太阳灶自动跟踪系统设计含6张CAD图.zip
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能源转换与管理期刊主页:www.elsevier.com/locate/enconman自动化球形太阳灶的设计,建造和运行太阳跟踪系统Riyad Abu-Malouh,Salah Abdallah,Iyad M. Muslih应用科学大学机械与工业工程系,约旦安曼11931文章信息文章历史:2009年3月15日收到于2009年12月2日收到修订后的表格2010年7月21日接受2010年9月6日在线提供关键词:太阳能烹饪太阳跟踪PLC控制频率控制抽象在这项工作中,研究了两轴跟踪对太阳能烹饪系统的影响。 一道菜是为了建造的将太阳辐射集中在固定在盘子焦点上的平底锅上。 盘子追踪太阳使用双轴太阳跟踪系统。 该系统已经构建并经过测试。 实验结果表明在最高环境温度为32的一天内,锅内温度达到93以上。这个温度适合烹饪目的,这是通过使用双轴太阳跟踪系统。 2010 Elsevier Ltd.保留所有权利。简介约旦的能源部门严重依赖进口石油和天然气产品。这项能源政策使该国陷入困境经济形势和放缓经济增长最近几年。这种情况因剧烈增加而恶化在全球原油价格上涨和需求增加能源消耗。乔丹位于高太阳曝晒带,水平面上的平均日照强度为约5-7 kW h / m2/天,这是最高的之一世界1。比尔曼等人。 2进行了为期1年的比较现场测试 - 不同类型的烹饪用具包括七个品牌的太阳能炊具。该测试在South Africa的三个研究区域进行,涉及66个家庭,他们表达了他们的偏好某些炊具类型。太阳能和木材(炉灶和明火)厨师是最常用的烹饪用具。这些家庭使用太阳能炊具约占整个测试日的38,占总体的35熟食和二手木制烹饪用具占总体的42考试日。燃料消耗测量显示整体燃料节省38,导致预计回收期(通过货币燃料节省)从8个月起,取决于电磁炉类型和区域。在隔离区的寄宿学校和公共中心进行太阳能烹饪需要加热大量食物。佛朗哥等。提出了三种不同的吸收器,进行了优化在2平方米的面积集中器中实现不同的功能。这些替代方案允许满足需求的可能性共用餐饮中心,最多可供30名儿童烹饪,一次每个集中器都已安装完毕。用烹调能量替代烹饪能源的政策制定可再生能源在多标准背景下得到解决。在这方面,我们进行了一项调查,以评估不同决策小组对目前各种传播的看法在印度烹饪能源替代品。九种烹饪能量替代方案根据30个不同的标准进行评估这是技术,经济,环境,社会,行为和商业问题。人们发现液化石油气炉子是最喜欢的设备,其次是煤油炉,箱式太阳灶(BSC)和抛物面太阳灶(PSC)。许多研究人员对PSC进行了调查。 Ozturk构建并设计了一种低成本的PSC并进行了实验评估它的能量和火用效率。 PSC的能量输出在20.9和78.1 W之间变化,而其有效能输出为在2.9-6.6 W的范围内发现了能量和火用PSC的效率在2.8-15.7和0.4-1.25的范围内分别。 Petela 分析了圆柱槽形状的PSC从有悖论的角度来看。传热方程式 - 介于两者之间三个表面:(i)烹饪锅,(ii)反射器,和(iii)构成系统的想象的表面 - 得出。的火用效率PSC被发现相对非常低(约等于1),比相应的能量效率小约10倍与实验数据一致的效率。 Sonune菲利普8设计了一种菲涅尔型家用聚光罩,其孔径面积为1.5平方米,焦距为0196-8904 / ,2010 Elsevier Ltd.保留所有权利。DOI:10.1016 / j.enconman.2010.07.037通讯作者。电话:+962 5 3740026,通讯作者。电子邮件地址:mallouhmaktoob.com(R。Abu-Malouh),Salahabdalah_1964 hotmail.com(S.阿卜杜拉)。R. Abu-Malouh等人。 / Energy Conversion and Management 52(2011)615-620 人们发现0.75米,可提供足够的温度用于烹饪,油炸和准备chapattis和能够为4-5人的家庭烹饪食物。平衡计分卡也是一个调查对象很多研究人员El-Sebaii和Aboul-Enein 9提出了一个具有一步外反射器的BSC的瞬态数学模型铰接在炊具顶部。通过计算机模拟得到的温度分布与实验结果进行比较,验证了模型的正确性。之间的良好协议观察实验和理论结果。研究并分析了具有辅助加热的BSC的性能借助于(i)炊具内部的内置加热线圈和(ii)黑色涂漆圆筒中的改装电灯泡10。结果显示,使用辅助能源时,必要时可在全年使用太阳灶。哪里有电。该研究还建议(i)至将电加热元件放置在太阳能吸收器托盘下方将要建造的炊具和(ii)放置改装电灯泡用于在吸收器托盘上加热,用于全年烹饪炊具已经建成。 El-Sebaii 11提出了一个简单的说法数学模型 - 用于具有外部内反射器的BSC - 基于能量平衡方程的解析解电磁炉的不同元素。电磁炉的性能是通过计算机模拟研究了炊具效率效率以及特征和特定的沸腾时间。对不同的倾斜角度进行数值计算在坦塔/埃及的一个典型的冬日的外部反射器。它是表明在外反射器的最佳倾斜角度等于60,与外反射器的情况相比,特定和特征沸腾时间分别减少了50和35。整体利用效率发现炊具是31。在伊斯坦布尔技术大学设计,制造并测试了一个热BSC 12。在理论分析中,已经解决了微分方程数值上由四阶Runge-Kutta方法。将获得的理论结果与实验结果进行了比较,结果表明匹配良好。预测模型的模型太阳灶的烹饪功率 - 基于三个受控参数(太阳截距区域,总热损失系数和吸收板导热系数)和三个不受控制的变量(太阳辐射,温差和负荷分布) - 提出了13。该模型已经过商业验证可用的盒式和浓缩式太阳能炊具。模型基础是一个基本的能量平衡方程。通过对实验数据的回归分析确定模型中每个项的系数。模型应用的有效范围包括家庭规模的大部分可行设计空间太阳能炊具。该模型被发现适用于估算现有箱式和浓缩式的烹饪能力太阳能炊具和用于确定拦截的组合烹饪一定量的面积和热量损失系数特定气候下的食物。设计了一个简单的木制热箱,一个反射式太阳能炊具和几个示范单元由El-Ghetany和Abdel Dayem制作14。