实现装置。步进电机通过减速器将运动和动力传到丝杆上，丝杆的两侧分别与左右电池板相连接。由于丝杆的选项是相反的，所以丝杆在转动的时候可以实现两侧板的同时同速反向的运动。为了使减速器在相同减速比条件条件下结构更加紧凑，减小其尺寸，所以在此采用两级行星轮减速器。两侧电池板的总重量约为36Kg，取电池板与支架之间的摩擦系数为0.1，则推动电池板运动的力为,取丝杠摩擦系数为0.2，丝杠直径为30mm，则可算得驱动丝杠的力矩为，考虑过载情况，取安全系数为2，则驱动丝杠的力矩为3.1.1 行星轮减速器的设计3.1.1.1 行星齿轮的设计1齿形及精度21因为电池板的收放速度较低，所以减速器属于低速运动，各齿轮采用压力角=20的直齿轮传动，精度等级为6级。2齿轮材料及性能高速级太阳轮和行星轮采用硬齿面，以提高承载能力，减低尺寸，内齿轮用软齿面。高速级部分采用软齿面。两级材料性能如表3-1。疲劳极限Hlim 和Flim 查书 图10-20（c）、（d），10-21（d）、（e）选取，行星轮的Flim 是乘以0.7后的数值。表3-1 齿轮材料及性能齿轮材料热处理Hlim(N/mm)Flim(N/mm)加工精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火HRC586214003756级行星轮267.5内齿轮40Cr调质HB2622866502757级3传动比分配根据传动要求分配第级与第级的传动比，第级传动比i=5,第二级传动比i=44 第一级行星轮系设计 （1）配齿数 查机械设计手册表17.2-4，配齿结果：=19， Z=77，Z=29, i=5.0526由执行机构传入第二级输出轴的扭矩为=1.3=1.390=117（N.m）则可以求出传入第一级输出轴的扭矩为=/=117/(0.94)=32.5 （N.m）则第一级太阳轮的传递扭矩为=3/=/=7.2 （N.m）（2）按弯强度曲初算模数m因为取和中的较小值= 则=293.25N/mm则齿数模数的出算公式为： 查书2110-1取模数m=1.25mm.则可以计算出第一级各齿轮的基本参数如下：表3-2 第一级行星轮系基本几何尺寸 单位：mm齿轮分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿宽太阳轮23.752522.187520行星轮36.2537.534.687525内齿轮96.2597.594.687520（3）进行接触和弯曲疲劳强度校核计算表3-3 接触强度有关系数代号名称说明取值算式系数直齿轮12.1行星轮间载荷分配系数1.3综合系数查表6-4高精度1.6齿形系数查表6-252.842.54齿轮疲劳强度校核外啮合查书【5】式6-19、6-20, 计算接触应力,用式6-21计算其需用应力,式中的参数和数值如表3-4表3-4外啮合接触强度有关参数和系数代号名称说明取值使用系数按中等冲击查表6-51.25 动载系数 6级精度，查图6-5b1.01 齿向载荷分布系数查书图6-7（a）（b）（c）得=0.311.065 齿间载荷分布系数查表6-9，六级精度1 行星轮间载 荷分布系数行星架浮动，查表7-21.20 节点区域系数2.5 弹性系数查表6-17189.8 重合度系数查6-10得，0.90 螺旋角系数直齿，=01 分度圆上切向力685.7Nb工作齿宽17u齿数比 1.526寿命系数按工作15年，每年工作300天，每天12小时计算 ，按图6-18HRC=60,v=0.957,查表8-101 润滑油系数查图6-17 1.03速度系数查图6-20， 0.95粗超度最小安全系数查图6-211.01工作硬化系数内齿轮均为硬齿面，查图6-221尺寸系数查表6-151 最小安全系数按高可靠度，查表6-221.25接触应力基本值接触应力许用接触应力: / =故,接触强度通过齿根弯曲疲劳强度 齿根弯曲疲劳应力及许用应力 用书6-34,、6-35、6-35、6-36计算并分别对太阳轮和行星轮进行校核。