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1、中国矿业大学2012 届本科生毕业设计 主动式太阳能路灯跟踪器,班 级：机自08-4 学 号：03080979 专业方向：机械电子 学生姓名：张朋 指导老师：周公博,答辩提纲,系统工作原理及总体结构,1.课题研究的背景及意义,随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。,续前页,目前国内外对太阳能跟踪装置的跟踪方式按跟踪轴数目可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种，按跟踪的控制方式可分为：时钟式、程序控制式、压差式、
2、控放式、光电式等等。未来的太阳跟踪装置应采用全自动跟踪阵。机构设计朝着高精度，大范围跟踪方向发展；控制采用光、机、电一体化技术，通过对太阳光强弱的检测， 实现对太阳的全自动跟踪。目前市场上基于路灯的太阳能跟踪装置还较少，国内只有个别厂家在做。太阳能路灯工程大部分还是采取固定角度安装的方式，跟踪效率较低。,续前页,在分析国内外太阳能跟踪方法的基础上，针对路灯这一特殊使用工况，本文设计一种以光电跟踪为主，视日跟踪为辅的太阳能路灯跟踪器。 设计要求如下：,返回,2.系统工作原理及总体结构,本系统主要由太阳能电池板、光敏传感器、温度传感器、单片机控制器、步进电机、高度方位旋转装置，蓄电池等组成，系统工
3、作原理图如图所示。,续前页,太阳能电池板、光敏传感器安装在方位角旋转装置上，而且光敏传感器的轴线和太阳能电池板的法线平行。太阳能电池板向蓄电池充电，蓄电池为控制器及电机提供电能。本系统在方位角和高度角两个方向上实现对太阳的跟踪，采取的跟踪策略是：光电式传感器跟踪和视日跟踪相结合。晴天时用传感器跟踪，阴天(乌云遮挡太阳)时用视日跟踪。系统可根据天气状况在两种跟踪模式进行自动切换。,返回,3.跟踪器机械结构设计,3.1太阳能路灯部分组件选型根据徐州地区日有效光照时间 ，每天工作时数 、连续阴雨天数 、灯具功率 、蓄电池电压 、预留容量系数 、几个参数来确定蓄电池和太阳能板的型号。蓄电池容量 和太阳
4、能板功率 计算如下：选用12V太阳能系铅蓄电池两块，规格为12V120AH。选用单晶硅太阳能电池板两块，单块功率70W。,3.跟踪器机械结构设计,3.2机械结构设计方位角装置对于方位角跟踪装置传动，一方面该装置要实现方位旋转，另一方面要能够旋转支撑高度角装置。综合以上两点考虑，采取第一级齿轮第两级涡轮蜗杆传功方式。以下为机构简图：,续前页,对方位角装置主要部件进行选型，采用PROE对机械结构进行初步的三维建模，如下图所示：,续前页,参照三维设计，最终生成的方位角装置二维图如下图所示：,3.跟踪器机械结构设计,3.2机械结构设计高度角装置高度角跟踪装置采用双滑块结构，利用丝杠螺母的平动带动竖直滑
5、块向上运动，传力导杆利用竖直滑块通过球副与太阳能板相连，推动太阳能板绕定轴俯仰一定的角度，高度角旋转装置机构简图如下图所示：,续前页,对高度角装置主要部件进行选型，采用PROE对机械结构进行初步的三维建模，如下图所示：,续前页,参照三维设计，最终生成的方位角装置二维图如下图所示：,返回,4.跟踪器控制系统设计,4.1光电传感器设计在传统一级跟踪的基础上加了四个性能相同的光电池进行粗定位跟踪，四个光电池布置在镜筒外围，其结构示意图如图所示。下面将分布在镜筒外围的四个光电池简称为粗定位光电池，镜筒内部的四象限光电池简称为精定位光电池。,续前页,工作原理：当传感器轴线对准太阳时，由于四片粗定位光电池
6、布置在四个不同的方向(每两片光电池的角度相隔90o)，其结构示意图如图所示，四片光电池受到的光照辐度产生差异，引起了电压的差异，差异经电压跟随后，输入单片机进行处理，通过驱动电路驱动电机，调整跟踪传感器的位置，使其轴线基本上指向太阳，东西方向光电池电压差信号跟踪太阳的方位角，南北方向光电池电压差信号跟踪太阳的高度角，从而实现对跟踪装置的粗略定位。,4.跟踪器控制系统设计,4.2各电路模块设计 主要包括： 主控芯片模块设计（89C51）； 电源模块设计（从蓄电池取电）； 电压采样模块设计（充放电控制）； 温度采样模块设计（补偿温度损失）； 步进电机驱动模块设计（THB6064AH）； 光敏检测模