单位经过现场测试并表现出可接受的性能最大值在埃及吉萨(30N)的田间条件下,单位的内部温度达到160。成功煮熟的不同食物,如米饭,肉类,鱼类,和豆子。烹饪时间为1至2.5小时。一系列在九天内进行了测试以比较苏丹人BSC有一些类似的印度设计15。苏丹BSC表现出更好的热性能。使用内部,外部反射器和顶盖的倾斜增强 - 显着 - 热性能。这被揭示了吸收的热量以及达到的板温度。 Algifri和Al-Towaie 16概述了一种确定方法反射器的性能及其取向因素在太阳的仰角,太阳表面方位角和反射器倾斜角。将分析应用于炊具放在也门的亚丁市。结果表明 - 与适当的电磁炉定位改善性能由于反射器的炊具。它达到了 - 在冬季海洋中 - 在低仰角时超过100且超过60在高仰角。控制三种BSC模型运行的因素(HS7534,描述了HS7033和HS5521 17。结果表明HS552I更便宜,与HS7033相比,其体积仅为35。HS7033和HS5521的性能比较也是根据测试期间收集和输出的数据得出的。结果表明HS5521具有相同的热量收集率,能够像HS7033一样快速烹饪。 Ekechukwu和Ugwuoke 18提出了设计理念,建筑并且测量了平面反射器增强BSC的性能。实验太阳能炊具由涂有黑色亚光和双层玻璃盖的铝板吸收体组成。预料到的使用这两个品质因数的水沸腾时间与测量值相当。与具有反射器的炊具性能相比,具有平面反射器的炊具的性能得到了极大的改善。一种热的BSC,用过的机油作为储存材料的设计,制造和测试,以实现烹饪甚至在深夜19。性能和测试通过测量停滞温度来研究炊具并进行烹饪试验。热箱存储的效率太阳灶发现率为27.5。库马尔调查了顶级热损失,构成了BSC的主要损失并受到影响它的热性能20。调查显示,盆栽水需要的时间较少随着太阳辐射的增加达到一定的温度正如预期的那样,它需要更长时间才能获得更高的值盆中的水负荷。 Reddy和Rao 21表明,通过更好的设计可以提高传统BSC的性能烹饪器皿正确理解热量流向要煮的材料。试图得到一个数学模型来理解烹饪的热流过程容器,从而煮熟的食物。数学模型被认为是装有两个的双层玻璃热BSC不同类型的容器,保存在炊具的地板上或在挂耳上。通过实验和建模发现,具有中心圆柱形腔体凸耳的烹饪容器导致更高的结果热流体的温度高于传统容器的温度在地板上或挂在地上。 El-Sebaii和Ibrahim建造并且在埃及坦塔市的天气条件下,用一个或四个烹饪锅测试了BSC 22。进行了实验在2002年7月期间使用有或没有负载的炊具。冷却器能够以大体利用率烹饪大多数食物效率为26.7。 Amer介绍了一种新颖的太阳灶设计,其中吸收器从顶部和外部暴露于太阳辐射底边。等平面漫反射器用于引导辐射在吸收板的下侧。新的表现在同样的情况下研究了炊具和传统的BSC运行条件。所得结果表明吸收剂BSC和双曝光炉的温度达到140和165分别。 Sharma等人。研究了热力学性能基于真空管太阳能集热器的原型太阳灶与相变材料(PCM)存储单元与商业等级赤藓糖醇作为潜热储存材料24。太阳能在日照时间存放在PCM存储单元中用于在深夜/夜间烹饪。中午和晚上用不同的负荷进行烹饪实验616 R. Abu-Malouh等人。 / Energy Conversion and Management 52(2011)615-620加载时间。烹饪实验和PCM存储过程同时进行。该系统被发现能够成功烹饪两次(中午在日本夏季的一天中,一天。中午烹饪并没有影响晚上的烹饪和晚上发现使用PCM储热器的烹饪速度比中午做饭。人们注意到PCM在1月没有融化(冬天)在日本。在夏季,PCM温度达到更高晚上烹饪时的温度超过110?因此,赤藓糖醇是被发现是一种很有前途的太阳能烹饪PCM。沙拉夫25透露圆锥形焦点的概念和解释太阳能的设计炊具的基础。锥形炊具经过实际测试在创纪录的时间和方法中烤白肉和红肉据报道,使用如此的加热器获得水的真实沸腾温度(100)。结果显示锥形炊具具有易于制造,价格低,重量轻和效率高的优点。它还展示了它烹饪各种肉类和豆类的能力和适应性。 Narasimha Rao和Subramanyam研究了容器在如此大的电磁炉内的作用26。人们发现通过提供提升船只很少的凸耳使容器的底部成为传热表面。这个改变通过改善热量来改善系统的性能加热和冷却模式下的传输速率。尽管他们有能力提供足够的温度对于烹饪,油炸和准备chapattis,所有上述类型的聚光太阳能炊具,就像所有集中太阳能炊具的人工跟踪一样 - 从低端效率。这种低效率是由于太阳光线的事实一天中的大部分时间都不垂直于炊具表面。因此,预计效率可以显着提高通过保持太阳光线垂直于炊具来改善表面采用自动太阳跟踪系统8,27太阳灶。在这方面,本文介绍了设计,太阳能炊具的建设和运行与自动两个轴太阳跟踪可编程逻辑控制器(PLC)系统,其特点是机电设置相当简单,可降低成本,维护和故障的可能性。2.自动太阳跟踪系统的设计和控制太阳系产生的电量取决于它所暴露的阳光量。作为太阳的位置全天变化,必须调整太阳系因此,它始终精确地瞄准太阳,因此产生最大可能的功率。单轴跟踪系统更便宜,更容易建造,但他们的效率效率低于双轴太阳跟踪系统的效率。上另一方面,一些太阳能系统只需要两个轴跟踪,例如点聚焦器。双轴太阳跟踪系统可应用于所有类型的太阳能系统,以提高其效率。已经进行了大量的研究以设计和使用两轴太阳然而,跟踪系统在文献中仅引用了少数几个研究了使用双轴太阳跟踪系统的效果由现代计算机控制系统控制,如a可编程逻辑控制器(PLC)控制系统。巴拉卡特等。 28设计了一个闭合的双轴太阳跟踪系统环路系统和复杂的典型电子控制电路。他们发现两轴跟踪器可用的能量高出20。内维尔29提出了一个理论比较研究两轴跟踪器,东西向跟踪器可用的能量和固定的表面。人们发现了可用的能量理想的跟踪器分别比东西向轨道和固定表面高5-10和50。哈利法30表演了一个实验研究,以研究使用两个轴的影响太阳跟踪系统对复合粒子聚光器(CPC)的热性能影响。追踪CPC收集器表现出更好的性能与一个相比,收集的能量增加高达75相同的固定收集器Hession和Bonwick 31介绍了一个太阳跟踪系统,用于各种收集器或平台。