太阳跟踪及导光系统关键技术研究
发布时间：2021-02-10 16:51
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...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 世界面临的能源危机
1.1.2 太阳能的特点和发展优势
1.1.3 太阳能利用的方式
1.2 太阳能利用和跟踪系统的国内外研究现状
1.2.1 太阳能利用的国内外现状
1.2.2 太阳跟踪系统的国内外研究现状
1.3 本课题的研究目的和主要内容
1.4 本章小结
第二章 聚光器及光纤的光学性能分析
2.1 聚光比
2.2 典型聚光器的性能分析
2.2.1 透射式系统—菲涅尔透镜聚光性能
2.2.2 反射式系统—抛物面反射镜的聚光性能
2.2.3 反射式系统—复合抛物面（CPC）聚光性能
2.3 聚光器的选择和设计
2.3.1 聚光器的选择
2.3.2 菲涅尔聚光器的设计
2.4 光纤导光性能
2.4.1 光纤发展简史
2.4.2 光纤的基本结构和导光原理
2.5 光源与光纤的耦合
2.5.1 光源的分类
2.5.2 光源与光纤的耦合方式
2.5.3 聚焦光源与光纤的耦合分析
2.6 本章小结
第三章 太阳自动跟踪及导光系统设计
3.1 太阳运行规律和跟踪策略
3.1.1 太阳与地球的位置
3.1.2 太阳运动的相关角度
3.1.3 太阳跟踪角度计算举例
3.2 跟踪方案的确定
3.3 光电检测单元的设计与实现
3.3.1 光敏传感器的选择
3.3.2 光电检测单元设计
3.3.3 检测单元精度分析
3.4 聚光导光与传光装置设计
3.5 跟踪控制系统硬件设计
3.5.1 微控制器的选择
3.5.2 MSP430单片机外部接口
3.6 跟踪控制系统软件设计
3.6.1 软件开发平台
3.6.2 系统主程序结构
3.6.3 视日运动轨迹跟踪程序设计
3.6.4 光电检测单元程序设计
3.7 本章小结
第四章 机械执行机构和动力单元
4.1 跟踪装置机械结构概述
4.1.1 跟踪角度范围
4.1.2 总体结构构思和设计
4.2 方位角设计
4.3 高度角设计
4.4 跟踪装置的结构分析
4.4.1 Pro/E/MECHNICA/Structure应用介绍
4.4.2 跟踪装置的静力分析
4.4.3 跟踪装置的模态分析
4.5 动力系统单元设计
4.5.1 步进电机概述
4.5.2 步进电机工作原理
4.5.3 步进电机的选择
4.6 步进电机的驱动与细分
4.6.1 步进电机的驱动方式
4.6.2 步进电机的细分驱动
4.7 步进电机控制
4.7.1 步进电机传动系统的数学模型
4.7.2 系统仿真与控制优化
4.7.3 步进电机脉冲数计算
4.7.4 电机控制系统连接图
4.8 本章小结
第五章 系统调试和实验结果
5.1 系统装置调试与实验项目和准备
5.2 太阳跟踪及导光系统实验
5.2.1 二维跟踪装置实验平台介绍
5.2.2 视日运动轨迹跟踪模式实验
5.2.3 实际跟踪实物测试
5.2.4 光传输及耦合效率测试
5.3 本章小结
第六章 总结和展望
6.1 全文工作总结
6.2 展望
致谢
参考文献
作者在读期间科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于经纬度计算的太阳自动跟踪系统[J]. 孙玉巍,石新春,王丹,黄天富. 中国电力. 2011(11)
[2]光纤光导系统的太阳跟踪方法与输出光谱特性研究[J]. 宋记锋,於震跃. 华北电力大学学报(自然科学版). 2011(05)
[3]基于光纤导入技术的太阳敏感器设计与研究[J]. 李丹,周望,李烨. 光电工程. 2011(04)
[4]一种基于GPS的新型太阳光全自动跟踪控制系统的设计[J]. 李红艳,李建鹏,姬志飞,冯德军. 工业仪表与自动化装置. 2011(02)
