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太阳跟踪及导光系统关键技术研究

作　者: 王波
导　师: 樊康旗
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 太阳自动跟踪光纤导光菲涅尔聚光器步进电机控制太阳光照明
分类号: TK513
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

太阳能作为一种可再生资源,它具有清洁、环保、可循环利用等优势,在世界各国被积极开发和利用。太阳能的应用方式之一就是太阳光室内照明。虽然国内外对于太阳光导入室内照明技术已有一定研究,但开发出的应用设备造价昂贵、效率较低、稳定性较差,这些因素都成为设备进入市场、商业化的瓶颈。因此,开发出适合在我国应用的廉价、高效、稳定的太阳光室内照明系统具有重要意义和研究价值。本文对太阳跟踪及室内导入系统技术进行了深入研究,在对当前国内外太阳跟踪、太阳光采集及室内照明技术分析、研究的基础上,研制出了一套太阳光自动跟踪、采集的室内照明系统。该系统能够实现对太阳光线的跟踪、聚焦、传输及照明。为了提高太阳光的利用率,设计制作了一套双轴跟踪平台及自动跟踪控制系统。该控制系统能够确保跟踪平台始终处于最大光强位置对日光进行采集,再将采集聚焦后的日光耦合进光纤并传入室内,实现了太阳光到室内照明的转化。太阳跟踪及导光系统由聚光器装置、导光装置、二维跟踪平台、微控制器系统、光纤及步进电机六部分构成。该系统选用菲涅尔透镜作为聚光器实现对光线的聚焦,利用微控制器控制二维跟踪平台的转动方向及角度,然后通过耦合将聚焦后的太阳光导入光纤,再分别采用石英光纤和玻璃光纤作为载体传导耦合光源,最后完成对光纤输出端光功率和传输效率的实验测量和分析。实验表明：本文研制的太阳自动跟踪及光纤导光系统工作精度高、稳定性好、太阳光耦合效率高。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-17
  1.1 课题背景  7-10
    1.1.1 世界面临的能源危机  7-8
    1.1.2 太阳能的特点和发展优势  8-9
    1.1.3 太阳能利用的方式  9-10
  1.2 太阳能利用和跟踪系统的国内外研究现状  10-14
    1.2.1 太阳能利用的国内外现状  10-12
    1.2.2 太阳跟踪系统的国内外研究现状  12-14
  1.3 本课题的研究目的和主要内容  14-15
  1.4 本章小结  15-17
第二章聚光器及光纤的光学性能分析  17-37
  2.1 聚光比  17-18
  2.2 典型聚光器的性能分析  18-23
    2.2.1 透射式系统—菲涅尔透镜聚光性能  18-20
    2.2.2 反射式系统—抛物面反射镜的聚光性能  20-22
    2.2.3 反射式系统—复合抛物面(CPC)聚光性能  22-23
  2.3 聚光器的选择和设计  23-26
    2.3.1 聚光器的选择  23-24
    2.3.2 菲涅尔聚光器的设计  24-26
  2.4 光纤导光性能  26-29
    2.4.1 光纤发展简史  26
    2.4.2 光纤的基本结构和导光原理  26-29
  2.5 光源与光纤的耦合  29-35
    2.5.1 光源的分类  29-30
    2.5.2 光源与光纤的耦合方式  30-32
    2.5.3 聚焦光源与光纤的耦合分析  32-35
  2.6 本章小结  35-37
第三章太阳自动跟踪及导光系统设计  37-59
  3.1 太阳运行规律和跟踪策略  37-42
    3.1.1 太阳与地球的位置  37-39
    3.1.2 太阳运动的相关角度  39-40
    3.1.3 太阳跟踪角度计算举例  40-42
  3.2 跟踪方案的确定  42-43
  3.3 光电检测单元的设计与实现  43-47
    3.3.1 光敏传感器的选择  43-44
    3.3.2 光电检测单元设计  44-46
    3.3.3 检测单元精度分析  46-47
  3.4 聚光导光与传光装置设计  47-50
  3.5 跟踪控制系统硬件设计  50-54
    3.5.1 微控制器的选择  50-51
    3.5.2 MSP430单片机外部接口  51-54
  3.6 跟踪控制系统软件设计  54-58
    3.6.1 软件开发平台  54-55
    3.6.2 系统主程序结构  55-57
    3.6.3 视日运动轨迹跟踪程序设计  57
    3.6.4 光电检测单元程序设计  57-58
  3.7 本章小结  58-59
第四章机械执行机构和动力单元  59-81
  4.1 跟踪装置机械结构概述  59-61
    4.1.1 跟踪角度范围  59-60
    4.1.2 总体结构构思和设计  60-61
  4.2 方位角设计  61-62
  4.3 高度角设计  62
  4.4 跟踪装置的结构分析  62-66
    4.4.1 Pro/E/MECHNICA/Structure应用介绍  62-64
    4.4.2 跟踪装置的静力分析  64-65
    4.4.3 跟踪装置的模态分析  65-66
  4.5 动力系统单元设计  66-70
    4.5.1 步进电机概述  66
    4.5.2 步进电机工作原理  66-68
    4.5.3 步进电机的选择  68-70
  4.6 步进电机的驱动与细分  70-73
    4.6.1 步进电机的驱动方式  70-71
    4.6.2 步进电机的细分驱动  71-73
  4.7 步进电机控制  73-80
    4.7.1 步进电机传动系统的数学模型  73-76
    4.7.2 系统仿真与控制优化  76-79
    4.7.3 步进电机脉冲数计算  79-80
    4.7.4 电机控制系统连接图  80
  4.8 本章小结  80-81
第五章系统调试和实验结果  81-89
  5.1 系统装置调试与实验项目和准备  81-82
  5.2 太阳跟踪及导光系统实验  82-88
    5.2.1 二维跟踪装置实验平台介绍  82
    5.2.2 视日运动轨迹跟踪模式实验  82-86
    5.2.3 实际跟踪实物测试  86-87
    5.2.4 光传输及耦合效率测试  87-88
  5.3 本章小结  88-89
第六章总结和展望  89-91
  6.1 全文工作总结  89
  6.2 展望  89-91
致谢  91-93
参考文献  93-99
作者在读期间科研成果  99

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