各项参数如表3-5表3-5 外啮合齿根弯曲强度有关参数和系数代号名称说明取值齿向载荷分布系数1.054齿间载荷分布系数1行星轮载荷分布系数按式7-431.3太阳轮齿形分配叙述x=0,z=19,查6-252.84行星轮齿形分布系数x=0,查图6-252.54太阳轮应力修正系数查图6-271.57太阳轮应力修正系数查图6-271.72重合度系数查式6-40，0.72弯曲寿命能够系数N31试验齿轮应力修正系数按所给区域图取2太阳轮齿根圆角敏感系数查图6-350.96行星齿轮齿根圆角敏感系数查图6-350.97齿根表面形状系数，查图6-351.045最小安全系数按高可靠度，查表6-81.6太阳轮： 弯曲应力基本值： 弯曲应力： =.Y=故, 弯曲强度通过 行星轮 =/bm=103.79N/mm=./ =.=故,弯曲强度通过内啮合 齿轮接触疲劳强度、仍用【5】式（6-19）、（6-20）、（6-21）计算，其中与外啮合取值，不同的参数为u=77/29=2.655 , =0.87, =1.03,=0.97, =1.11=.Z =mm故 齿根弯曲疲劳强度只需计算内齿轮，计算公式仍为书（6-34）、（6-35）和式6-36，其中取值与外啮合不同的系数：，=0.683 = 1.02=1.045 = =/ = 故31试验齿轮应力修正系数按所给区域图取2太阳轮齿根圆角敏感系数查图6-350.96行星齿轮齿根圆角敏感系数查图6-350.97齿根表面形状系数，查图6-351.045最小安全系数按高可靠度，查表6-81.6太阳轮： 弯曲应力基本值： =弯曲应力： =.Y=故, 弯曲强度通过行星轮 =./bm=N/mm=./ =.=故,弯曲强度通过内啮合 齿轮接触疲劳强度、仍用【5】式（6-19）、（6-20）、（6-21）计算，其中与外啮合取值，不同的参数为u=82/27=3.04 , =0.87, =1.03,=0.97, =1.11=.Z =mm故 齿根弯曲疲劳强度只需计算内齿轮，计算公式仍为书（6-34）、（6-35）和式6-36，其中取值与外啮合不同的系数：，=0.683 = 1.02 =1.045 =.= =./ = 故,弯曲强度通过表3-10 行星轮系各齿轮几何参数汇总名称齿数模数分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿宽太阳轮1191.2523.7526.2520.62520行星轮1291.2536.2538.7533.12525内齿轮1771.2596.2593.7599.37520太阳轮2281.5424538.2530行星轮2271.540.5 43.536.7535内齿轮2821.5123120126.75353.1.1.2 轴上部件的设计计算与校核（1）轴的计算电动机转矩输入轴1. 根据上面的计算得，与电动机相连的转矩输入轴的转矩为2.求齿轮上的力3.初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45号钢,调质处理取,于是得4.轴的结构设计与转矩输入轴相连的联轴器型号选为为HL1型，轴孔直径选为16mm，太阳轮与轴设计在一起，轴简图如下：图3-2 输出轴的简图5.轴的受力分析和校核 分析可知，轴上只有电机输入的扭矩，该轴最小直径为，则抗扭截面系数为轴的最大切应力为 所以该轴符合条件。第一级行星轮轴的设计与校核1轴上的力2. 按照许用切应力计算轴的最小直径45号钢的许用切应力取为，则得到轴的最小直径为 第二级太阳轮轴的设计与校核1. 根据上面的计算得，太阳轮轴的转矩为2.求齿轮上的力3.初步确定轴的最小直径第二级太阳轮轴与第二级太阳轮设计在同一根轴上， 4.轴的结构设计 轴的左端为第二级太阳轮，轴的右端为矩形花键，其中花键键数目为6，小径32mm，大径36mm，键宽为6mm。 图3-3 第二级太阳轮轴的结构第二级行星轮轴的设计与校核1轴上的力2. 按照许用切应力计算轴的最小直径45号钢的许用切应力取为，则得到轴的最小直径为 行星轮减速器的输出轴的设计与校核轴上只受到扭矩的作用，其中扭矩为确定该轴的最小直径该轴右端通过矩形花键与行星架连接，轴的左端通过键与联轴器连接，联轴器的另一半连接执行机构。其中联轴器的型号选为YL8，轴孔直径为32mm，长为60mm。该轴的结构如下图示：图3-4 轴的结构设计3.2 水平方向角跟踪装置的设计水平方向角的跟踪采用步进电机带动蜗轮蜗杆减速器，减速器输出轴连接电池板的方式实现。