该系统使用模拟和数字技术与太阳感应光电晶体管,使太阳的位置得以解决精度优于0.1? Baltas等。 32在连续和逐步跟踪之间进行了比较研究。他们表明,与聚光系统不同,平板光伏(FPPV)阵列在跟踪时产生几乎相同的能量逐步的时尚。跟踪电机可以闲置1或2小时然而,获得超过98的连续能量跟踪数组。 Brunotte等。 33提出了一个原型两个阶段光伏聚光器的浓度比高达300?一轴跟踪。这种集中器非常有前景降低太阳能转换成本。在这项工作中,两轴跟踪系统的设计是使用基于可编程的开环控制来完成的逻辑控制器(PLC)。具有双轴太阳跟踪系统的太阳能炊具的硬件组件的框图是如图1所示。PLC具有可编程存储器,其中包含指令存储以实现用于将跟踪电动机控制到计算位置的各种功能。图1所示的电子机械系统设计用于驱动球形太阳灶通过两个电机,一个用于跟踪垂直轴周围的太阳是220 VAC和另一个用于东西向跟踪的24 VDC电机。提供桥式整流器24 VDC电机带有所需电压。变频器为220 VAC电机提供所需的受控电压和频率。螺旋齿轮用于降低速度24 VDC电机和转移电机的旋转运动进入平移的,适合于在上下方向上驱动球形冷却器。正齿轮用于减少220 VAC电机的转速和放大电机的转矩沿垂直轴驱动球形炊具。球形太阳能炊具通过规定的移动跟踪太阳最大化入射辐射束的方法。控制方程表面位置由两个角度b和c定义,如图所示在34。 b是表面的斜率,c是表面方位角。 计算出的角度b和c(作为时间的函数)应该是b输入输入PLC调节器桥整流器频率逆变器24VDC发动机220VAC发动机拧齿轮马刺齿轮球形solr cooker图1.具有双轴太阳跟踪系统的球形太阳灶的框图。R. Abu-Malouh等人。 / Energy Conversion and Management 52(2011)615“617作为程序35插入PLC系统。 PLC系统将控制执行器的工作,以便它跟踪太阳的位置。 这种控制功能的编程方法在这项工作中使用实时。 它可以在任何天气下高效工作无论是否存在重尘或混浊的情况条件。 为了实现两轴跟踪的这种方法,表面位置确定如下1 Biermann E,Grupp M,Palmer R.南非太阳能炊具验收:比较现场测试的结果。 能源1999; 66:401-72 Franco J,Cadena C,Saravia L.多次使用公共太阳能炊具。 Sol Energy2004;77:217-23。3 Pohekar S,Ramacharidran M.烹饪设备的多标准评估特别提到印度抛物面太阳灶的实用性。 能源2006;31:1215年至1227年。4 Ozturk H.实验测定能量和火用效率太阳能抛物面炉。5 Sol Energy 2004; 77:67-71。6 Petela R. Exergy对太阳圆柱抛物面炊具的分析。 Sol Energy2005;79:221-33。7 Sonune A,Philip S.开发一种家用浓缩电磁炉。 更新Energy 2003; 28:1225-34。8 El-Sebaii A,Aboul-Enein S.一种箱式太阳灶,一个外挡板反射器。 能源1997; 22:515-24。10 Hussain M,Das K,Huda A.箱式太阳灶的性能辅助加热。 Renew Energy 1997; 12:151-5。11 El-Sebaii A.具有外部内部的箱式太阳能炊具的热性能反射器。 能源1997; 22:969-78。12 Binark A,Turkmen N.热箱太阳灶的建模。 能量转换管理1996; 37:303-10。13 Funk P,Larson P.太阳灶性能参数模型。 能源1997;62:63-8。El-Ghetany H,Abdel Dayem A.热箱的设计,施工和现场测试非洲萨赫勒地区的太阳能炊具。 Renew Energy 1998; 14 :49-54。15 Mohamniad All B.设计对苏丹太阳能电磁炉炊具的干旱测试。更新Energy 2000; 21:573-81。16 Algifri A,Al-Towaie H.箱式太阳灶的高效定向影响电磁炉性能。 Sol Energy 2001; 70:165-70。17 Suharta H,Sayigh A,Abdullah K,Mathew K.三种类型的比较印尼太阳能电饭煲。 Renew Energy 2001; 22:379-87。18 Ekechukwu O,Ugwuoke N.设计和测量飞机的性能反射器增强箱式太阳能灶。 Renew Energy 2003; 28:1935年至1952年。19 Nahar N.热箱式太阳灶的性能和测试。能源Convers Manage 2003; 44:1323-31。20 Kumar S.箱式太阳灶的加热性能研究特征曲线。 Energy Convers Manage 2004; 45:127-39。21 Reddy A,Rao A.预测和实验验证的性能箱式太阳灶 - 第一部分。带有中心圆柱腔的烹饪容器。Energy Convers Manage 2007; 48:2034-43。22 El-Sebaii A,Ibrahim A.使用盒式太阳能炊具的实验测试烹饪能力的标准程序。 Renew Energy 2005; 30:1861-71。23 Amer E.双曝光太阳能的理论和实验评估电磁炉。 Energy Convers Manage 2003; 44:2651-63。24 Sharma S,Iwata T,Kitano H,Sagara K.太阳能炊具的热性能基于带有PCM存储单元的真空管太阳能集热器。 Sol Energy2005; 78:416-26。25 Sharaf LA。新设计的经济,高效,锥形太阳能炊具。Renew Energy 2002; 27:599-619。26 Narasimha Rao A,Subramanyam S.太阳能炊具 - 第一部分:烹饪器皿耳。 Sol Energy 2003; 75:181-5。26 Abdallah S,Badran O. Sun跟踪系统提高了生产力太阳能仍然。