目 录
第1章 引言 .................................................................................................... 1
1.1 系统研究背景 .......................................................................................... 1 1.2 系统研究目的及意义 ............................................................................... 1 1.3 系统研究的现状 ...................................................................................... 2 1.3.1 我国太阳能资源及利用情况 ............................................................ 2 1.3.2 国外太阳能利用现状 ....................................................................... 2 1.4本文拟研究内容 ....................................................................................... 3
第2章 方案论证 ............................................................................................ 4
2.1追踪方案论证 ........................................................................................... 4 2.1.1视日运动轨迹追踪 ........................................................................... 4 2.1.2光电轨迹追踪 .................................................................................. 6 2.1.3追踪方案的比较与选择 .................................................................... 6 2.2机械传动方案 ........................................................................................... 6 2.3控制器论证 .............................................................................................. 7 2.4驱动控制方案的选择 ................................................................................ 8 2.5驱动电机的选择 ....................................................................................... 8 2.6系统框图 .................................................................................................. 9 2.7控制系统的硬件与软件设计 ..................................................................... 9 2.7.1控制系统硬件电路的设计 ................................................................ 9 2.8本章小结 ................................................................................................ 10
第3章 机械传动机构 ................................................................................... 11
3.1机械传动机构组成 .................................................................................. 11 3.2方案说明及机械机构工作原理 ................................................................. 11 3.3主要传动部件的设计计算 ....................................................................... 12 3.3.1蜗杆副的设计计算 ......................................................................... 12 3.3.2.抗风性分析 .................................................................................... 15 3.3.3.轴校核 ........................................................................................... 15 3.4 机械传动机构安装注意事项 .................................................................. 17 3.5 本章小结 ............................................................................................... 17
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第4章 电气控制设计 .................................................................................. 18
4.1 传感器 .................................................................................................. 18 4.2 太阳位置传感器设计 ............................................................................. 18 4.3 雨水传感器 ........................................................................................... 19 4.4 变频器 .................................................................................................. 19 4.5伺服驱动器 ............................................................................................ 20 4.5.1 伺服放大器连接与设置 ................................................................. 21 4.5.2 伺服电机连接 ............................................................................... 21 4.6 电气元器件清单 .................................................................................... 21 4.7三相交流电机连接 ................................................................................. 21 4.7.1 I/O端口分配表 .............................................................................. 22 4.7.2 软元件说明 ................................................................................... 22 4.8电气控制箱设计与安装 .......................................................................... 23 4.9 本章小结 ............................................................................................... 24
第5章 系统软件设计及调试 ..................................................................... 25
5.1 系统控制策略 ........................................................................................ 25 5.2梯形图程序设计 ..................................................................................... 25 5.3 系统调试的基本任务 ............................................................................. 26 5.3.1调试前的准备工作 ......................................................................... 26 5.3.2 调试前的检查 ............................................................................... 26 5.3.3调试的一般顺序 ............................................................................. 26 5.4 机械传动机构调试................................................................................. 27 5.5 传感器调试 ........................................................................................... 27 5.6系统联合调试 ......................................................................................... 28 5.6.1 晴天 .............................................................................................. 28 5.6.2 阴天 .............................................................................................. 28 5.6.3 雨天 .............................................................................................. 29 5.6.4紧急情况 ....................................................................................... 29 5.7 本章小结 ............................................................................................... 29
第6章 总结与展望 ...................................................................................... 30
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6.1总结 ....................................................................................................... 30 6.2 系统的提升 ........................................................................................... 30 6.3 展望 ...................................................................................................... 31
参考文献......................................................................................................... 32 致 谢 ............................................................................................................... 33 附录 ................................................................................................................. 34
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第1章 引言
1.1 系统研究背景
人类的发展往往都是用自然资源的匮乏甚至消失作为代价的。太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及，如何提高太阳能利用装置的效率，始终是人们关心的话题，太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。
太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外最具发展前景的新能源之一。光伏（PV）发电技术在国外已得到深入研究和推广,我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段[1]。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。根据据实验，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35 %左右[2]。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。
1.2系统研究目的及意义
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。目前，提高太阳能利用率的研究主要集中在两方面：一方面是提高太阳能装置的能量转换率，另一方面是提高太阳能的集热率；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。无论哪种太阳能利用设备，如果它的采光装置能自动追踪太阳并始终保持与太阳光垂直，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。
太阳能电池发电原理：利用光伏发电，即通过一对有光响应的器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角有关，当太阳光线与太阳电池板平面垂直时转换率最高。采用自动追光系统转换率可提高40%[3]。
因此在这样一个大前提下，我们需要制作一套全自动太阳能追光系统，实现了最大限度地使用太阳能，相信在不久的将来，它可以真正用到实处，用到人们
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的日常生活中去。
太阳跟踪系统的研究可对人类寻找可再生能源提供保障；可以减少人类对自然的掠夺；可以对人类自身带来巨大的利益；还可以为子孙后代带来福祉。
1.3系统研究的现状
1.3.1我国太阳能资源及利用情况
我国光伏产业发展从20世纪50年代开始研究，到70年代开展空间应用和地面应用，光伏产业初步形成实际上是从20世纪50年代中后期开始，并在90年代以后才得到迅速发展。
目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。目前，我国的太阳能光伏产业基地的省份主要集中于环渤海区域，长三角区域的江苏，华中华南地区的湖北以及广东，多晶硅的生产基地则多分布于中西部地区，其中江苏的光伏产业位居全国前列，以无锡尚德太阳能电力有限公司为代表的企业已具备较好的产业基础。据中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍，我国是太阳能资源丰富的国家之一，我国有荒漠面积108万平方公里，大多分布在光照资源丰富的西部高原地区，一平方公里面积可安装100兆瓦光伏阵列，每年能发电1.5亿度。只要开发利用1%的荒漠，就可以发出相当于我国2003年全年的耗电量。看来，在我国加快采用太阳能是有很好的基础的。据发展改革委能源局介绍，截至2006年年底，我国太阳能热水器年生产能力达到1500万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达１亿平方米，生产量和使用量均居世界第一。全国有1000多家太阳能热水器生产企业，年总产值近120亿元，已形成较完整的产业体系，从业人数达20多万人。到2020年，太阳能光伏发电将达到180万千瓦，太阳能热水器总面积将达到３亿平方米，太阳能利用年替代能源6000万吨标准煤 [4]。 1.3.2国外太阳能利用现状
从国际上看，世界各国从能源供应安全和清洁利用的角度出发，把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。自20世纪80年代以来，光伏产业可以说是世界上增长最快的高新技术产业之一。欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。美国颁布一系列优惠政策， 2005
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