采用蜗轮蜗杆减速器，不仅起到降低速度增大转矩的功能，还可以利用其自锁功能，防止大风等恶劣天气对装置的破坏。3.2.1 蜗轮蜗杆减速器的设计行星轮减速器与步进电机总质量约为40Kg，蜗轮蜗杆上部支撑杆的总质量约为100Kg，所以整个装置的总质量合计为280Kg，推力圆柱滚子轴承上的基本静载荷为2800N，所以初选推力圆柱滚子轴承型号为81220，其内径d为100mm。取推力圆柱滚子轴承的摩擦系数为0.004，所以步进电机要克服的摩擦力为F=11.2N，要克服的摩擦阻力距为Mf=560N.mm=0.56N.m，考虑过载情况等，将要克服的摩擦阻力距扩大二倍得 旋转立柱需要克服的摩擦阻力距为，所以电机输出的最小转矩应该为我们选用的步进电机为深圳众为兴生产的110BYGH250B型电机，其输出轴直径为19mm。蜗轮蜗杆的基本数据选用普通ZA圆柱蜗杆传动，有利于保障传动的平稳性，考虑到蜗轮蜗杆的自锁性能，我们选取蜗杆的材料为45号钢，表面淬火处理。涡轮的材料为锡青铜，在滑动速度约为0.1m/s的条件下，查机械设计手册表16.5-16，知当量摩擦角为4.5，再查机械设计手册16.5-6，我们选取蜗杆的头数，涡轮的齿数为，传动比为，模数为，无变位系数，导程角为传动零件的设计计算选定蜗轮蜗杆类型、精度等级、材料及齿数1) 单级蜗轮蜗杆传动2) 蜗杆的材料为45号钢，表面淬火处理，涡轮的材料为锡青铜3) 蜗杆的头数，涡轮的齿数为，传动比为，模数为，无变位系数，导程角为确定许用应力涡轮许用接触应力 涡轮许用弯曲应力 其中查机械设计手册表16.5-14，有采用脂润滑方式 ，得滑动速度影响系数。假定该设备使用寿命为5年，每年工作300天，每班工作12小时，JC=40%，工作环境温度为350C，则可求得齿轮应力循环次数 查机械设计手册图16.5-4得 则许用接触应力 许用弯曲应力 =70N/齿面接触疲劳强度校核查机械设计手册表16.5-10，齿面接触强度验算公式查表16.5-11,有 查表16.5-12 使用系数 载荷分布系数 载荷系数 涡轮克服的摩擦阻力距为将上述数据代入齿面接触强度验算公式所以齿面接触强度校核通过。涡轮齿根弯曲强度校核查机械设计手册表16-5-10，得验算公式 则 查机械设计手册图 16-5-18，得涡轮齿根弯曲强度校核通过蜗轮蜗杆几何尺寸计算蜗杆几何尺寸计算直径系数q= =18齿顶圆直径 齿根圆直径 蜗杆轴向齿厚蜗杆的法向齿厚蜗杆螺纹部分长度，圆整为40mm涡轮几何尺寸计算 蜗轮齿数蜗轮分度圆直径涡轮喉圆直径齿根圆直径涡轮外圆直径涡轮宽度 涡轮齿顶圆弧半径涡轮齿根圆弧半径表3-11 蜗轮蜗杆的基本参数：参数蜗杆涡轮齿数182模数2.52.5传动比8282分度圆直径45205导程角压力角2020旋向右旋右旋轴的设计计算蜗轮轴的设计与计算涡轮轴上的阻力距为求作用在蜗轮上的力圆周力 径向力 轴向力 初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45号钢,调质处理根据表【1】式（15-3），取,于是得涡轮轴的结构设计图3-5 涡轮轴的结构校核轴的强度 图3-6 涡轮轴的校核A) 绘制轴的计算简图，如图3-6（a）。B) 绘制水平面内弯矩，如图3-6（b）。两支承端的约束反力为 截面C处的弯矩为 C) 绘制垂直面内弯矩图，如图3-6（c） 两支承端的约束反力为 截面C左侧的弯矩为D) 绘制合成弯矩图，如图3-6（d）。截面C左侧的合成弯矩为截面C右侧的合成弯矩为E) 绘制扭矩图，如图3-6（e）。蜗轮与联轴器之间的扭矩为 F) 绘制当量弯矩图，如图3-6（f）。因为轴为单向转动，所以扭矩为脉动循环，折合系数，危险截面C处的弯矩为G) 计算危险截面C处满足强度要求的轴径由公式 可得 由于C处有键槽，故将轴径加大5%，即。而结构设计简图中，该处的轴径为， 故强度足够。