[5]太阳光源跟踪伺服系统建模与仿真分析[J]. Rudolf Mecke,Hochschule Harz,魏厚震,袁海文,王秋生. 电力电子. 2011(01)
[6]基于单片机的太阳自动跟踪装置的设计与制作[J]. 王海鹏,郑成聪,徐丹,聂士忠. 科学技术与工程. 2010(19)
[7]基于FPGA的太阳跟踪器的设计及实现[J]. 綦慧,田卫娟. 现代电子技术. 2010(13)
[8]双轴太阳跟踪系统运动控制规律的研究[J]. 李鹏,廖锦城,蔡兰兰,杨培环,吴贺利,翟鹏程,张清杰. 机械制造. 2010(06)
[9]二维跟踪指向镜结构设计与分析[J]. 苏周华,姜紫庆,贾建军. 科学技术与工程. 2010(06)
[10]步进式双轴太阳跟踪运动控制方法的研究[J]. 李鹏,杨培环,廖锦城,吴贺利,翟鹏程,张清杰. 机械制造. 2009(12)
博士论文
[1]太阳能高倍聚光能量传输利用理论及试验研究[D]. 韩延民.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]光纤太阳光照明系统[D]. 田丰.北京化工大学 2012
[2]菲涅尔透镜及复合抛物面聚光器的设计与研究[D]. 姜磊.吉林大学 2011
[3]太阳光室内照明系统的设计[D]. 李建鹏.山东大学 2011
[4]微波暗室性能测试支架及其控制系统设计[D]. 朱涛.华中科技大学 2011
[5]太阳能自动跟踪控制系统的设计与研究[D]. 宿剑锋.哈尔滨工程大学 2011
[6]精密光纤耦合系统研究[D]. 胡博宇.长春理工大学 2010
[7]指向式旋转导向钻具偏置机构位置测控系统的研究[D]. 屠言辉.中国地质大学（北京） 2009
[8]太阳光照明的关键技术研究[D]. 李敏.重庆大学 2008
[9]日光室内导入系统的关键技术研究[D]. 王玉玲.大连海事大学 2008
[10]光电跟踪伺服系统智能控制研究[D]. 黄立新.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：3027681
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 世界面临的能源危机
1.1.2 太阳能的特点和发展优势
1.1.3 太阳能利用的方式
1.2 太阳能利用和跟踪系统的国内外研究现状
1.2.1 太阳能利用的国内外现状
1.2.2 太阳跟踪系统的国内外研究现状
1.3 本课题的研究目的和主要内容
1.4 本章小结
第二章 聚光器及光纤的光学性能分析
2.1 聚光比
2.2 典型聚光器的性能分析
2.2.1 透射式系统—菲涅尔透镜聚光性能
2.2.2 反射式系统—抛物面反射镜的聚光性能
2.2.3 反射式系统—复合抛物面（CPC）聚光性能
2.3 聚光器的选择和设计
2.3.1 聚光器的选择
2.3.2 菲涅尔聚光器的设计
2.4 光纤导光性能
2.4.1 光纤发展简史
2.4.2 光纤的基本结构和导光原理
2.5 光源与光纤的耦合
2.5.1 光源的分类
2.5.2 光源与光纤的耦合方式
2.5.3 聚焦光源与光纤的耦合分析
2.6 本章小结
第三章 太阳自动跟踪及导光系统设计
3.1 太阳运行规律和跟踪策略
3.1.1 太阳与地球的位置
3.1.2 太阳运动的相关角度
3.1.3 太阳跟踪角度计算举例
3.2 跟踪方案的确定
3.3 光电检测单元的设计与实现
3.3.1 光敏传感器的选择
3.3.2 光电检测单元设计
3.3.3 检测单元精度分析
3.4 聚光导光与传光装置设计
3.5 跟踪控制系统硬件设计
3.5.1 微控制器的选择
3.5.2 MSP430单片机外部接口
3.6 跟踪控制系统软件设计
3.6.1 软件开发平台
3.6.2 系统主程序结构
3.6.3 视日运动轨迹跟踪程序设计
3.6.4 光电检测单元程序设计
3.7 本章小结
第四章 机械执行机构和动力单元
4.1 跟踪装置机械结构概述
4.1.1 跟踪角度范围
4.1.2 总体结构构思和设计
4.2 方位角设计
