材料成型及控制工程毕业论文-自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备设计.doc

1、本科毕业论文（20 届）自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备设计所在学院专业班级 材料成型及控制工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备设计 1课题意义及目标通过毕业设计，锻炼学生综合运用所学的基础与专业知识分析、解决工程实际问题的能力，初步掌握设计的方法、流程，熟练掌握使用各种工具书籍，使学生初步达到工程师所具备的基本素质。2主要任务1）装配图、零件图及三维模型图2）设计说明书一本3）电子资料

2、一份4）整套设备实物及功能演示3主要参考资料1 哈工大理论力学教研室.理论力学M.北京：高等教育出版社，2009. 2 聂毓琴 孟广伟.材料力学M.北京：机械工业出版社，2009.1.3 俞茂宏.工程强度理论M.北京：高等教育出版社，1999.4 陈宏杰.互换性与测量技术M.北京:北京大学出版社，2010.8.4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 资料查阅，完成开题报告 2014.12.012015.02.012 整体方案设计 2015.02.012015.03.013 进行加工所有零件及装配实体 2015.03.012015.04.154 编写控制程序调试程序 2015.04.1520

3、15.06.015 撰写毕业设计 2015.06.012015.06.106 制作答辩 PPT，准备毕业设计答辩 2015.06.112015.06.20审核人： 2015 年 1 月 3 日I自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备设计摘 要：目前能够使用太阳能电池板发电的设备都是固定不动的，不能一直保持最大的光照强度，导致太阳能发电效率低。因此为了提高太阳能的利用率，和提高太阳能电池板发电的效率。并且设备能够将设备收到很小，方便携带，方便带到户外使用。本文设计了一套通过单片机为控制核心的太阳能自动跟随设备。本文对自动跟随太阳能调整系统进行了机械结构设计和自动跟踪系统控制设计，设计了太阳能双轴

4、跟踪系统，对设备设计中的细节进行分析，对设备出现的问题进行了分析，同时也对传感器的使用经行了分析。该设备能够在不使用的时候收到很小的范围，并且重量轻，方便携带，方便户外使用。并且该设备能使太阳能电池板在有太阳的时候一直保持与太阳光线垂直，收到最多的太阳光照射，提高发电的效率。关键词：太阳跟踪；信号反馈；自动控制；机械传动；方便携带Design on Portable Solar Energy Supply Equipment Adjusted Automatically Following SunAbstract：Facilities that can generate electricity

5、 with the use of solar panel are stationary, which can not keep the maximum illumination intensity all the time, so that solar power generation efficiency is low. Therefore, in order to improve use ratio of solar energy and generating efficiency of solar panel and to carry the facility easily and co

6、nveniently, a set of solar energy automatic following equipment with the control core of single chip was designed in this paper. Mechanical structure design and automatic tracking system control design were conducted on automatic following solar energy adjustment system in this paper, as well as sol

7、ar energy dual-axis tracking system. The author analyzed details in equipment design, equipment problems, and use of sensor. The equipment can be folded when it is not used, which is light in weight and convenient for carrying and outdoor use. With the equipment, solar panel can be vertical to solar

8、 ray all the time when it is sunny, receiving the maximum sunlight exposition and improving generating efficiency.Keywords：The sun tracking; Signal feedback; The automatic control; Mechanical transmission; Convenient to carryII目 录1 前言 .11.1 目前太阳能能源利用的背景 .11.2 国内外关于自动跟随太阳调整的研究状况 .21.2.1 使用单轴跟随的设备 .21

9、.2.2 使用双轴跟随的设备 .31.3 自动跟随太阳调整设备的发展趋势 .31.4 本设计说明的研究内容 .32 自动跟随太阳调整设备的机械设计 .52.1 资料的搜集 .52.1.1 太阳运行的规律分析 .52.1.2 自动跟随太阳调整设备性能分析 .52.2 太阳能自动跟随调整的设备模型建立 .52.2.1 太阳能电池板模块 .102.2.2 自动跟随的云台模块. .142.2.3 起支撑作用的支架模块 .153 自动跟随太阳调整的便携式太阳能供电设备相关理论及存在的问题 .193.1 零件加工工艺 .193.1.1 数控机床加工 .193.1.2 典型零件加工工艺 .203.1.3 3