海水淡化2008; 220:669-76。27 Barakat B,Rahab H,Mohmedi B,Naiit N.设计使用的跟踪系统带光伏板(阿拉伯语)。在:第四届约旦人的会议记录国际机械工程会议JIMEC; 2001. p。 471-88。28 内维尔RC。太阳能集热器的定位和跟踪模式。 Sol Energy1978; 20:7-11。29 Khalifa AN,Al-Mutwalli SS。双轴太阳跟踪对性能的影响复合抛物面聚光器。 Energy Convers Manage 1998; 10:1073-9。30 Hession PJ,Bonwick WJ。体验太阳跟踪系统。 Sol Energy1984; 32:3-11。31 Baltas P,Tortoreli M,Russel P.评估固定和步进的功率输出跟踪光伏阵列。 Sol Energy 1986; 37(2):147-63。32 Brunotte M,Goetzberger A,Blieske U.两级选矿厂许可浓度系数高达300一轴跟踪。 Sol Energy1996; 56(3):285-300。33 Duffie J,Beckman W.热工过程的太阳能工程。第2版。美国:John WileySons; 1991年。34 Abdallah S,Nijmeh S.设计,建造和运行一轴太阳PLC控制跟踪系统。 J Appl Sci 2007; 4(2):45-53。36 Al-Saood M,Abdallah E,Akayle A,Abdallah S,Hrayshat E.抛物面太阳能带自动双轴太阳跟踪系统的电磁炉。 Appl Energy 2010; 87:463-70。太阳灶自动跟踪系统设计 Mechanical Structure Design of Layered Rapid Prototyping Manufacturing Device 摘 要 本文开发了一种太阳灶自动跟踪系统 该系统利用光敏传感器采集发出的信 号 经过放大电路进入单片机对其分析处理后 传给步进电机 步进电机通过齿 轮减速机构来驱动十字轴机构运动 以便实现太阳灶的自动跟踪过程 本系统能 在三维空间完成作业的机电一体化设备 它能够节约劳动力 提高对太阳能的利 用率 减少对不可再生能源的浪费 本次设计针对自动跟踪太阳灶的操作机构和控制系统进行了详细的设计其中 控制系统是设计的重点和难点 该系统是以 MCS 51 系列单片机为核心的控制系 统 由于单片机在工业控制方面独特的优点 该太阳灶采用单片机进行控制是最 优控制 此机器人采用步进电机作为动力源 并对主要的受力零件进行设计及校 核 以保证其工作的可靠性和安全性 本系统中单片机的应用使得电控系统简单而功能强大 本系统可以满足了设 计要求 自动跟踪性能好 并达到了一定的精度 关键词 自动跟踪 步进电机 单片机 太阳储能 Abstract The development of a solar energy stove automatic tracking system The system uses photosensitive sensors to collect signals after entering SCM expanded its analytical processing circuit to advance electrical motors electrical switchgear slowdown body to drive through axle bodies Cross Movement in order to achieve solar energy stove automatic tracking process The system can complete the integration of operations and equipment in 3D space It can save labor and improve the utilization of solar energy reduce non renewable energy waste The current design for the operation of automatic tracking solar energy stove agencies and control system carried out a detailed design These control systems are designed to focus and difficult The system is at the core MCS 51 series SCM control system As SCM unique strengths in industrial control the use of solar energy stove SCM control is the best control The robot used as a stepping electrical engine and the main parts of our design and verification to ensure the reliability and security of its work SCM application makes the system simple and powerful call control system the system designed to meet the requirements of automatic tracking performance is good and achieve a certain precision KEYWORDS AUTOMATIC TRACKING STEPPING ENFORCEMENT MOTORS SCM SOLAR ENERGY STOVE 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 