适用于太阳能热水器的太阳能跟踪器
摘要
太阳能跟踪器设计团队成立于2005年秋季，设计团队由五名队员组成，我们还负责与智能家居的联络工作。我们的太阳能跟踪小组继续以前的工作，现在的任务是设计一个新的跟踪装置，因为太阳光的方向是变化的，所以要最大限度地使太阳能电池板向着太阳。实施这种跟踪，可以大大提高太阳能电池板工作效率，并且使太阳能电池板用来提供给智能家居生活。本报告审查过程中设计和建造的样机以及所得到经验和遇到的问题激励我们继续这一项目。
一、导言
改变太阳能电池板的角度，这样能使太阳能电池板充分利用太阳能。这是通过旋转面板始终垂直于太阳的入射角实现的。初步测试后，这个过程可以提高太阳能发电系统50 ％的工作效率。这些测试结果说明这是一个很有吸引力的研究，加强了现有的太阳能发电系统。其目标是建立一个跟踪机，完成太阳能跟踪，并实现最高的效率。其终极目标是本项目要符合成本效益，那也就是说随着时间的推移将大大降低发展跟踪机的成本。除了上述功能目标，智能家居还为我们的项目提出了以下的其他目标：必须不吸取外部电源（自我维持） ，必须美观，而且还要能防水。
我们设计的太阳能跟踪器包括三个组成部分：结构，传感器和驱动系统。每个都被仔细审查和检测，实行跟踪。先前的太阳能跟踪小组设计的框架是一个铝棱柱形框架。它采用了一种格设计并且旋转轴在中间，与方形电池板底部相连的是一个用来支撑集热板的平台。该框架本身有一个角度，此角度的度数由小组对当地实际情况调查而定，其旋转的轨道是系统随太阳从东到西转动，这一过程在白天进行。
该传感器系统设计采用了两个小型太阳能电池板作为跟踪机的采集板。这些传感器面板采用垂直的反光镜相连接，除非反光镜接收不到任何太阳光，不然它会遮挡其中一个面板，而另外一个能够接收到太阳光。我们的传感器依靠这种差异继续研究，结果两种差异很大的面板都能驱动电机跟踪的方向，直到反光镜子再次得不到任何阳光，而此时双方的太阳能板对传感器能得到同等阳光。所有我们拭目以待。
我们认为以往用于跟踪直接驱动系统是很容易在跟踪时失败。所以我们设计了一个带系统，系统的一端是一个马达，具有传动皮带轮和输出的功能。电机旋转传动皮带，然后旋转滑轮上的轮轴。这个系统简单，易于拆解，所以很容易根据需要将传动做进一步的改进和优化。
正如任何设计过程中都会遇到问题。我们遇到的首要的问题是天气恶劣而否认我们宝贵的测试时间。尽管遇到挫折，我们相信，这样的设计与原型是非常有价值的。在我们的测试中，我们已经消除了许多重复的问题，使今后的工作和该项目的研究更为顺利。我们也已将我们的样机做跟踪太阳的演示，在没有任何外部辅助下，我们能让跟踪器依靠自己的能量旋转和停止，演示过程中没有任何援助。联合国向我们提出的智能家居的主要目标是：在今后的发展中将这项技术推广到普通家庭。所以我们相信我们研究一定能使太阳能跟踪向前迈一步。
二、问题设定
该项目完成了太阳能跟踪器设计阶段的任务，以用于智能家居。而团队组成后，成员完成高级程序设计，客户可以为这个项目进行内部设计。值得提一下的是，杰夫泰森代表智能家居与我们进行联系和沟通，以及聪明的众议院领导人也认同我们的研究 。在我们的第一次会议上，杰夫和汤姆确定了以下目标：
a 白天追踪太阳
b 不使用任何外部电源
c 不受天气影响
d符合成本效益
e 必须外观好看
f 太阳能电池板大众化即能够适用于不同类型的面板
根据这些目标，我们构建了质量功能配置图。此图可以发现，其主要关注的领域可能有以下几个：面板数量，面板尺寸 ，内部电源要求，电动机的扭矩要求。
在我们的第一次会议上，我们设定了我们这一阶段的目标：做出一个工作原型，能够跟踪太阳。这也是完成该项目的主要标准，但我们很快发现要做到这一点，我们将被迫省略部分的设计，他们希望工作列其后，这将导致在优化平台空间时是不是屋顶无关重要？我们的目标是要有一个平台上的轨道，它也说明了为了稳定或需要，我们的原型需要测试。我们开始有一个想法，这一想法从无到有， 就是有可能使用帧，舍弃最初的设想即采用REV 1设计方案或采用转动原型方案，我们的设计图见附件B，以应付与杰夫每周一次的会议，以确保我们在设计时能够满足他们的需要。杰夫也将会见汤姆，总之与智能家居的会议每周至少一次，以使每个人都能在同一高度上。从我们的目标开始，我们着手对这一进程的进行构想 。
三、观念和研究
3.1跟踪模式
我们小组用了一个集思广益的方法来界定概念。我们的思想理念是为了设计不同条件下使用的太阳能跟踪装置，因为它们克服了不同条件下的困难，再把可行的框架和概念介绍给我们的智能家居。其他的概念产生是通过研究事先存在的太阳能跟踪装置得到的。原来我们的概念是面向创造一个完全新的太阳能跟踪装置，以前的设计结构方法已经给我们的智能家居提供了思路。这一初步献策产生了许多观点：第一个观点是一个单向轴跟踪系统，该系统将追踪太阳从东到西横跨天空的全过程，检测每一段时间， 直到第二天结束。这一概念的提出很简单，我们选择使用的结构材料正在制作中；另一种更复杂的概念是双向轴跟踪系统，并在整个季节都能从东到西跟踪太阳。这种概念是较为高效率的利用太阳能；第三个概念是只随季节跟踪。这将提供小型效率收益，但远不及第二个概念提供的从东到西的跟踪装置。
