H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y课程名称：自动控制元件院系：航天学院控制科学与工程系班级：设计者：指导教师：设计时间：2011年12月摘要能源是人类生存的基础，当前，人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，而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，同时太阳能也存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使当前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。
而太阳光线自动跟踪装置能有效地解决太阳能利用率不高的问题。
本文对太阳能跟踪系统进行了自动跟踪系统控制部分设计和机械设计。
第一，控制部分设计：主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。
系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。
传感器采用光敏电阻，将九个完全相同的光敏电阻成九宫装放置于一块电池板上。
当九个光敏电阻接收到的光强度不相同时，产生电流信号。
电流通过信号转换电路生成脉冲信号，然后脉冲信号通过运放比较电路将信号送给单片机。
通过给单片机录入程序使单片机驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。
第二，机械部分设计：机械结构主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等。
通过以上原件实现了水平方向和垂直方向的跟踪。
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，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪。
同时控制信号驱动步进电机2带动小齿轮2，小齿轮2带动齿圈和太阳能板实现垂直方向转动。
关键词太阳能；跟踪；光敏电阻；单片机；步进电机1绪论 (5)1.1课题来源 (5)1.2课题背景 (5)1.2.1能源现状及发展 (5)1.3课题研究的目的 (6)1.4研究课题的意义 (6)1.5太阳能利用的国内外发展现状 (7)1.6太阳追踪系统的国内外研究现状 (7)1.7论文的研究内容 (8)2太阳能自动跟踪系统总体设计 (9)2.1太阳运行的规律 (9)2.2跟踪方案的比较选择 (9)2.2.1视日运动轨迹跟踪]3[ (9)2.2.2光电跟踪 (11)2.2.3系统跟踪方式的选择 (12)3机械设计部分 (12)3.1跟踪器机械执行部分比较选择 (12)3.1.1立柱转动式跟踪器 (13)3.1.2陀螺仪式跟踪器 (14)3.1.3齿圈转动式跟踪器 (14)3.2太阳能自动跟踪系统机械设计方案 (16)3.3第一齿轮转动计算 (17)3.4第二齿轮转动计算 (18)3.5抗风性分析 (18)4电机选择 (19)4.1电机所需静力矩计算 (19)4.1.1电机1静力矩 (19)4.1.2电机2静转矩 (20)4.2电机选择 (21)4.2.1 电机的主要种类及其相应特性及特点 (21)4.2.2电机种类的选择 (24)4.3步进电动机介绍 (26)4.3.1总述 (26)4.3.2步进电机的主要特性 (27)4.3.3步进电机型号的选择 (29)5传感器的选择 (37)5.1光电传感器 (37)5.1.1光电探测器]6[ (37)5.1.2典型光敏电阻传感器 (39)5.1.3高精度光敏传感器]5[ (41)5.1.4日晷式太阳传感器 (43)5.1.5五象限光电传感器 (43)5.1.6太阳敏感器 (45)5.2光电传感器的确定 (46)5.3风速传感器 (47)6自动跟踪系统设计 (48)6.1系统总体结构 (48)6.2系统流程图 (49)6.2.1系统主流程图 (49)6.2.2风速测试子流程图 (49)6.2.3光照强度测试子流程图 (50)6.3系统控制图 (51)6.4外围电路 (51)7相关理论性能指标分析与计算： (53)7.1分辨率 (53)7.2发电效率 (53)7.3系统运转角度 (54)7.4电机负载启动频率]4[ (54)7.5成本分析及收益计算 (55)8结论 (55)8.1设计过程的概述 (55)8.2展望 (56)8.3感想及心得 (56)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能源现状及发展目前，人类生存主要依靠的能源是以石油、煤炭、天然气为主的矿物燃料。
众所周知，这类矿物能源是不可再生能源，包括我国在内的很多国家都在认真积极的探索新能源以及可再生能源的开发和利用。
而在众多新型能源中，太阳能作为一种清洁、可再生、利用成本低、安全的新型能源，在众多新能源中脱颖而出。
而就现阶段的应用来看，太阳能也是当之无愧的最有新型能源。
1.2.2我国太阳能资源我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。
全国2/3地区日照小时数大于2200h/a ，理论储量折合标准煤达17×1011t/a 。
丰富区位于吐哈、柴达木、二连、银额盆地；较丰富区位于塔里木、准噶尔、鄂尔多斯、松辽及渤海湾盆地。
目前利用太阳光光能发电已成为主流，中国也在加紧研发光伏电池和如何降低成本等问题。
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，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。
太阳能的光电转换方面，现阶段的太阳能电池板对太阳能的转换率普遍达到了15%。
太阳能的光化学转换主要应用与谁的分解，其主要包括三个途径，即化学光电池，光助络合催化，半导体催化。
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以下优点：第一，太阳能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，太阳能的应用范围广，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。
第四，太阳能是一种廉价且安全的能源，太阳都能的开发条件低，而且应用起来比较安全。
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。
第三，太阳能电池板的利用效率很低，这是由于现阶段的技术水平决定，随着科技的发展这个缺点会逐步解决。
1.3课题研究的目的本课题灵感来源于向日葵，主要目的是研究出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，提高设备对太阳能的利用率。
1.4研究课题的意义解决了当下大部分太阳能发电装置对太阳能应用率不高的问题，解决了空间分布不断变化的缺点。
为太阳能的利用提出了更有效的方式方法，对于应对能源危机提供了一定的帮助。
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。
日本太阳热能的利用，从1979年第二次石油危机后开始，1990年进入普及高峰。
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， 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1～5千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。
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。
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，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。
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。
另外，据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，多以很多国家对太阳能的利用加强了重视。
太阳能也必然会成为利用最广泛的能源。
1.6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，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，大大拓宽了跟踪器的应用领域。
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。
1.7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。
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。