轴承的选择和计算涡轮轴承的选择计算 查机械设计手册，圆锥滚子轴承30212的主要性能：， 1) 计算轴承支反力图3.6水平支反力：，垂直支反力：，合成支反力：2) 计算轴承派生轴向力由表10.7 轴承派生轴向力S： 故轴承1被压紧，轴承2被放松3) 计算轴承所受的轴向载荷4) 计算轴承所受的当量动载荷轴承工作时有中等冲击，由表10.6查得载荷系数当量动载荷计算公式： 因 查表10.5 所以：因 查表10.5，所以：5) 轴承寿命的计算因，故应按计算，由表10.3 取温度系数 对于圆锥滚子轴承寿命系数所以：蜗杆轴承的校核及计算 查机械设计手册，圆锥滚子轴承30207的主要性能：，1) 计算轴承支反力图3.7水平支反力：，垂直支反力：，合成支反力：2) 计算轴承派生轴向力由表10.7 轴承派生轴向力S：，所以轴承1被压紧，轴承2被放松3) 计算轴承所受的轴向载荷4) 计算轴承所受的当量动载荷轴承工作时有中等冲击，由表10.6查得载荷系数当量动载荷计算公式：因 查2表10.5 所以：因 查表10.5，所以：5) 轴承寿命的计算因，故应按计算，由表10.3 取温度系数 对于圆锥滚子轴承寿命系数所以： 3.3 俯仰角调节的装置设计采用步进电机加丝杠的方式来调剂电池板的俯仰角。光敏传感器探测太阳光线的高度角，并将测得的结果送进单片机中，单片机对数据进行处理并向步进电机发送控制信号，使得步进电机转动相应的圈数，使电池板与太阳光线保持垂直。在太阳高度角为最小32时（徐州地区冬至日太阳高度角为最小），此时太阳能电池板与水平面的夹角为最大58，上部装置的重心距离旋转轴心最大。上部装置的最质量约为130Kg，则重力不平衡力矩为风载荷作用于俯仰轴的扭矩有：风力对电池板本身产生的扭矩和风载荷作用于电池板的正压力对俯仰轴产生的扭矩。风力对电池板产生的扭矩为：风载荷作用于电池板的正压力为：式中：Cx风阻力系数；Cm风阻俯仰力矩系数；K风压高度变化系数，在此取K1；q风压，风载荷可视为水平载荷，单位面积上的风力称为风压，依风速而定，q=0.613A特征面积，物体垂直于风向的迎风面积；D物体迎风面的高度（m），作为特征尺寸长度。查得15m/s 的风速时风阻力系数为Cx1.1637，风阻力矩系数Cm0.0945。风载荷对机构的最大风阻力矩所以高度角调节装置要克服的最大阻力距为则步进电机需要输出的推力F为：为了减小运动中的阻力系数，我们采用滚珠丝杠，取滚珠丝杠的阻力系数为u=0.005，则步进电机要克服的摩擦阻力为则克服的摩擦阻力距为其中d为滚珠丝杆的直径，取为20mm。按照选取电机，一般情况下，静力矩应为摩擦负载的（23）倍内好。选择深圳市众为兴数控技术有限公司生产的步进电机，所用步进电机的型号为110BYG250B，静转矩为11.5Nm。4自动跟踪控制系统设计4.1太阳位置跟踪控制系统设计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。步进电机驱动器单片机光电转换传感器电源图4-1系统总体结构4.1.1光敏电阻光强比较法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2和4分别放置于一块电池板东西方向边沿处，用来控制电池板对太阳水平角度的追踪。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照强度相同，所以它们的阻值完全相等，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小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。 同样的原理，利用1和3号光敏电阻来控制电池板对太阳高度角的追踪。光电传感器的布置见图4-2。图4-2光敏电阻放置4.1.2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。4.1.3 AT89C51单片机控制部件选择ATMEL公司生产的AT89C5l型单片机。AT89C5l是一种低功耗、高性能的8位单片机29，片内带有4KB的Flash可编程可擦除只读存贮器，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存贮器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存贮器编程器来编程。AT89C5l是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。一、结构框图AT89C5l的结构框图如图4-3所示。