2 国内外发展现状 2 1 3 设计任务明细 3 第 2 章 设计系统的总体方案 4 2 1 设计方案的选择及基本依据 4 2 2 设计参数的计算及组成 5 2 3 总体方案的确定 6 2 3 1 机械系统部分方案的确定 6 2 3 2 电气系统部分方案的确定 6 第 3 章 机械机构的设计及计算 7 3 1 齿轮的设计和校核计算 7 3 2 轴的计算 10 3 3 工作轴轴承的相关计算 11 第 4 章 电气原理设计 14 4 1 电气系统的基本组成 14 4 1 1 单片机的选择 14 4 1 2 MCS 51 单片机的片外总线结构 16 4 1 3 内存 17 4 1 4 锁存器接口芯片 地址锁存器 19 4 1 5 模数转型 A D 转换器的工作原理 20 4 1 6 译码器 21 4 1 7 I O 口扩展芯片 22 4 2 步进电机的选型和计算 24 4 2 1 步进电机的介绍 24 4 2 2 步进电机的选择 25 4 3 步进电机的控制 25 4 4 光电耦合器 26 4 5 软件完成的主要内容 28 4 6 程序设计技术 28 第 5 章 毕业设计总结 30 1 第 1 章 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 设计开发一种具有自动跟踪性能的太阳灶 这就需要有光线感应器产生反馈 通过软件 和程序的信号处理 太阳灶本身能每时每刻都随着太阳的转动再靠着传动装置使太阳灶做出 旋转的动作进而使太阳灶获得了最大的接收太阳光的效率 也就是说太阳灶的灶面时刻保持 垂直对着太阳 就像生活中的 向日葵 一样 当太阳灶自身跟随着太阳光时 转速是慢速 档 太阳灶是一种可再生资源并且它的开发潜力也是很大很大的 世界上的各个国家对太阳 能也是有着很大的关注度 近年来 随着人们的生活品质逐渐的提高 大家对能源的供应量 的需求也有着不小的变化 化石能源的局限性 以及此种化学物质在使用过程中世界上的人 们环境以及气候所产生的危害也越来越被世界各国的人们所关注 从人们的需求来看 对可 再生的资源以及新型能源的使用也是世界各国努力的一个大方向 在各种各样的能源使用的 家族中 太阳能的表现无疑是最为抢眼的 它的应用广用途多也深受大家的喜爱 太阳能 是来自于氢核的一种化学常见的聚合反应 太阳光照射下来穿过大气层时 会被大气层吸收 一部分 这样到达我们身体时阳光只剩下了百分之四十的量 其中大部分照射在了面积巨大 的大海海面上 剩下的数值是其他国家七十年代所消耗能量的几千倍 可以很大的节约劳动 力 工作效率得到提高 完成产品的自动化 使太阳灶的灶面保持与太阳的入射光垂直 可 以使太阳能的利用效率达到较为理想的状态 随着越来越多的人们生活变得越来越好 那么 自然而然大家对能源的需求也在不停地不断增长 长时间使用能源对我们的生态环境产生了 巨大的影响 这一情况不得不使得世界各国都去尽力的开发太阳能以及众多新能源或者是其 他能源 据说 有关这方面的科学家曾经说过 从今以后的三十年之内 全世界的能源必会 有一个翻天覆地的变化 时间追溯到上个世纪五十年代 新型能源和非常环保的能源将会在 人类的所有能源比重中占到百分之五十左右 传统的燃料以及能源对我们的自然环境都会有 非常大的危害并且他们正在一点一点减少 与此同时全球将会有三十亿人将会很难得到应该 得到的能源的正常供应 当发生这种情况时 全世界的专家以及人民都会把目光头像了能够 改变现状的可持续不停的发展的能源上 从现在社会整体的经济水平来看 能源的开发和利 用将会是全人类共同的趋势 所以太阳能的发展前景是非常令人看好的 在政府好的政策以 及太阳能本身具有的特殊属性 这种种原因都使得太阳能产业非常的受欢迎 丰富的太阳能 2 资源没有污染 并且价格便宜 同时也是人类能够自由利用的好能源 在这其中太阳早就是 非常合适的一员 正被逐渐推广 在我们中国的农村 基本上燃料这一方面都不是很充足 但是如果每家每户都是用太阳能的话 那这样这个问题将会迎刃而解 并且自然环境也会将 危害降到最低 然而 由于现行的家用太阳灶多是位置固定不变 故受光效率低 不能充分 发挥太阳光能的真正效率 现在一般的太阳灶需要人们亲手每隔一段时间调整一下接收光的 位置 人们做饭的时候 隔一段时间调整一次倾角 操作还是不方便的 自动跟踪装置价格 昂贵 若仅用于中午做饭 在经济上是不合算的 但是 若把太阳灶作为自动跟踪集热器 一天中连续工作 除做饭外 其余的时间烧开水 储存起来备用 或用其他的方式把能量储 存起来 那么搞自动跟踪装置就是很有必要的 特别适用于农村各种小型工业等等一切正常 的日常活动 农户们每年都会用掉大量的能源 比如柴草和液化气 所以需要制造并生产新 型的太阳灶 即自动跟踪太阳灶 1 2 国内外发展现状 太阳灶的研究和利用已经有相当长的时间了 如果从 1870 年法国人开始研究算起 已 经有百余年的历史了 本世纪七十年代以来 太阳灶的研究取得了较大的进展 其经济价值 越来越明显 推广应用太阳灶越来越受到人们的重视 但是 时至今日 由于受到各种条件 的限制 太阳灶的生产规模还不大 只是在少数缺柴严重的农村进行试验性推广应用 尤其 一些发达的资本主义国家 对太阳灶的研究开展较少 只有在一些发展中国家才比较受到重 视 因此 太阳灶在我国的应用前景是很多人关注的问题 在过去的二十年中我国正在进行 大规模的太阳灶的推广 从片面的探索 到全国各地的组织一起进行钻研 以及对系统的深 入研究 从一开始的摸索 到全国工厂统一生产 规模的扩大 自从我们的国家对这项太阳 能的记住的重视以来 无论是技术标准的严格 还是理论知识 工艺技术 想外推广的力度 以及售后服务 都取得了傲人的成绩 也在国际上引起了很大的反响 我国太阳灶的研究及 推广应用已经历了二十个年头 从分散的探索性试验 到全国性有组织的联合攻关 深入 系统的研究 从试制 试用 到下发到各个工厂自己生产 从我们的国家不要钱下发技术 并且给发各种补贴 然后还免费给推广 无论从设计理论 太阳灶的技术和应用都有了长足 的进展 材料工艺 技术 还是工业化 推广销售以及包括售后服务 太阳灶的技术和应用 