开题报告-光伏发电智能追日系统的设计

PAGEPAGE1上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称____光伏发电智能追日______系统的设计学院（系）机械学院专业机械电子工程年级2008级学号081002070722姓名导师定稿日期：2011年12月23日光伏发电智能追日系统的设计选题背景及其意义课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。课题目的太阳能是资源丰富、无污染的能源替代品，怎样提高对其的利用率逐渐成为各国的研究焦点。太阳能的利用存在以下问题：首先，太阳能虽然资源丰富，但能量分散，集中在某点的能量较少，同时太阳能的方向性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。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。课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。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。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。(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。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。(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能源之一。文献综述（国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。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，后者是开环的程控系统。研究内容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。如图所示为机械结构简图:机械结构简图主轴及其支撑轴承安装在底座上（主轴相对于底座可以相对转动），步进电机1驱动与轴1相联接，步进电机2与轴3联接跟踪器实现自动跟踪的原理如下图所示，当太阳光线发生偏移的时候，光电传感器实现太阳角度的测量并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使得转动架与传感器转动，同时控制信号驱动步进电机2带动轴3使得电池板与传感器做俯仰运动，从而实现太阳能电池板角度的自动控制。智能追日系统控制结构框图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。控制用电动机可划分为步进电动机和伺服电动机。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。控制系统电气控制方面主要分为PLC控制和单片机控制。PLC是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。PLC及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；单片机是一种集成在电路芯片，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CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种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计算机系统。研究方案4.1总体方案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）；分析设计要求，比较几种可行的传动方案性能；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）；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）；制定机械结构的加工工艺路线；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）；绘制图纸；完成设计说明书。4.2拟采取的技术措施电机选型初步选定步进电机，因为其价格低廉，结构原理简单，调速方便，体积较小，功率较小。机械结构方面采用齿轮传动，因为齿轮结构效率高，结构紧凑，工作可靠，维护方便，寿命长，传动比稳定。传感器部分选定光敏电阻，光敏电阻具有灵敏度高，体积小，质量轻，光谱响应范围宽，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长等优点。电气控制方面，采用MCS-51单片机控制，因为其具有比较大的寻址空间，处理功能强，指令系统相对完善以及完善的各种中断源，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定，开发环境要求较低，软件资源十分丰富。利用三维设计软件NXUG等，绘制全套三维零件图以及三维装配图，生成虚拟样机模型。检查该样机存在的干涉等问题，然后利用该样机模型制作装配动画。最后利用AUTOCAD软件绘制全套零件二维工作图以及二维总装配图。利用电路仿真软件设计电路图，调试单片机程序，完成电气控制部分的设计。进度计划2011.11.30-2011.12.31：查找文献、翻译英文文献，了解技术的国内外现状和发展趋势并阅读相关资料，完成开题；2012.01.01-2012.01.31：完成智能追日系统原理的设计，根据要求提出设计方案；2012.02.01-2012.02.28：力分析、主要传动参数确定、总体结构的初步确定，完成三维造型的设计、完成各部件参数的计算；2012.03.01-2012.03.31完成机构的设计，绘制装配、零件图；2012.03.01-2012.04.30：设计控制电路原理图；2012.05.01-2012.05.31：撰写毕业论文；2012.06.01-2012.06.15：论文修改、提交材料准备答辩。参考文献时剑，基于MCU控制的光伏追日跟踪器，水电能源科学第29卷第2期，2011年2月薛建国，基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计，长春师范学院学报（自然科学版）第24卷第3期，2005年8月王雪文，太阳能电池板自动跟踪控制系统的设计，西北大学学报（自然科学版）第34卷第2期，2004年4月李昊阳，基于MCS—51的太阳能量板自动追日系统的设计，EquipmentManufactringTechnologyNo.2,2011王劲，智能采光试试追日的电能管理系统，单片机与嵌入式系统应用，2009年第7期张毅刚著，《单片机原理及应用》，2003.12贾民平，张洪亭，周剑英著，《测试技术》，2001.12邓星钟著，《机电传动控制》，2000.06王知行，邓宗全著，《机械原理》，2000.02惠晶，《新能源转换与控制技术》，机械工业出版社，2008.2沈辉；曾祖勤，《太阳能光伏发电技术》，化学工业出版社，2007.6张建民主编，《机电一体化系统设计》，高等教育出版社，2000.07邓星钟，《机电传动控制》，华中科技大学出版社，2007.07濮良贵，纪名刚主编，《机械设计》，高等教育出版社，2006.05胡凤兰著，《互换性与技术测量基础》，2005.02M.Libra；V.Poulek,Newsolartracker,SolarEnergyMaterialsandSolarCells.1998年51卷2期StefanKrauter,SolarElectricPowerGeneration-PhotovoltaicEnergySystem,2008.5RonaldS.Schlarlack,Solartrackingsystem,UnitedStatesPatent,Mar.16,1982指导教师意见指导教师签名：年月日PAGE开题答辩小组意见1、论