摘 要

能源短缺问题越来越成为世界文明和经济发展的阻碍，不可再生能源日益减少，可再生能源的利用势在必行。目前可再生能源中太阳能利用存在的主要问题是利用率低。太阳能利用设备中，如果能保持太阳能收集装置始终与太阳光保持垂直，可最大程度利用太阳能。实践表明，能实现自动跟踪的太阳能收集装置比固定式的太阳能收集装置发电量提高37.7%。

本论文主要研究了太阳能自动跟踪装置的机械传动结构，通过两套传动机构，实现电池板在方位角和高度角上对太阳位置的跟踪。方位角传动链采用双级齿轮传动，具有传动平稳、传动比精确、工作可靠、效率高、寿命长等优点。高度角传动链采用齿轮传动与蜗轮蜗杆传动相结合的传动方式，有较大的传动比，极大地降低传动力矩。

本设计结构简单，维护方便，以极小的功率消耗换取太阳能利用率的极大提高，并且可通过控制系统灵活应对极端天气对电池板带来的潜在威胁。

关键词：太阳能；跟踪驱动；齿轮传动；步进电机

Abstract

Energy shortage is more and more becoming the world's civilization and economic development of the block, Non-renewable energy is reduced and the use of renewable energy is imperative. In the renewable energy utilization rate of main problems of solar energy utilization is low. In the Solar energy equipment, if we can keep the solar collectors always keep vertical with the sun's rays, we can use solar energy to the greatest extent. Practice shows that can realize automatic tracking solar energy collection device than the fixed type solar energy collection device output increased by 37.7%.

This thesis mainly studies the mechanical transmission structure solar energy automatic tracking device, through two sets of transmission mechanism, realize the panels on the azimuth angle and height of the sun position tracking. Azimuth driving chain consists of two stage gear transmission,with characterized by their smooth transmission transmission ratio accurately reliable work high efficiency long life and so on. High angle transmission chain by adopting the combination of gear transmission and worm gear and worm drive transmission ways, with large transmission ratio, greatly reduce the transmission torque.

This design has simple structure, convenient maintenance, with minimal power consumption for solar energy utilization greatly improve, and through the flexible control system to deal with extreme weather to potential threats from the panels.

Key Words：the solar energy；track drive；gear transmission；stepper motor

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.1.1 能源危机 1

1.1.2 我国太阳能资源分布 1

1.1.3 太阳能的特点 1

1.2 课题研究的目的 2

1.3 课题研究的意义 2

1.3.1 缓解能源危机 2

1.3.2 提高太阳能利用率 4

1.4 太阳能国内外利用现状 4

1.5 太阳能自动跟踪系统国内外研究现状 5

1.6 研究内容 6

第2章 总体方案设计 7

2.1 太阳能自动跟踪装置分类 7

2.1.1 液压驱动 7

2.1.2 单轴机械驱动 7

2.1.3 双轴机械传动 8

2.2 总体方案设计 9

第3章 太阳运行规律 10

3.1 地球绕太阳运动规律 10

3.2 太阳高度角、方位角 10

3.2.1 太阳赤纬角 10

3.2.2太阳高度角 10

3.2.3太阳方位角 10

第4章 传动方案设计 13

4.1 方位角动力分析 13

4.2 高度角动力分析 15

第5章 传动模型构建 16

5.1 方位角传动 16

5.2 高度角传动 16

5.3 整体模型 16

第6章 跟踪、控制模块选择 18

6.1 跟踪模块 18

6.1.1光敏电阻圆筒式 18

6.1.2光敏电阻杆影式 18

6.1.3光电二极管圆筒式 19

6.2 控制模块 20

6.3 电机选型 20

第7章 结论 21

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪论

1.1课题背景

1.1.1 能源危机

能源是能量的来源，是人类文明发展和人类赖以生存的基础和保障。从远古时期的钻木取火开始，人们就学会了使用能源来提高生活质量。随着人类的进步，能源也逐渐由木材向煤、石油等化石能源转换。从十八世纪六十年代第一次工业革命开始，化石能源开始被大量使用在工业发展中，其对社会的发展做出了巨大的贡献。在两百余年中，化石能源大量消耗，短期内不能得到补充，逐渐消耗殆尽。进入二十一世纪的今天，各种新型可再生能源逐渐取代化石能源进入人们的视野，其因具有分布范围广、短期内可再生等优点而受到人们的青睐。

太阳能作为最具代表性的新型可再生能源受到各个研究组织机构的重视。事实上，地球上所有的能源都来自太阳能。植物通过光合作用将吸收的太阳能储存在木材中，木材在地下高温高压的环境经千百万年的地质作用转化为煤和石油等化石燃料；风能也是由于太阳辐射导致地球大气层不同位置产生温差，因而产生空气流动形成风；水能也是由于太阳辐射蒸发水分形成水蒸气，水蒸气在高山上遇冷液化形成水滴，众多水滴汇聚形成河川。因此，太阳能是地球所有能量的来源。

1.1.2 我国太阳能资源分布

我国地大物博，拥有丰富的太阳能。在我国的西部地区、南部地区、部分东部沿海地区有丰富的太阳能。其中海拔较高的西部地区青藏高原，平均海拔高度4000m以上，那里的空气洁净、光线穿透性好、日照时间长。例如，西藏省会拉萨，每年阳光照耀时长为3005.7h，占总时间68.6%，每平方厘米每天能量密度高达816kJ，远高于其它省市和同纬度的其它地区。