10、D 打印技术 .223.2 电机与轴承选型 .233.2.1 电机 .233.2.2 轴承 .243.3 设备实物存在的问题 .244 硬件设计 .254.1 电源模块硬件设计 .254.1.1 STM32 最小系统 .254.1.2 电压转换电路 .254.2 主控制器模块硬件设计 .25III4.3 驱动电机模块硬件设计 .254.3.1 PWM 电机驱动部分 .264.4 传感器模块硬件设计 .264.5 本章小结 .305 结 论 .32参考文献 .33致 谢 .3511 前言能源问题一直是人类关心的问题，能源一直处于即将枯竭的状态，新能源的开发和可再生能源的利用有很广阔的前景。太阳能

11、是一种无污染并且丰富的新型能源，能够高效率的利用太阳能是我们一直追求的目标。这样自动跟随太阳技术是提高效率利用太阳能的基础和前提，自动跟随太阳调整的太阳能设备是提高太阳能利用效率的支撑要件，为此，很多的专业非专业人士已经做了许多的试探。我国的太阳能资源获取途径非常的丰富，从其地域分布来看，我国的西部地区太阳能年辐射总量平均可达到 以上,西藏地区更是达到了 ,提高太阳）（ amMJ5402 ）（ amMJ6702能利用效率对于西部的发展有非常重要的现实意义。就目前而言提高太阳能效率的关键是提高太阳能发电的效率，目前一般情况下仍是采用太阳能电池板固定安装的方式对太阳能进行采集，比较先进的也有利用太

12、阳运动规律，定时对太阳能发电装置经行调整。但是这些方法都没有非常充分的利用太阳能资源,没有提高转换效率,并且成本也高。本次设计的自动跟随太阳调整的太阳能设备,能使太阳能电池板始终和太阳光线保持垂直,能够保持最大太阳能转换效率,具有非常好的使用价值。并且可以收到很小的空间内，可以很方便携带，可以在户外使用，目前市场上没有任何类似产品，本设计虽然不能当作产品在市场上销售，但是可以给这种想法的设备进行一次实验，在这个领域试探性的迈出一步，以此投石问路。本次设计采用单片机作为控制系统，使用传感器作为信号的输入方式，设计两轴云台结构进行太阳能电池板的水平和俯仰角度的调整。设计中在保证设备的可使用条件下，

13、尽可能的让设备美观便携。1.1 目前太阳能能源利用的背景地球能源问题一直是我们面临的大的问题，目前石油、天然气已经逐渐变少以及因其使用石油天然气带来的环境压力越来月严重。所以开发新能源如风能、太阳能等新能源成为人类解决能源枯竭问题和保护我们的环境的主要途径。太阳能是现有新能源最主要的一部分，因为太阳能具有取之不尽、用之不竭、无污染的特点，2在太阳能的开发利用有很大的前景，收到越来越多的人们的关注。目前太阳能利用率不高和成本较高是太阳能使用方面我们面临的重大问题。可以提高利用率来减少一些成本，所以提高太阳能的利用效率是全人类目前研究的热点问题。现在，解决这个问题有两个方面入手，其一是可以提高太阳

14、能的接收效率，其二是可以提高太阳能转换为电能的转换效率。在能量转换的领域科学家还有待继续研究开发。但是，提高太阳能的接受效率可以通过太阳能电池板跟随太阳始终保持最大的太阳光线接收来解决。有研究表明太阳能接受效率不同时段相差过大，到达 37.7%。由此可以知道，尽可能的保证太阳能电池板与太阳光线垂直可以很大的提高太阳能接受效率，提高太阳能的利用率。1.2 国内外关于自动跟随太阳调整的研究状况1.2.1 使用单轴跟随的设备美国 Blaekaee，在 1997 年就对单轴太阳跟踪器进行了研究，可以实现东西方向的自动太阳能跟随调整，其南北方向通过手动经行调节，但是这样的设计已经将太阳能接收效率提过了