我们设计的跟踪装置结构包括一个旋转中心轴和附加板以及液压机或电动升降机，将提供主要方向的跟踪，还有一个机械臂将使它转到面对着太阳。清晰的效率收益，再加上设计简单的单向轴跟踪系统，以及以电机轴为旋转中心轴的结构，使我们能够实现从东到西的跟踪。
3.2结构
一旦方法的议案被选择，有必要使产生的观念、结构支持车轴。可提供三角棱柱结构，也就是说由前智能家居太阳能跟踪小组，或通过使用栏目将对任何一方提供支持。而棱柱结构提交的优势和现有的框架、栏目会为我们提供方便的建设，简单的几何考虑，并准确安装在屋顶上。由于提高了强度的时间考虑，而我们的预算又有限，在加上现有的框架被证明是最重要的因素，由于这些因素，我们决定用过去的太阳能跟踪组向我们提供的工作框架。
3.3跟踪运动
一旦支撑结构确定，最后我们需要一种手段来决定这项议案，我们决定之后感受到这一议案的可行性，这将使太阳跟踪器的研究方向和进度向前一步。在连续讨论议案后，决定在跟踪太阳的基础上，预先确定太阳在天空中的位置，所以我们选择连续跟踪太阳能的议案，就是根据其知觉的准确性和存在的已知定时技术进行。在评估阶段我们意识到：连续跟踪太阳能的的议案将被证明是困难的。其中一个原因是无法从太阳帆板提请不断的电压和电流，要保持一贯的议案，从而有必要性改变遥感轮换的立场。连续跟踪的议案还需要近恒定的功率，一天的运作中这将需要一个机制来存储能量。除了这些因素，实施的时间安排电路和位置传感装置似乎是艰巨的。与博士乔治协商后，我们决定对装置使用两个小组和底纹为感受的议案。
四、分析与体现
4.1结构几何
创造几何学的框架，以使电池板吸收高效率的太阳能。之所以能这样做，是让轮换在东西方向的电池板始终对南，每天跟踪太阳一个360°倾角（达勒姆的纬度）。因为这个框架的目的是摆在屋顶25 °的斜坡上，但实际的倾斜度是11 °。
对现有的几何平台的结构作调整，这样做是为了博士奈特给我们的晴天模式，这种模式导致的结论是：该平台应当跟踪到达到60 °两个方向的水平。因此，角度范围的框架尚待提高。把双方的帧引入以增加允许的转动角度，而他们带来的比例以维持倾角 11 °。此外，帧被转移到里面的框架以允许更大的旋转平台来接触到支持结构。
该面板放在用于传感和驱动旋转的平台上。镜子垂直放置，并在这两者之间产生一个差额，带动功率电机。传感板放在外面平台区，以保持收集板的最大可能面积。第三个传感小组展开近于直立，并且面向东，以确保在早晨轮换时回到太阳升出处。这个小组被连接到框架下的平台，因此，在一天的大部分时间里，它的阴影与影响是最小的。
最小力矩马达是一个主要的关注，以最大限度地减少电机功率的需要。该平台设计用于安置收集太阳能电池板划归转动轴，使该小组符合它的旋转轴。由于主要有展板组成，其中大部分的重量使这些旋转轴降低了对轴的扭矩。传感板置于对称轴左右旋转，以避免额外对马达的扭矩。第三个小组是隶属该帧而不是平台或转动轴等，以尽量避免任何扭矩。
4.2材料
材料的选择，大部分的框架很简单，因此它已经建成。用于扩增和遮荫传感面板的镜子，也已购买，并已使用。新增部分附着的板和后视镜框都是废品 ，可在车间找到。 对我们选择的传感面板的体积和耗电量都需要加以平衡。该小组将尽可能添加最小应力和重量，而框架还需要得到足够强大的力量旋转平台，因此世界上最强大的中间尺寸面板可供选择。该小组还购买了其他最可靠材料来供我们的选择。
4.3传动机构
经过重新设计原型和测试，电动机的购买和使用由先前的太阳能跟踪组完成。与会者建议把它拆除并试图安装了一个齿轮系统与另一个简单动作。奈特教授提供的一些装备以及一些皮带和滑轮与另一端的轴连接，在定这件事期间分别买了一个充电器和电机，我们可以从另一个权力滑轮将这些滑轮接上皮带。这表明电动机带动旋转轴强度不足，一旦原电机抽离，被送走和检验，这似乎又增加了新的工作，一个新的滑轮需要购买并在所附的地方要适应该6V马达。
五、详细设计
5.1结构
框架的是以一英寸的方形铝管为油管，以及以5英尺长、 2英寸的方管为车轴。它是一个刚性基层和三角棱柱形框 。年底前轮轴是重视制度的滑轮，其中主要是驱动电动机。这是很容易运送消除双方的基地和折叠结构。
5.2传感器
我们的传感面板螺栓到底部的主要太阳能电池板框架，硬着头皮下半英寸L型括号。镜子都附在里面的传感面板中，硬着头皮由L型括号内为好。整个架构重视用4个2英寸的U型螺栓将主面板框连接到主轴。第三小组是螺栓，以结构返回主面板方向的地平线上的日出。
5.3如何传感器工程