4.3 高度角设计
4.4 跟踪装置的结构分析
4.4.1 Pro/E/MECHNICA/Structure应用介绍
4.4.2 跟踪装置的静力分析
4.4.3 跟踪装置的模态分析
4.5 动力系统单元设计
4.5.1 步进电机概述
4.5.2 步进电机工作原理
4.5.3 步进电机的选择
4.6 步进电机的驱动与细分
4.6.1 步进电机的驱动方式
4.6.2 步进电机的细分驱动
4.7 步进电机控制
4.7.1 步进电机传动系统的数学模型
4.7.2 系统仿真与控制优化
4.7.3 步进电机脉冲数计算
4.7.4 电机控制系统连接图
4.8 本章小结
第五章 系统调试和实验结果
5.1 系统装置调试与实验项目和准备
5.2 太阳跟踪及导光系统实验
5.2.1 二维跟踪装置实验平台介绍
5.2.2 视日运动轨迹跟踪模式实验
5.2.3 实际跟踪实物测试
5.2.4 光传输及耦合效率测试
5.3 本章小结
第六章 总结和展望
6.1 全文工作总结
6.2 展望
致谢
参考文献
作者在读期间科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于经纬度计算的太阳自动跟踪系统[J]. 孙玉巍,石新春,王丹,黄天富. 中国电力. 2011(11)
[2]光纤光导系统的太阳跟踪方法与输出光谱特性研究[J]. 宋记锋,於震跃. 华北电力大学学报(自然科学版). 2011(05)
[3]基于光纤导入技术的太阳敏感器设计与研究[J]. 李丹,周望,李烨. 光电工程. 2011(04)
[4]一种基于GPS的新型太阳光全自动跟踪控制系统的设计[J]. 李红艳,李建鹏,姬志飞,冯德军. 工业仪表与自动化装置. 2011(02)
[5]太阳光源跟踪伺服系统建模与仿真分析[J]. Rudolf Mecke,Hochschule Harz,魏厚震,袁海文,王秋生. 电力电子. 2011(01)
[6]基于单片机的太阳自动跟踪装置的设计与制作[J]. 王海鹏,郑成聪,徐丹,聂士忠. 科学技术与工程. 2010(19)
[7]基于FPGA的太阳跟踪器的设计及实现[J]. 綦慧,田卫娟. 现代电子技术. 2010(13)
[8]双轴太阳跟踪系统运动控制规律的研究[J]. 李鹏,廖锦城,蔡兰兰,杨培环,吴贺利,翟鹏程,张清杰. 机械制造. 2010(06)
[9]二维跟踪指向镜结构设计与分析[J]. 苏周华,姜紫庆,贾建军. 科学技术与工程. 2010(06)
[10]步进式双轴太阳跟踪运动控制方法的研究[J]. 李鹏,杨培环,廖锦城,吴贺利,翟鹏程,张清杰. 机械制造. 2009(12)
博士论文
[1]太阳能高倍聚光能量传输利用理论及试验研究[D]. 韩延民.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]光纤太阳光照明系统[D]. 田丰.北京化工大学 2012
[2]菲涅尔透镜及复合抛物面聚光器的设计与研究[D]. 姜磊.吉林大学 2011
[3]太阳光室内照明系统的设计[D]. 李建鹏.山东大学 2011
[4]微波暗室性能测试支架及其控制系统设计[D]. 朱涛.华中科技大学 2011
[5]太阳能自动跟踪控制系统的设计与研究[D]. 宿剑锋.哈尔滨工程大学 2011
[6]精密光纤耦合系统研究[D]. 胡博宇.长春理工大学 2010
[7]指向式旋转导向钻具偏置机构位置测控系统的研究[D]. 屠言辉.中国地质大学（北京） 2009
[8]太阳光照明的关键技术研究[D]. 李敏.重庆大学 2008
[9]日光室内导入系统的关键技术研究[D]. 王玉玲.大连海事大学 2008
[10]光电跟踪伺服系统智能控制研究[D]. 黄立新.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：3027681
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