都有了长足的进展 和傲人的成绩 引起国内外广泛关注 目前 全国太阳灶的数量已经 达到了 30 余万台 是世界上推广并且也是应用此项技术最多的国家 取得了明显的社会层 3 面的效益 图 1 1 国外新型太阳灶 1 3 设计任务明细 采光面积的确定 太阳灶这个系统的整体采光我们称之为是采光面积 是指使用的时候 反向曲面在垂直于入射光线这个时候的有效的投影面积 所以 从这一点我们可以看出决定 因素就是采光面积这一方面 采光面积是影响太阳灶功率的决定因素 一个实用的太阳灶必 须具备一定的功率 因此也就必须有适当的采光面积 太阳灶的使用受环境影响很大 太阳 的辐射强度 会随大气透明度 太阳高度角的变化而变化 环境温度的高低和风力的强弱又 直接影响着太阳灶的热效率 因此 太阳灶的有效功率是经常变化的 为了尽我们最大的可 能发挥太阳灶的效用也就是说应该有尽可能大的采光面积 但是我们要注意的问题就是 当 采光面积增大时与此同时也必然会增加成本 并且这也会增加本身设置的重量 所以说支撑 整体的结构也要加一些 但这并不影响设置本身的成本 但同时也会造成制造和储运方面的 困难 因此 对于采光面积 要综合考虑用户人口 灶壳材料 灶体结构 造价等多种因素 来确定 一般在 1 5 3 平方米之间选择 最常选用的是 2 2 5 平方米 在同样的采光面积下 其灶面实际面积 材料用量 造价等将大大增加 从这一角度来 考虑 我们应尽可能选用较大焦距 2 较低的锅距地面高度 初看起来 这似乎很简单 但是由于上面提到的 采光系数 问题的制约 这个问题实际上很难办 在设计太阳灶时必 须认真考虑 在前面分析灶面采光系数时 似乎可得出一个结论 焦距越大越好 但是由此 引起锅距地面的高度也必然跟着增加 这就给操作使用带来很多不便 使用是否方便 也是 太阳灶有无衫价值的一个重要因素 其他性能再好 使用不方便 群众就不欢迎 有人提出 太阳灶的设计要符合人体工程学原理 也就是考虑使用的方便性 尤其是太阳灶的使用者 大都是农村的中老年妇女 其身材一般在 160cm 左右 故太阳灶的最高高度以不超过 130cm 4 为宜 人们在选择焦距时 常常宁可要低一些的灶面采光系数 也要降低锅距地面的距离 以 求使用方便 焦距的选择要顾及上述两个因素 因此 一般家用太阳灶焦距常选用 60 80cm 焦面直径由于太阳视角及镜面精度误差等的影响 汇聚到焦点处的锅底的光线并 不是理想的光点 而是焦面 一般近似圆形或椭圆形 为了简便 常用焦面直径来描述它 在采光面积一定的情况下 焦面直径的大小决定聚光比和焦面温度 焦面直径越小 聚光比 越大 焦面温度越高 对一般聚光器而言 聚光比越大 吸热器可以做得越小 这样损失小 效率高 但对太阳灶来说 作为吸热器的灶锅 必须有一定的容积以满足炊事要求 而灶锅 的大小即决定了其总散热面积 因此 只靠缩小焦面直径提高聚光比来改善热效率 已无多 少实际意义 相反 焦点温度过高常会造成局部饭糊 使传热不良 热效率反而可能下降 因此 一般焦面温度以不超过 1000 摄氏度为宜 本课题要研制出太阳灶的自动跟踪机构系统 通过该系统的运行 可自动完成太阳灶对 太阳光线的追踪 设计任务明细主要包括以下几个部分 1 机械传动系统总体结构方案的确定 如何实现对太阳的跟踪 并使得太阳灶自动跟踪 精度达到 0 3 度 2 系统总体机械结构图的设计并绘制 3 分析计算设计中用到的电器元件的参数 4 电器原理图的设计并绘制 5 针对太阳的转动及阴天 风大等情况进行必要的结构设计及电器信号采集正确性的设 计 6 灶面焦点上放置物品的支架要保持时刻水平 5 第 2 章 设计系统的总体方案 2 1 设计方案的选择及基本依据 太阳灶自动跟踪装置种类很多 有人设计一种气压式讯号感受元件 即在灶锅的一侧设 置一个 或两个 空气球 随着太阳运动 焦斑偏高锅底而照在空气球上 空气受热膨胀 球 内压力升高 当压力达到一定值时 就把讯号传给控制执行机构 使灶体转动一个角度 镜 面对准太阳 这时 焦斑又离开空气球而照在锅底上 球内温度下降 压力降低 控制执行 机构又使灶体停止转动 但是这种精度比较低 对太阳光的跟踪性能不好 还有一种自动跟 踪的装置 其制动装置由一套变速齿轮组和电磁制动器组成 感受讯号的元件光控盒是山一 组光电池和遮阳板组成的 安装在灶面边缘上 由于太阳的运动 当焦斑偏离锅底时 太阳 光线将直射光电池的采光面 产生较大的电流 启动电磁铁 使制动轮失去阻尼 绳链放松 灶体自动转动一步 使焦斑恰好位于锅底上 这时电池组的遮阳板又挡住了太阳光线 电流 减少 电磁铁磁性减弱 制动簧又拉紧制动橡皮 使制动轮停止转动 这样不仅提高了跟踪 精度 而且在多云天气亦能保证顺利地跟踪 电子开关电路采用一般的多谐振搞器电路 但 是这种结构比较复杂 造价比较高 按现在的科学技术水平 实现太阳吐的自动跟踪并没有 技术上的困难 问题的关键在于其经济性 因此研究简易的 性能可靠的 低成本的自动跟 踪装置是今后的主要研究方向 预达到太阳灶自动跟踪太阳光的目的 就要实现太阳灶灶面 开口的任意角度的旋转和开口高度角的转向 点聚焦太阳能自动跟踪装置跟踪精度高 目前 使用比较多的都是采用双轴跟踪系统 这样结构简单 成本低 容易实现对太阳光的精确跟 踪 十字轴就是其中之一 他可以实现各个角度对太阳的跟踪 由于需要两轴驱动 故需要 有两套平行的讯号采集 传输 处理和机械传动系统 具体如下 通过两个轴方向上的控制 两轴分别控制太阳灶转动时的两个方位角 两轴实现的是平行控制 从而可以达到各种方向 的控制 2 2 设计参数的计算及组成 主要的参数及组成 1 太阳灶技术参数 太阳灶灶面焦距 f 670mm 采光面积 A 2 0 平方米 6 焦斑最高温度 t 1100 2 十字轴支撑及传动 3 二台步进电机 Y225M 8 型二相异步电动机 功率因数 0 78 4 光敏传感器导筒 导筒高度 8cm 5 齿轮减速器二台 6 传感器部分 光敏三极管 4 个 型号 3DU5 7 数据采集及处理部分 存储器 ERPOM2764 一片 8 电机驱动电路部分 光电耦合 驱动电路 差动放大器 对信号进行比较并将数据传到单片机中 2 3 总体方案的确定 整个系统包括步进电机 