15、15%1998 年在美国加州也有 ATM 跟踪器的成功研究，并且在太阳能电池板上装有可以将太阳光线集中的透镜，这样的设计可以改收集跟多的太阳能，提过了太阳能的接收效率。JoeLH.Goodmars 研制了活动的太阳能自动识别跟随设备，这个设备是通过大直径的回转台使得整个太阳能电池板可以自东向西跟随太阳运动，这个跟随起的轨迹直径很大。增加透镜使得太阳能个接收效率提高，这样的时间还是第一次使用在太阳能收集领域。美国亚利桑那大学在 2002 年 2 月也有新的太阳能自动跟随设备推出。这个设备是利用电机驱动实现跟随。框架结构使用铝型材，并且其重量轻，大大的拓展了太阳自动跟随这个领域的发张。在德国，19

16、94 年有太阳能在厨房使用的先例，使用的是太阳能单周跟随设备。而在捷克的科学院物理研究所通过形状记忆结晶调节器，通过太阳光照温度有变化来完成太阳能单轴跟随设备，使用温度检测来识别光线是第一次。太阳能单周跟随设备结构很简单，并且成本也低。单轴跟随在太阳能接收效率方面比固定式的有比3较大的提高。但是单轴跟随装置也仅仅能完成太阳东西方向的自动跟随，南北方向的倾角就不能完成跟随，所以太阳能接受效率还是比较低的。1.2.2 使用双轴跟随的设备近几年，科技不断发达，在控制技术的使用也越来月容易，控制成本也越来越低，因此研究和运用太阳能双轴跟随来实现对太阳定位跟随成为了热点。Neville 已经对单轴跟随设

17、备和双轴跟随设备和固定式设备的太阳能转换效率进行了分析和测试，研究发现，太阳能电池板使用双轴进行跟随的太阳能转换效率分别比单轴和固定设提高了5%10%和 50%。近年来很多国内的学者专家也对太阳能转换效率进行研究。我国在 1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统。此后国内在太阳能转换效率上的研究成果也很多，采用主流的控制技术，推出了几款单轴或双轴的自动太阳能跟随设备。中国专利CN201039038 公开了一个用于光伏发电的自动跟随设备，无需控制和驱动电机用的电子元器件，结构简单、使用寿命长、可靠性高、成本低、耐气候性好 。这个文21献中介绍了一种使用太阳能自动给力提供动力的太阳能自动跟随设计，其伺

18、服系统采用光、热、气压、液压、机械能的能量传递与转换，以实现控制平台对太阳进行跟随。1.3 自动跟随太阳调整设备的发展趋势未来的自动跟随太阳调整设备应使用的是全方位的自动跟随调整设备。其一是在结构设计方面，结构设计会提高钢度和提高自动跟随范围，使得太阳能电池板的转换效率提高，降低发电成本。其二是在控制系统方面，控制系统会使用关电一体化技术来完成太阳能自动跟随调整动作。并且跟踪精度高，角度范围大，并且可以自动的回到起始位置。在大型的太阳能发电设备领域可以引用计算机测控技术实现4全方位的数据采集分析和处理，实现设备防风，防湿等功能，对设备经行管理控制。1.4 本设计说明的研究内容本文所介绍的自动跟随太阳调整设备采用了光电追踪方式，可实现大范围、高精度跟的跟随。论文的主要工作包括:(l)分析太阳的运行规律，同时对现有的几种方案经行比较，提出合理的自动跟随策略。(2) 机械部分是实现灵活的自动跟随的关键，同时要设计出方便拆装携带的轻便设备主要是机械设计，装配图及其零件图。并且需要加工设计好的设备，装配经行实物测试。(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，并且设计光电转换电路。(4)选择控制芯片，并且考虑硬件的需求，搭建控制系统。并且调试达到预期目的(5)对设备的实物在出现的问题经性分析总结问题，并且提出解决方案。