7、块设计（硅光电池）； 充放电模块设计（PWM脉宽控制）,续前页,当光电池的粗定位电路输出在规定的范围内时，再根据安装的精定位光电池的输出进行精确定位控制，其结构如图所示，其跟踪原理和四片粗定位光电池的跟踪原理是一样的，一、三象限的电压差信号跟踪太阳的方位角，二、四象限的电压差信号跟踪太阳的高度角。当传感器的轴线指向太阳时，无论粗定位光电池，还是精定位光电池，受到的辐照度近似相同，电压差异为零，驱动电路无动作。,4.跟踪器控制系统设计,4.3系统设计主控制模块系统的控制功能主要由主控芯片来完成，主要完成两个任务，即光电跟踪和视日运动轨迹跟踪。如下图所示：,4.跟踪器控制系统设计,4.3系统设计光
8、电跟踪模块,光电跟踪是跟踪器的主要跟踪方式，程序流程图如图所示：,4.跟踪器控制系统设计,4.3系统设计视日跟踪模块,视日运动轨迹跟踪模式是光电跟踪模式的有利补充，如图所示：,5.抗风性分析及运动学仿真,5.1抗风性分析框架采用ANSYS里的Workbench机械模块对上面危险断面进行抗风性分析，在Ansys中构建的模型如下图所示：对于框架的接触面采用Bond接触性质，在对可能危险的表面进行局部网格Face Sizing划分。再在右箱体的两个孔处分别施加扭矩Moment和X与Y方向的Force，将方位角装置的下方的圆盘面采用Fixed support固定。,续前页,位移图及应力图如下所示：结论
9、：最大变形区位于高度角右箱体顶部，最大形变量为2.92mm。高度角装置与太阳能板连接处并没有很大应力集中，应力集中在上下装置旋转支撑连接处，最大应力点的应力大小为366.77MPa。此处为螺栓连接，等级为5.8级，抗拉强度极限为520MPa，屈服极420MPa，满足抗风强度要求。,返回,5.抗风性分析及运动学仿真,5.2抗风性分析灯杆灯杆的抗风设计看灯杆与地面焊缝截面的强度，焊缝的宽度与焊缝质量直接影响灯杆的抗风性能。灯杆一般为空心杆，壁厚3-5cm，本文设计的灯杆壁厚4cm，采用ANSYS里的Workbench对上图的焊缝截面进行应力分析，首先将模型导入至Workbench里，如图所示：,续
10、前页,对整体的7m灯杆采用自动网格划分，在焊缝截面周围采用局部网格划分法中的Sizing球体划分，施加竖直方向的加速度Gravity，在灯杆圆柱侧面上施加垂直载荷3750N/m2的Pressure，在灯杆顶端施加0.23MPa垂直向下的重力载荷Pressure，将环柱面的底面采用Fixed support固定。位移和应变图如下所示：灯杆顶端的变形位移最大，最大变形位移为46.68mm。可见在强风状态下，灯杆的变形还是比较严重的。应力集中在焊缝周围，最大应力达到184.56MPa，由于灯杆材料选取的是Q235B，其屈服强度235MPa，可见宽度4mm的焊缝只要焊接质量良好，抗风性应该没有问题。,
11、5.抗风性分析及运动学仿真,5.3模态分析利用Workbench里的modal模块对框架和灯杆进行模态分析，得到各阶固有频率表如下表所示：,模态视频,5.抗风性分析及运动学仿真,5.4机构仿真双滑块机构主要由丝杠上的螺母座、竖直方向上的滑块及联接二者的滑块连杆组成。丝杠上的螺母座为主动滑块，竖直方向的滑块为被动滑块。通过控制螺母座的左右运动来控制竖直滑块的上下运动，来进一步控制太阳能板的高度角大小。利用MATLAB编程对其运动进行仿真，为了更清晰确切的模拟实际场景，采用三维实体运动仿真。并输出滑块的位移、速度、加速度图和太阳能板的角位移图。建立场景 建立运动部件 仿真结果,二维视角,三维视角,续前页,生成的曲线图展示：,5.抗风性分析及运动学仿真,5.5GUI界面设计,Thank You !,