我们的一个调查小组发现传感器造成运动的电机遮荫，并在其他的很多时候，该系统并非直接面向太阳。两个传感板装在平行主面板左右对称的中心轴与两面镜子之间。遮荫对其中的面板制造了高阻抗，这种情况直到面板得到同样数额的阳光和平衡 （即当传感面板及主要面板都面临着外）。我们最初试图用一系列配置，以充分利用电压差时，这里有其中一个小组的阴影（附录C ） 。这种差异也不是大到足以驱动马达。其后，我们试图平行配置，其中将利用阻抗的林荫道小组（附录C ） ，并提供所需的电流驱动马达。从日出到日落一旦感应机制有旋转， 利用太阳光从日出的第二天功率电机归还板方向的太阳，第三个小组通常会被填满。
六、原型测试
初步测试工作只用传感元件和1 6 V电机。该小组成员经过一系列的配置后，其传感面板进行最初测试，结果证明是无效的。数据采集显示，最多不超过2V的差异，这是不够准确的。经测试该面板的整体，人们发现这是一个随意的电压，每个小组肯定各有不同， 当21.5v和19.5v时应充分补充，并迅速充分填满。目前这些数据分别由每一个小组区实验，由于被认为波动数值为0安培之间时被填满，直至0.65安培时充分补充，因此，为了充分避免太阳能电池板被遮光，我们选择了把我们的传感板平行与阳光垂直。测试此配置，使电机在一个方向停下时，传感面板几乎垂直于太阳，如果太阳扭转了方向，同时面板旋转过去保持与太阳光的垂直。我们调整角度范围，要使电动机停止时误差要非常小。也有人指出，面板旋转稍近垂直时，电机不再工作。这个错误可能是由于二个传感小组的结合。测试时，我们发现其中一个小组阻力是52 k omega; ，其他小组的阻力为53 k omega; 。再进行深一步测试，发现电压和电流提供传感太阳能电池板向着太阳，在各点上以保持一致，但不包括当太阳能电池板 直接面向太阳时。通过其中一个调查小组试验结果表明，阻力可能需要加以补充，以弥补分歧，在内部电阻的个体面板上稳压器需要加以补充，以减少电压误差而出现马达转动。我们最初的原型测试发现因为它的工程延误所造成的崩溃，所以原发动机是容易失败的。这导致了该机构的滑轮和皮带驱动系统出现故障，并且将允许故障或延误继续。我们的太阳能跟踪器的设计初步测试和原型证明了我们的成效。
七、结论
整个项目中，我们邀请了多种专家（即我和EE教授，以前智能家居队）。早在前面说过，必须明确定义问题，是至关重要的，这是提高设计的效率和进展情况所必需的。我们的奋斗让我们得到了最初的一个跟踪装置试图设计，这是不同于以往太阳能需求者的企图，但无充分权衡利弊大小，决定利用现有的框架，他们的投资和优势为我们的目的提供了帮助。 我们了解到，进行部分的设计是关键，尤其是当在初始阶段的原型设计中。几经周折，在测试太阳能电池板时我们才知道，由于不可预测性天气，太阳能电板工作需要很多的时间去测试是否与太阳垂直有关。
实际执行的使用原型在其预定位置对智能家居屋顶需要的样机一样，以保护线路及电气连接，从传感，结构到电机，支撑体系，底部结构放于屋顶，并有可能重新设计以消除过剩的高度和简化整体的几何形状。传感系统可加以改进，以得到高效率，使扩大镜或配售沿线两侧的面板，以减少折射光对传感器的影响。
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Solar Tracker for Solar Water Heater
Abstract
The Solar Tracker team was formed in the fall of 2005 from five students in an ME design team, and a Smart House liaison. We continued the work of a previous solar tracker group. The task was to design a prototype tracking device to align solar panels optimally to the sun as it moves over the course of the day. The implementation of such a system dramatically increases the efficiency of solar panels used to power the Smart House. This report examines the process of designing and constructing the prototype, the experiences and problems encountered, and suggestions for continuing the project.
