太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤裝置設(shè)計(jì)-兩邊電池板發(fā)電【含9張CAD圖紙+PDF圖】
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摘 要
當(dāng)今世界能源短缺，環(huán)境污染，化石能源瀕臨枯竭，在這種情況下，可再生能源的利用就顯得尤為重要。太陽(yáng)能以其儲(chǔ)量的無(wú)限性、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，其開發(fā)利用是最終解決常規(guī)能源特別是化石能源帶來(lái)的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題的有效途徑，是人類理想的替代能源。
但是太陽(yáng)能又存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點(diǎn)，這就使目前的一系列太陽(yáng)能設(shè)備對(duì)太陽(yáng)能的利用率不高。為了提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效率，本文設(shè)計(jì)了雙軸太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速器以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)水平方向角的跟蹤，并利用蝸輪蝸桿減速器的特性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自鎖。利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠使發(fā)電系統(tǒng)圍繞水平軸以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角的追蹤。為了使電池板能在惡劣天氣下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收放，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)行星輪減速器，驅(qū)動(dòng)具有不同旋向的絲杠以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)板的同步反方向運(yùn)動(dòng)。
最后，本文給出了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的流程圖。
關(guān)鍵字：太陽(yáng)能 雙軸跟蹤 蝸輪蝸桿減速器 行星輪減速器
ABSTRACT
About energy consumption, there is same problem, such as energy shortage, environmental pollution, and the fossil sources drying up. In this case, it is very important to develop and utilize renewable energy. Solar energy have some advantages, for example limitless reserves, distributing everywhere, cleanness and economical. So it is the way to solve Energy shortage, Environmental pollution, and greenhouse effect to develop and utilize renewable energy, and is human perfect replaceable sources.
But it also has disadvantages, such as low density, intermission, change of space distributing and so on. These make that the current series of solar energy equipment for the utilization of solar energy is not high. In order to improve the efficiency of solar power system, this paper introduces the design of automatic two-axis tracking system . This system drives worm gear reducer to follow the azimuth angle of the sun using step motor , and realize the self-locking function with the character of the worm gear reducer. The step motor drives the ball screw around horizontal axis to follow the altitude angle of the sun. In order to protect the panels in bad weather, the step motor drives the screw to realize the panels moving.
Finally, this paper gives the control flow chart of the three step motors.
Keywords: Solar energy Two-axis tracking system Worm gear reducer Planetary gear reducer
目 錄
1 緒論 1
1.1 能源概述 1
1.1.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展 1
1.1.2我國(guó)太陽(yáng)能資源 1
1.1.3目前太陽(yáng)能的開發(fā)和利用 1
1.1.4太陽(yáng)能的特點(diǎn) 2
1.2課題研究的目的 2
1.3研究課題的意義 2
1.3.1新環(huán)保能源 2
1.3.2提高太陽(yáng)能的利用率 2
1.4太陽(yáng)能利用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.5太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4
1.6論文的研究?jī)?nèi)容 4
2太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 5
2.1太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律 5
2.1.1赤道坐標(biāo)系 5
2.1.2地平坐標(biāo)系 5
2.1.3太陽(yáng)位置的確定 6
2.2 太陽(yáng)能跟蹤器的機(jī)械裝置 6
2.2.1單軸跟蹤 6
2.2.2 雙軸跟蹤 7
2.3 太陽(yáng)能跟蹤器的控制方式 8
2.3.1時(shí)鐘式控制方式 8
2.3.2程序式控制方式 8
2.3.3 壓差式控制方式 8
2.3.4光電式太陽(yáng)跟蹤裝置 9
2.4機(jī)械跟蹤裝置和控制方式的比較和選用 10
2.4.1機(jī)械跟蹤方式的選擇 10
2.4.2 太陽(yáng)能電池板收放的實(shí)現(xiàn) 10
2.4.3 控制方式的選擇 11
3 機(jī)械設(shè)計(jì)部分 12
3.1電池板收放裝置的設(shè)計(jì) 12
3.1.1 行星輪減速器的設(shè)計(jì) 12
3.2 水平方向角跟蹤裝置的設(shè)計(jì) 25