它具有如下的主要特征:4KB可改编程序的Flash存贮器(可擦写1000次)；全静态工作频率: 24MHz；三级程序存贮器保密；128字节内部RMA；32条可编程I/O线；2个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程全双工串行通道；片内时钟震荡器 。图4-3单片机结构框图AT89C5是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到OHz，并提供两种可用软件选择的省电方式，即空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保持内部RAM的内容，直到下一次硬件复位为止。二、AT89C51的引脚：AT8C951引脚采用双列直插式封装(DIP)或方形封装。双列直插式封装的如图所示，共有40个引脚，下面将对这些引脚进行说明。图4-4 AT89C51的引脚1.主电源引脚(1)Vcc:电源端。(2)GND:接地端。2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2：(1)XTAL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。(2)XTAL2:接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡信号源源时，此引脚应悬浮不连接。3 控制或与其它电源复位引脚RTS。RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。在对Flash存贮器编程期间，该引脚也用于施加编程语序电源。4.输入/输出引脚P0.0-P0.7、Pl.O-P1.7、P2.0-P2.7 、P3.0-P3.7。(1)P0端口(PO.0-PO.7):P0是一个8位漏极开路型双向I/0端口。作为输入口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8位TTL输入，对端口锁存器写“1”时，又可作为高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据时，它是分时多路转换的地址(低8位)/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在对Flash编程时，PO端口接收指令字节;而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。(2)P1端口(P1.0-P1.7):P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。Pl的输出可驱动4个TTL输入。作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。(3)P2端口(P2.0-P2.7):P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。4.1.4水平方位角跟踪控制系统流程图在本跟踪系统中，我们规定电池板跟踪装置的工作时间是每天的早晨7点到下午的17点钟，工作时间为10小时。因为太阳水平角度是时刻在变化的，时时的进行方位角的跟踪对装置的要求比较高，并且也是没有必要的。所以我们规定，装置对水平方位角每15分钟进行一次。图4-3为该控制系统的流程图。开始初始化程序处于7时到17时吗？ Y N Y转到初始位置 规定时间间隔（15min）到？ N Y Y处于7时到17时吗？ N Y光电跟踪4.1.5高度角调节控制系统流程图 太阳高度角也是时刻在改变的，一天之内，正午时刻的太阳高度角为最大，在早晨和傍晚时刻，高度角为最小。随着太阳在南北回归线之内的运动，不同日期的同一时刻的太阳高度角也是不一样的。实验表明，同一天内高度角的实时跟踪对于太阳能利用率的提高并不显著。所以为了减小控制系统的复杂性，我们每十天对太阳高度角进行一次检测，并且检测时间控制在每次检测日期的十二时。图4-4为太阳高度角跟踪的控制流程图。开始初始化 初始位置 规定时间间隔（10天）后的12时？ N N Y光电跟踪4.2太阳能电池板收放装置控制系统设计 由于太阳能电池板完全展开后面积较大，当遇到恶劣天气时很容易遭到破坏，所以本装置中设计有电池板的收放装置，实现对电池板的保护。电池板控制系统由风速传感器，单片机，驱动器和步进电机组成，当风速传感器测出风速超过15m/s时，单片机控制步进电机运动，实现两侧电池板的收放动作。由于风速是不稳定的，短时间内可能会在极限风速上下波动，导致步进电机的频繁正反转。为了避免这种情况产生，第一次测得风速超过15m/s后，立即对电池板收回，并且一小时后再次检测风速，并根据测得的风速进行相应的动作。图4-5为电池板收放装置控制系统流程图。开始 初始化程序 风速超过15m/s？ Y N电池板完全展开位置 电池板完全收回位置一小时到？ Y N5 结 论5.1总结 本文主要设计了基于光电转换控制的太阳能自动跟随系统，实现了太阳能电池板对太阳高度角和方位角的追踪，主要能容有：（1） 采用步进电机和蜗轮蜗杆减速器，设计完成了电池板对太阳水平方位角的跟踪，并设计了其控制部分的流程图。（2） 采用步进电机和滚珠丝杆，实现电池板对太阳高度角的跟随。（3） 为了防止恶劣天气下电池板的损坏，设计了电池板的自动收放装置，利用丝杆的不同旋向，实现两侧电池板的同步不同向的运动。5.2展望由于时间仓促，加上本人能力有限，本设计还存在有很多不完善的地方，例如：（1）对控制部分只进行了流程图的设计，具体的外围电路和代码的编写还没有进行。（2）对太阳高度角和方位角的跟踪并没有采用时时的追随方式，而是有一定的时间间隔，这在一定的程度上降低了对太阳能的利用率。（3） 单纯的采用光电跟踪方式本身存在着缺陷，例如在阴天等光线较弱的时候电池板停止工作，等光线较强后，电池板方位角的变化较大，会使得跟踪装置产生较大的运动惯量。 在全球能源危机的今天，化石燃料已经日渐枯竭，人类必须寻找新的可再生能源去满足对能源的需求。太阳能作为一种清洁的可再生能源，在人类的生活中的作用日渐提高，相信不久的将来太阳能必将得到更高效的利用。太阳能自动跟随系统作为一种对提高太阳能利用率的实现方式，是我们对与太阳能利用研究道路上的一次尝试，希望对太阳能跟随系统进行研究的人越来越多。 参考文献1李申生太阳能北京人民教育出版社，1988:12-14.2王炳忠太阳能未来能源之星高教出版社，1990:20-21.3徐文灿，袁俊等太阳能自动跟踪系统的探索与实验物理实验，2003，23(9)：45-48.4练亚纯太阳能的利用北京人民出版社，1975:24-25.5言惠太阳能21世纪的能源上海大中型电机，2004，(04):16-18.6姚伟太阳能利用与可持续发展中国能源，2005，(02):05-06.7张顺心，宋开峰，范顺成等基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究河北工业大学学报， 2003，32(6)：44-478戴闻太阳能利用前景光明物理，2003，(08):9-14.9郭廷玮太阳能的利用科学技术文献出版社，1984:31-33.10胡勋良，强建科，余招阳等太阳光跟踪器及其在采光中的应用电子技术(上海)，2003，30(12)：8-10.11余海太阳能利用综述及提高其利用率的途径能源研究与利用，2004，(03):2-7.12吕春生日本的新能源开发及对我国的启示现代日本经济，2006，(06): 37-41.13张明.德国太阳能发电最多的国家广西电力建设科技信息,2004，(04):51-52.14周惠美国有关可再生能源和节能情况考察报告可再生能源，2007，25（1），98-101.15徐机玲，蔡玉高太阳能利用新突破瞭望，2004，(39):28-30.16胡赛纯，汤青云太阳能利用现状与趋势湖南城建高等专科学校学报，2003，(01)：08-12.17孙孝仁太阳能利用的现状与未来山西省科技情报研究所，2005，（08）：15-14.18 张鹏飞光伏发电自动跟踪系统的设计硕士学位论文哈尔滨理工大学，2009.3.19金晶晶太阳光线自动跟踪装置硕士学位论文沈阳工业大学，2007.3.20陈维，李戬洪太阳能利用中的跟踪控制方式的研究能源工程，2OO3，(03):18-2121成大先.机械设计手册化学工业出版社，1999.22王文斌等机械设计手册-齿轮传动.