1.Introduction
Solar tracking is the process of varying the angle of solar panels and collectors to take advantage of the full amount of the sunrsquo;s energy. This is done by rotating panels to be perpendicular to the sunrsquo;s angle of incidence. Initial tests in industry suggest that this process can increase the efficiency of a solar power system by up to 50%. Given those gains, it is an attractive way to enhance an existing solar power system. The goal is to build a rig that will accomplish the solar tracking and realize the maximum increase in efficiency. The ultimate goal is that the project will be cost effective – that is, the gains received by increased efficiency will more than offset the one time cost of developing the rig over time. In addition to the functional goals, the Smart House set forth the other following goals for our project: it must not draw external power (self-sustaining), it must be aesthetically pleasing, and it must be weatherproof.
The design of our solar tracker consists of three components: the frame, the sensor, and the drive system. Each was carefully reviewed and tested, instituting changes and improvements along the design process. The frame for the tracker is an aluminum prismatic frame supplied by the previous solar tracking group. It utilizes an lsquo;A-framersquo; design with the rotating axle in the middle. Attached to the bottom of this square channel axle is the platform which will house the main solar collecting panels. The frame itself is at an angle to direct the panels toward the sun (along with the inclination of the roof). Its rotation tracks the sun from east to west during the day.
The sensor design for the system uses two small solar panels that lie on the same plane as the collecting panels. These sensor panels have mirrors vertically attached between them so that, unless the mirror faces do not receive any sun, they are shading one of the panels, while the other is receiving full sunlight. Our sensor relies on this difference in light, which results in a large impedance difference across the panels, to drive the motor in the proper direction until again, the mirrors are not seeing any sunlight, at which point both solar panels on the sensor receive equal sunlight and no power difference is seen.
After evaluation of the previous direct drive system for the tracker, we designed a belt system that would be easier to maintain in the case of a failure. On one end of the frame is a motor that has the drive pulley attached to its output shaft. The motor rotates the drive belt which then rotates the pulley on the axle. This system is simple and easily disassembled. It is easy to interchange motors as needed for further testing and also allows for optimization of the final gear ratio for response of the tracker.
As with any design process there were several setbacks to our progress. The first and foremost was inclement weather which denied us of valuable testing time. Despite the setbacks, we believe this design and prototype to be a very valuable proof-of-principle. During our testing we have eliminated many of the repetitive problems with the motor and wiring so that future work on the project will go more smoothly. We also have achieved our goal of tracking the sun in a lsquo;hands-offrsquo; demo. We were able to have the tracker rotate under its own power to the angle of the sun and stop without any assistance. This was the main goal set forth to us by the Smart House so we believe our sensed motion prototype for solar tracking will be the foundation as they move forward in the future development and implementation of this technology to the house.
2. Defining the Problem
The project was to complete the “REV 2” design phase of the solar tracker to be used on the Smart House. While the team was comprised of members from the ME160 senior design course, the customer for this project was to be the Smart House organization. Jeff Schwane, a representative from the Smart House, was our liaison and communicated to our group the direction Smart House leadership wished us to proceed.
At our first meeting with Jeff and Tom Rose, the following needs were identified:
- Track the sun during the day
- Use no external power source
- Weather proof
- Cost effective power gain
- Must look good
- Solar panel versatile i.e. can fit different types of panels
With these needs in hand, we constructed a Quality Function Deployment chart. This chart can be found in Appendix A. The QFD showed the major areas of concern might have been: number of panels/size of panels, internal power requirements, motor torque required.
At our first meeting we were also able to set up our goals for the semester. Having a working prototype capable of tracking the sun was to be the main goal for the end of the semester, but we soon found that in order to accomplish this, we would be forced to omit portions of the design criteria in hopes they would be worked out later. This would result in the optimization of platform space on the roof to be irrelevant, with our goal being to have one platform track. It also led to the assumption that our base w
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