【摘要】：在資源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天,太陽能以其清潔和無限量的特點(diǎn)成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)�，F(xiàn)階段,太陽能利用的方式主要有兩種:一種是太陽能的直接利用,另一種是太陽能的間接利用。太陽光光纖照明技術(shù)屬于太陽能的直接利用領(lǐng)域。在實(shí)際中,太陽光跟蹤機(jī)構(gòu)是影響太陽光光纖照明系統(tǒng)采光效率的重要因素之一。目前的跟蹤機(jī)構(gòu)多為兩軸式跟蹤,存在耦合力矩,安裝偏差對跟蹤誤差影響較大,對兩軸正交性要求嚴(yán)格等問題。為此,基于仿生學(xué)原理,研究了向日葵向陽運(yùn)動(dòng)的機(jī)理,提出了一種新型的仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)方案,完成了仿生向日葵向陽運(yùn)動(dòng)的跟蹤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該新型跟蹤方案中采用太陽光跟蹤板替代葵花盤,繩索的伸縮運(yùn)動(dòng)替代植物體內(nèi)細(xì)胞的分裂和增殖,四象限光電傳感器替代葵花盤的感光部位,最終實(shí)現(xiàn)了對向日葵向陽運(yùn)動(dòng)整個(gè)過程的仿生。同時(shí),為了保證整個(gè)照明系統(tǒng)的光接收效率,新型跟蹤系統(tǒng)采用了主動(dòng)跟蹤與被動(dòng)跟蹤相結(jié)合的閉環(huán)控制模式,完成了兩種跟蹤方式下系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。由于仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)中跟蹤板的運(yùn)動(dòng)類似于歐拉盤的運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)規(guī)律較為復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)對太陽的主動(dòng)跟蹤,本文基于空間解析幾何理論以及太陽位置算法,構(gòu)建了仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,得到了仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)中跟蹤板的位置逆解,實(shí)現(xiàn)了對仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)的主動(dòng)跟蹤控制�；谔栁恢盟惴ǖ闹鲃�(dòng)跟蹤控制方式存在較大的跟蹤誤差,本文利用光電傳感器模塊設(shè)計(jì)了跟蹤系統(tǒng)的被動(dòng)跟蹤方案,完成了被動(dòng)跟蹤模式下系統(tǒng)對太陽的跟蹤,達(dá)到了減小跟蹤誤差的目的。仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性是跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對太陽正常跟蹤的前提。本文通過對仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的影響因子進(jìn)行求解與分析,以及對跟蹤機(jī)構(gòu)在整個(gè)工作空間運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行探討,證明了仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)在整個(gè)工作空間能夠穩(wěn)定運(yùn)行。跟蹤系統(tǒng)的跟蹤誤差是評價(jià)整個(gè)照明系統(tǒng)照明效率的重要指標(biāo)。基于優(yōu)化算法理論,構(gòu)建了仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)中方位軸偏差的數(shù)學(xué)模型,對跟蹤誤差做了分析,并與兩軸跟蹤機(jī)構(gòu)中方位軸的安裝偏差對跟蹤誤差的影響進(jìn)行對比,得出了仿生向日葵跟蹤機(jī)構(gòu)的方位軸安裝偏差對跟蹤誤差影響較小,證明了采用新型跟蹤機(jī)構(gòu)方案能夠獲取更高的照明效率。基于上述跟蹤系統(tǒng),完成了整個(gè)仿生向日葵向陽運(yùn)動(dòng)的太陽光光纖照明系統(tǒng)平臺(tái)的搭建及整個(gè)系統(tǒng)的戶外調(diào)試和測試,實(shí)現(xiàn)了對太陽的跟蹤以及室內(nèi)照明功能。
【圖文】：

１．３國內(nèi)外太陽光照明技術(shù)的研究現(xiàn)狀逡逑日本是世界上第一個(gè)研究太陽光光纖照明技術(shù)的國家，，也是現(xiàn)階段發(fā)展太逡逑陽光光纖室內(nèi)照明技術(shù)最成熟的國家之一。如圖１－１所示是日本推出的“向日逡逑葵”太陽光光纖照明系統(tǒng)［４］３，該系統(tǒng)主要包括：光接收模塊、兩軸跟蹤機(jī)構(gòu)、逡逑驅(qū)動(dòng)與控制模塊、支撐模塊以及防護(hù)罩等，另外該裝置在實(shí)際應(yīng)用中還配備了逡逑普通的照明燈具供夜間照明使用。逡逑ＰＢＰＶＢＶＩ逡逑＿邋１邋ｉｎ逡逑圖１－１日本Ｌａ邋Ｆｏｒｅｔ公司生產(chǎn)的“向日葵＃光纖照明系統(tǒng)［４］３逡逑從日本推出世界第一臺(tái)太陽光光纖照明系統(tǒng)“向日葵”起，世界上其他國逡逑家逐漸開始關(guān)注太陽光光纖照明技術(shù)及其應(yīng)用對人體健康的影響等相關(guān)方面逡逑的研宄。美國有關(guān)學(xué)者于１９９５年開始研宄太陽光光纖照明技術(shù)，并且在研宄過逡逑程中得到了美國能源機(jī)構(gòu)的大力支持，因此美國在太陽光光纖照明技術(shù)領(lǐng)域的逡逑研宄發(fā)展很快，并研制出了相關(guān)的照明設(shè)備０］。美國開發(fā)的太陽光光纖照明逡逑系統(tǒng)與日本的“向日葵”光纖照明系統(tǒng)略有不同，該照明系統(tǒng)增加了普通照明逡逑系統(tǒng)

逡逑圖１－２上海虹橋站太廳太陽光光纖照明工程食例逡逑相對地球上的參照物而言》太陽一直處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，太逡逑陽光光纖照明系統(tǒng)的采光效率會(huì)隨著太陽光線與太陽光接收板法線的夾角的逡逑減小而增大，當(dāng)太陽光線與太陽光接收板法線夾角為零時(shí)，太陽光光纖照明系逡逑統(tǒng)的采光效率達(dá)到最大，囡此太陽光光纖照明系統(tǒng)的采光效率會(huì)隨著太陽位置逡逑的改變而變化，所以對太陽進(jìn)行跟蹤是提高太陽光光纖照明系統(tǒng)采光效率的必逡逑要途徑。目前，跟蹤系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用較為廣泛，常見的跟蹤機(jī)構(gòu)包括固定逡逑在地面的大型的軍用跟蹤雷達(dá)［２９］，氣象監(jiān)測跟蹤系統(tǒng)以及中型的太陽光跟蹤逡逑機(jī)構(gòu)［３ＣＵ１］，小型的云臺(tái)，固連于移動(dòng)平臺(tái)上的用于天文觀測、環(huán)境監(jiān)測以及災(zāi)逡逑害預(yù)報(bào)的跟蹤機(jī)構(gòu)。上述跟蹤系統(tǒng)中的跟蹤機(jī)構(gòu)多為兩軸式跟蹤
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK519

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2674848