齿轮减速机构 步进电机的驱动系统 光敏传感器 单片机 程序存储 数据存储等部件 其中电控部分采用单片机为主的测控系统 系统整体框图如图 2 1 2 3 1 机械系统部分方案的确定 采用十字轴传动 通过轴承连接将一根轴固定在底版上 采用两端固定式连接 在轴 的上面通过键连接上两个支撑板 在支撑的上面用螺钉连接上第二块支撑板 它的作用是实 现太阳灶以其为中心轴进行旋转 可以控制太阳灶在这个方向对太阳的跟踪 在支撑板上面 用轴承将另外一根轴固定连接 使这根轴于第一根轴相互垂直 第二根轴通过支撑与太阳灶 直接连接在一起 它可以实现太阳灶以它为中心轴旋转 这样 十字轴就可以实现对太阳灶 各个方位的控制 实现对太阳的跟踪 由于太阳灶控制轴实际转动的速度极其缓慢 所以在 步进电动机与工作轴之间必须通过齿轮减速器来实现相对较大幅度的降速 灶面放置被加热物品的支架设计 由于太阳灶要自动跟踪太阳 所以太阳灶是时刻转动 的 这样就要求放置被加热物品的支架时刻保持与地面平行 这样才能保证物品的牢固性 本系统采用的是依靠自重自动保持水平的原理 在太阳灶上用两个支架固定一个承重板 板 上用吊环螺钉连接 下面可以采用一个挂钩与吊环螺钉连接 挂钩下面与放置重物的载物支 架相连 支架是由带有两个爪的支锅圈与支杆固定连接组成 支杆上端连接在挂钩上 下端 与支锅圈活动连接 当太阳灶转动进行角度调节的时候 支锅圈由于本身的重量通过与挂钩 7 连接 总处于水平状态 2 3 2 电气系统部分方案的确定 首先应该有光感应器 在灶面上放置四块光电池 用于对太阳位置的判断 以及信号的 采集 其中光电池两个为一组放置在导筒里的 由于四周有导筒的限制 所以一组中的光电 池接收到的光照有时并不相同 将光电池连接在一个比较电路上 这时将产生一个差异信号 信号通过 ADC0809 转换 变为数字信号 其值也是唯一的 这一特定值是经两块光敏三极 管转换成的电压相减得到的 将其传给单片机 单片机接收到此数据时 经片选 把内存 7264 里存好的程序调入 处理 再信号输出到光到耦合 驱动电路 控制电动机进行相应的 旋转 当太阳灶绕该轴旋转到一定位置时 此时传给电动机信号的两块电池接收到的光照相 同 这样通过单片机控制电动机停转 两轴的工作方式相同 但是两轴控制了太阳灶的各个 方位 这样就可以通过十字轴对太阳进行自动跟踪 光 敏 元 件 采 集 的 信 号 单 片 机 输 出 状 态 寄 存 器 输 出 接 口 A D C0 8 0 9 现 场 执 行 元 件 CPU 接口 存储器 外部设备 图 2 1 系统原理图 8 第 3 章 机械机构的设计及计算 3 1 齿轮的设计和校核计算 由于采用的是十字轴传动系统 所以两个轴的工作方式基本上是相同的 需要用到相同 的减速机构 则两对减速齿轮需要的减速比十相同的 现对其中一对齿轮进行设计计算及校 核 1 大小齿轮材料用 40MnB 表面淬火 齿面硬度 180 200HBS 第一对的齿轮的传动比 齿轮齿数 2 1 i 21 z2 461zi 取 传动比462 z9 2 按齿根弯曲疲劳强度设计 闭式齿面齿轮传动 承载能力取决于弯曲强度 所以现按照弯曲强度设计 来检验接触 时的强度 321 FSdAaYZKTm 1 3 N mm140 1 88 3 2 1 88 3 2 1 66a 1z22146 0 25 0 70aY 75 0 选取 0 5d 查表得 7 21 aFY63 1 aS 362a 2aY 60njL1Nh 60 500 1 10 300 10 9 810 2 19 4 112 9 查表得 Y 0 97 Y 0 991N2N 选 S 1 25 MinF 按齿面硬度均值 51HRC 查表得 450MPa 1limF2li 349MPa1Fmin1NS YLi 5 9704 同理 356MPa 25 904 0 0129 1FSa Y 3496 72 同理 0 011 2FSaa Y 356 所以 因此求得 321 FSdAaYZKTm 3 3496 175 0 122 4 1 17mm 修正 tm 0 643m s106 ZnVt 106527 43 查表得 5 VK 01 2 则 K K K K K 1 323A m m 1 12mmt3tk 10 考虑到磨损 选用 m 3 的标准模数 确定齿轮几何参数 d m Z 3 21 63mm1 d m Z 3 46 138mm2 a 100 5mm 21m b 0 5 63 31 5mm 取 34mm 38mmd B 校核齿面接触疲劳强度 ZHE HubdKT 12 由弹性系数表查得 Z 189 8EMPa 由节点区域系数图查得 5 2 H 由接触强度重合度系数表查得 8 0 由接触强度的寿命系数图查得 0 9121 NNZ 在齿轮的接触疲劳极限系数图中 按齿面硬度均值 51HRc 在 MQ 和 ML 线之间查出 MPaH106lim 2limH 由最小安全系数参考值表查得 251lim HS in1l1NZ 746 24 25 806MPa 771 68 min2lHNSZ 取前者作为强度条件 将确定出的各项数值代入接触强度校核公式 得 3160 132 8 052 1894 H 11 183 M Pa 1H 所以满足齿面接触疲劳强度 3 2 轴的计算 图 3 1 轴主要受两个方向四个力的作用 其中包括太阳灶灶体的重量以及放在灶面上重物的重 量通过支承板传给轴的两个力 还有轴两端的轴承给轴的支承力 轴在这四个力的作用下 主要校核轴的弯曲疲劳强度 转轴的材料为 45 钢 取 30MPa 设定 d1 130mm d2 142mm d3 130mm 太阳灶自重约 30kg 所以 F1 F2 F3 F4 150N 危险截面处转矩 M 150 130N mm 19500N mm 根据扭转强度条件设计轴的直径 d 取安全系数为 2 故轴安装最小轴承处的轴径为 30mm 3 3 工作轴轴承的相关计算 根据工况选用在轴的两端正装两个角接触球轴承 型号为 7206C 已知轴上齿轮受圆周 力 426N 径向力 150N 轴向力 120 图 3 2 12 图 3 3 图 3 4 1 计算轴承的径向载荷 