DAD型太阳能跟踪驱动装置设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究背景

随着全球经济的迅速发展，化石燃料消耗逐年增加。在踏入全球现代化的步伐20世纪至21世纪中，化石燃料(fossil fuel)潜在着能源短缺的危机。由于化石燃料短期内不可再生，据保守估计，按现今的消耗速率，常用化石燃料中石油仅能使用40.6年，天然气仅能使用65年，煤炭仅能使用155年。化石燃料在使用过程中，会产生大量二氧化碳，其引起的全球变暖影响了地球的生态环境，对地球造成的极大地破坏。因此探索可再生能源迫在眉睫。

可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物能、潮汐能等。其中太阳能以其覆盖面积广，不产生污染物质等特点受到人们的广泛关注。我国幅员辽阔，有着丰富的太阳能资源，据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为5.0×kJ，全国各地太阳年辐射总量达到335kJ～837kJ/,中值为586 kJ/。我国的西藏、青海、新疆、内蒙古、山西、陕西、河北、山东、辽宁、吉林、云南、广东、福建以及海南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4000m以上，大气薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。丰富的太阳能资源为我国利用太阳能提供了先天的优势。

太阳能的利用主要有热利用和光利用。光利用主要是利用半导体的光电效应将光能转化为电能。目前太阳电池的最大问题是能量转换效率低。为了提高太阳能利用率，一种方法是保持太阳能电池板平面与太阳光线垂直，以保证单位面积接收光线最多。太阳跟踪装置可以时刻跟踪太阳位置，通过单片机发出指令控制电机，驱动电池板转动，达到最大程度利用太阳能的目的。据估计，使用太阳跟踪装置的太阳能电池板效率提高37.7%。

1.2国内外研究现状

目前，国内外使用的太阳跟踪装置种类较多。根据其工作原理可按以下分类：按驱动方式可分为机械驱动和液压驱动；按照跟踪自由度的多少，可分为单轴和双轴。

1.2.1 液压驱动

液压驱动具有传动功率大，平稳等优点，适用于低速传动。因此太阳跟踪驱动装置中可以使用液压驱动。

图1.1 液压驱动模块图

驱动系统采用液压设备，动力源为液压电机，运动系统由水平转动和竖直转动组成。当系统判断装置应水平顺时针方向转动时，系统通过控制电磁阀4通3闭控制液压马达的旋转方向，从而控制装置顺时针转动。当系统判断太阳能板应左侧向上转动时，系统会通过控制电磁阀1通2闭来控制左侧液压缸上升右侧液压缸下降，从而实现控制太阳能板左边上升。

1.2.2单轴机械驱动

单轴跟踪装置可以实现倾斜角轴向或水平轴向的跟踪。单轴跟踪方式较固定放置方式提升了太阳能利用率（相对于倾斜面可提升约23%；相对于水平面可提升约38%）。相对于双轴跟踪方式，它具有低成本、低风险、低维护费用、低安装高度等优点。

图1.2 单轴跟踪传动装置

斜齿轮（3）与直齿轮（5），斜齿轮（4）与直齿轮（6），分别通过弹簧（7）和（8）通州连接组合成两个弹簧离合器，它们具有单向传动特性。当正极性的时钟脉冲到来时，电机（1）正转时，齿轮（5）和（6）交替传动。一个脉冲信号转动一个步进角。反极性脉冲到来时，电机反转，情况相同。

1.2.3双轴机械驱动

双轴驱动是根据太阳位置改变电池板的倾斜角和方位角，有较高的精度和转换效率。由于需要使用传感器和至少两台驱动电机等附加装置，因此有结构复杂，安装要求高，维护困难等缺点。

图1.3 双轴跟踪传动装置

方位角调整机构由方位角调整步进电机4、传动齿轮5、支承圆筒6、水平方向的转动轴3和固定圆筒2组成。当单片机发出的东西方向的跟踪控制信号驱动方位角调整步进电机时，方位角调整步进电机带动传动齿轮转动，同时水平方向的转动轴和支承圆筒做相应的转动，支承圆筒带动太阳能电池板15在东西方向跟踪太阳。

高度角调整机构由高度角调整步进电机1O、垂直方向的转动轴9、小齿轮8、半圆齿圈12、游丝11、三角架7、电池板安装架14、立柱13组成，其中三角架、电池板安装架和立柱组成太阳能电池板的支架，三脚架固定在支撑圆筒上，半圆齿圈与电池板安装架固定连接，游丝通过垂直方向的转动轴对称的安装在电池板安装架的两端，电池板安装架通过转轴和轴承与立柱13相连。当单片机发出的南北方向的跟踪控制信号驱动高度角调整步进电机时，高度角调整步进电机带动小齿轮和半圆齿圈做相应的转动，半圆齿圈带动电池板安装架转动，从而带动太阳能电池板15在南北方向跟踪太阳。

2. 研究的基本内容与方案

本次设计主要是太阳能跟踪驱动装置的设计。我计划采用双轴机械驱动装置，实现对太阳位置的精确定位跟踪，提高太阳能电池板的效率。

2.1研究（设计）的基本内容

1）机械结构的初步选择；

3. 研究计划与安排

第1周～第3周：查阅相关文献，对太阳能跟踪驱动装置有基本的了解；完成英文资料翻译；

第4周～第6周：制定设计步骤，并完成机械结构设计、模型分析、控制系统设计等基础工作；

第7周～第14周：对机械结构进行优化并进行应力分析，计算驱动力，选择电机，建立模型并进行仿真，在此基础上完成单片机控制系统的设计；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 李祥高，王世荣等. 有机光电功能材料[m]. 北京：化学工业出版社，2012-09.

[2] 朱玲，周翠红. 能源环境与可持续发展[m]. 北京：中国石化出版社，2013-08.

[3] 张磊，郑喜贵. 高精度太阳能自动跟踪装置的研制[j]. 制造业自动化，2014-03.