机械工业出版社.2007.23王宏欣，冯雪君机械原理东南大学出版社，2OO724程志红.机械设计.东南大学出版社.200725韩正铜，王天煜机械精度设计与检测中国矿业大学出版社，2007.26李爱军，陈国平画法几何及机械制图中国矿业大学出版社，2007.27周兴华光敏器件电子世界，1999，(12):53-54.28史延龄，李汉军光导效应与光敏器件现代物理知识，9（4）:31-32.29Viswanatha N, Simil T S, Prasad N, et al. A novel sun tracking mechanism. In:European Space Agency，Proceedings of the 11th European Space Mechanisms and Tribology Symposium, ESMATS 2005, 2005.30Bakos George C. Design and construction of a two-axis Sun tracking system forparabolic trough collector (PTC) efficiency improvement. In: Renewable Energy, v31, n 15, December, 2006.翻译部分英文原文中文翻译基于嵌入式控制的太阳能跟踪器的设计、制造与性能测设摘要本文介绍了光伏电池板太阳能跟踪器系统的发展历程。该系统由一个基于嵌入式控制的微控制器制作而成。该系统存储有太阳光线水平方向角度的数据，因此不需要传感器进行信号的输入，是一个典型的开环控制系统。以上所提到得特点表明该跟踪系统是一种主动式的新技术，也是具有一维自由度的旋转式机器人。1、介绍2000年的时候，来自联合国各个国家的领导人对未来的世界进行了美好的展望，他们共同提出了八项千年发展目标的雏形。这些目标给世界各国提供了发展的构架和时间上的限制，以此来衡量各国所取得的进步。其中第七项目标是：确保环境的可持续性。为了实现这一目标，各国应该将可持续发展的原则与国家的政策项目相结合，扭转环境资源流失的局面。这与控制森林毁坏，臭氧层保护，二氧化碳排放量的减少等是相关的。根据这一目标，并考虑能源枯竭和全球变暖趋势，建立一个促进和提高可持续能源供应系统势在必行。为工业发展持续提供能源的良好能源系统必须具备以下特点：全年持续不断的能量供应;高可靠性，较少的维护次数;低廉的建造和运营成本;不存在对环境的影响;在规模和运用上的灵活性;较高的可观赏性。太阳能发电系统，也称为光伏（PV）系统满足了所有的这些特点，这也就是为什么位于南北纬45范围内在该范围内太阳能的资源非常的丰富的国家几乎全年都在使用太阳能资源，例如图一所示的墨西哥的太阳能能源。为了使一天之内的太阳能量供应几乎保持不变，必须要使太阳能光伏板的水平方向角在一天之内跟随着太阳的轨迹运动，这就需要设计一个自动太阳能跟踪系统。太阳能跟踪器提高了太阳能由热能转换成电能的转换效率。本文从太阳能电池板跟踪器的说明书起草，设计，制造，集成测试和运用的各个阶段进行了详细的分析。1.1太阳能电池板太阳能电池单元（光伏电池）大多数由单结晶硅组成，单晶硅片呈长方形，通常四个角被修剪，形成一个不规则的八面体称为晶圆。一个单独的太阳能电池单元的功率通常在1至2瓦之间。光伏模块是由光伏电池单元串联，放在一个0.5至1平方米的铝制框架中，该光伏模块的发电功率在50至100w之间。1.2太阳能跟踪器分类太阳能跟踪器主要分为主动式和被动式两种类型。被动式跟踪器利用太阳能量加热低沸点的压缩气体，在两边太阳光照不同时，利用其热量不同产生的不平衡压差来驱动太阳能电池板转向一侧。主动式跟踪器使用电动执行机构（马达和轮系）来驱动光伏阵列，该电动执行机构由响应太阳光线的角度的控制器控制。太阳能跟踪器可能是单轴（主动或被动）或（主动式）双轴形式。单轴跟踪器通常会在常年转动的方向轴上安装有手动高度调节装置。见图3和图4所示。1.3光伏阵列的基本结构承载光伏阵列的机械支架一定要保证在强风的条件下依旧保持正确的位置。常见的形式是一个垂直支柱连接一个根据跟踪器的轴数确定的光
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