R1 和 R2 将轴系部件空间力系分解成为水平面以及铅垂面这两个水平力系 由力分析可知 水平支反力 NFRtH86 1257461251 t 4 302 铅垂支反力 NFRarV 36 9117625176951 13 NRFVrV 64 583 91012 合成支反力 211HV 22 155 52N 22HVR 2214 306 58 305 82N 2 计算轴承承受的轴向载荷 和1A2 查设计手册 30207E 轴承的 C 51 5KN 37 2N0C 对于此类轴承 查得派生轴向力的计算公式为 S R 2Y 由机械设计手册查出 Y 1 6 e 0 37 9 436 1201 YRS 3 756 1242 YRS 由于 0aF 因为 9 jle ddd 若不大于则为 0 9 加 30h 为其 ASCII 码 add dl 7 否则为 A F 再加 7 ddd add dl 30h 显示 mov ah 02 int 21h ret disp endp code ends 30 第 5 章 毕业设计总结 通过为期三个月的毕业设计 我通过对国内外的太阳灶控制系统的分析得出的结论是 现在的太阳灶的控制系统大都是机械式的 机械式控制系统具有精度比较低 控制不方便等 缺点 所以我设计了 十字轴 操作机构来实现角度的跟踪 再用单片机进行信号处理 控制机构根据 十字轴 操作机构来实现自动跟踪 这次毕业设计让我感受到了和以前的 课程设计不同的东西 我从中学到了很多东西 综合运用所学知识和技能 分析和解决实际 问题能力得到了提高 以前的课程设计基本上全是机械方面的 而且和书本结合的很近 好象是当作是一项任 务来完成 没有多少设计的感觉 而这次的设计和以前的课程设计有很大区别 这次课程设 计以电为主 机电液结合 以平时的学习为基础 以各种书籍资料网络信息为辅助培养了我 们搜集 阅读和综合分析参考资料 运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力 同 时也进一步树立了学生正确的设计思想及严肃认真的工作作风 在刚开始设计时有很多问题 不知如何下手 后来在老师的精心指导下 很多问题得到了解决 也有一些自己认为很简单 的问题 其实不然 在和老师同学讨论时逐渐发现了自己的想法还有很多不足之处 发现了 很多问题 同时也使得自己的想法较以前有了一定的提高 这些对我今后的学习与工作都积累 了宝贵的经验 可以说毕业设计使我受益匪浅 通过此次毕业设计巩固 深化和扩大了 我所学的理论知识 这些对我今后的学习和工作都积累了宝贵的经验 可以说这次毕业设 计使我受益非浅 当然我这次毕业设计由于是对一个相对陌生的结构设计 所以有很多不足之处 有些结 构不尽合理 以及结构的体积次寸也有很多不够优化 所以在以后改进时应朝着简单轻便 准确 更合理的结构等优化方面改进 31 致 谢 三个月的不懈奋斗与努力之后 我的毕业设计已经结束了 我从这次设计中学到了多东 西 锻炼了我的综合运用所学知识的技能 分析和解决实际问题能力得到了提高 而与此同 时 我懂得了创新是要以扎实的基本知识为基础 我的四年大学生活也即将画上一个句号 此刻我的心中却有些怅然若失 因为那些熟悉的老师和同学也即将挥手告别 我的毕业设计 在老师的指导下完成的 我还要感谢和我一起度过一个假期的小组同学们 因为有他们的帮 助 我才能克服一个有一个困难 直至毕业设计的顺利完成 本次设计是在导师李春梅的精心指导之下完成的 李老师严谨的治学态度使我深受感染 在毕业设计期间 李老师那深厚的学识 广博的知识 崇高的人品和敬业的态度给我们留下 了深刻的印象 在感动之余更激励了我们不断学习和进步 在此 向李老师表示我最衷心的 感谢和最崇高的敬意 同时其他老师也无私的帮助了我们 帮我们检查图中的错误 对我们 的毕业设计的方案给出了许多宝贵的意见 在此我表示衷心的感谢 我也感谢在我毕业设计 期间帮助我的同学与朋友 是你们的真挚关怀给了我更多的信心 谢谢你们 大学的生活即将结束 同学们也要各奔东西 我十分留恋大学的生活 惜别之情无法表 达 在最后我诚挚的感谢在大学生活中帮助我和关心我老师和同学们 祝你们身体健康 工 作顺利 32 参考文献 1 朱喜林 张代志 机电一体化设计基础 北京 科学技术出版社 2004 2 高春甫 机电控制系统设计 吉林 吉林大学出版社 2001 3 日 松井邦彦 传感器实用电路设计与制作 北京 科学出版社 2005 4 4 顾冠群 万德钧 机电一体化设计手册 江苏 江苏科学技术出版社 1998 5 何超机 电系统自动控制 北京 中国人民大学出版社 2000 6 张爱零 李岚 梅丽凤 电力拖动与控制 北京 机械工业出版社 2003 7 谢克明 夏路易 可编程控制器原理与程序设计 北京 电子工业出版社 2004 8 贾英洲 黄建周 聚光太阳灶设计制造原理 北京 能源出版社 1983 9 黄长艺 严普强 机械工程测试技术 北京 机械工业出版社 2001 10 郑郁正 单片机原理及应用 四川 四川大学出版社 2003 09 11 睢丙东 魏泽鼎 单片机应用技术与实例 北京 电子工业出版社 2005 01 12 曹天汉 单片机原理与接口技术 北京 电子工业出版社 2003 08 13 寇尊权 机械设计课程设计 吉林 吉林科学技术出版社 1999 09 14 谭庆昌 赵洪志 曾平 机械设计 吉林 吉林科学技术出版社 1999 09 15 侯洪生 机械工程图学 北京 科学出版社 2001 09 16 聂毓琴 孟广伟 材料力学 北京 机械工业出版社 2004 02 17 R Y Chiang Modern Robust Control Theory Ph D Disseration USC 1988 18 M G Safonov Stability Marfins of Diagonally Perturbed Multivariable Feedback Systems IEE Proc 129 Pt D 2 pp 252 255 November 1982
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