3.2.1 蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計(jì) 25
3.3 俯仰角調(diào)節(jié)的裝置設(shè)計(jì) 33
4自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 35
4.1太陽(yáng)位置跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 35
4.1.1光敏電阻光強(qiáng)比較法 35
4.1.2光電轉(zhuǎn)換器 36
4.1.3 AT89C51單片機(jī) 36
4.1.4水平方位角跟蹤控制系統(tǒng)流程圖 38
4.1.5高度角調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)流程圖 39
4.2太陽(yáng)能電池板收放裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 39
5 結(jié) 論 41
5.1總結(jié) 41
5.2展望 41
參考文獻(xiàn) 42
翻譯部分 43
英文原文 43
中文翻譯 49
致 謝 53
1 緒論
1.1 能源概述
1.1.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展
能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前，包括我國(guó)在內(nèi)的絕大多數(shù)國(guó)家都以石油、天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源。隨著礦物燃料的日漸枯竭和全球環(huán)境的不斷惡化，很多國(guó)家都在認(rèn)真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源的研究開發(fā)工作。
雖然在可預(yù)見的將來(lái)，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料仍將在世界能源結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，但人們?duì)核能以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水力能、生物能等可持續(xù)能源資源的利用日益重視，在整個(gè)能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)90年代，全球煤炭和石油的發(fā)電量每年增長(zhǎng)l%，而太陽(yáng)能發(fā)電每年增長(zhǎng)達(dá)20%，風(fēng)力發(fā)電的年增長(zhǎng)率更是高達(dá)26%。預(yù)計(jì)在未來(lái)5至10年內(nèi)，可持續(xù)能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物燃料一統(tǒng)天下的局面。
相對(duì)于日益枯竭的化石能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能似乎是未來(lái)社會(huì)能源的希望所在。
1.1.2我國(guó)太陽(yáng)能資源
我國(guó)幅員廣大，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。我國(guó)地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。我國(guó)的國(guó)土跨度從南到北、自西至東，距離都在5000km以上，總面積達(dá)960×104km，占世界總面積的7%，居世界第三位。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接收的太陽(yáng)輻射能約為50×1018KJ，全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量達(dá)335～837KJ/cm2·A，中值為586KJ/cm2·A。從全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量的分布來(lái)看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時(shí)間長(zhǎng)。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時(shí)間為3005.7h，相對(duì)日照為68％，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽(yáng)總輻射為816KJ/cm2·A，比全國(guó)其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。全國(guó)以四川和貴州兩省的太陽(yáng)年輻射總量最小，其中尤以四川盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。例如素有“霧都”之稱的成都市，年平均日照時(shí)數(shù)僅為1152.2h，相對(duì)日照為26％，年平均晴天為24.7天，陰天達(dá)244.6天，年平均云量高達(dá)8.4。其它地區(qū)的太陽(yáng)年輻射總量居中。
1.1.3目前太陽(yáng)能的開發(fā)和利用
人類直接利用太陽(yáng)能有三大技術(shù)領(lǐng)域，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲(chǔ)能技術(shù)。
太陽(yáng)光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)品很多，如熱水器、開水器、干燥器、采暖和制冷，溫室與太陽(yáng)房，太陽(yáng)灶和高溫爐，海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽(yáng)能醫(yī)療器具。
1.1.4太陽(yáng)能的特點(diǎn)
太陽(yáng)能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大優(yōu)點(diǎn)：
第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據(jù)估計(jì)，在過(guò)去漫長(zhǎng)的11億年中，太陽(yáng)消耗了它本身能量的2%，可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。
第二，地球上，無(wú)論何處都有太陽(yáng)能，可以就地開發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問(wèn)題，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價(jià)值。
第三，太陽(yáng)能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡。
太陽(yáng)能的利用有它的缺點(diǎn)：
第一，能流密度較低，日照較好的，地面上1平方米的面積所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相當(dāng)大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。
第二，大氣影響較大，給使用帶來(lái)不少困難。
1.2課題研究的目的
本課題研究一種基于光電傳感器的太陽(yáng)光線自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置能定時(shí)跟蹤太陽(yáng)光線的運(yùn)動(dòng)，保證太陽(yáng)能電池板與太陽(yáng)入射光線保持垂直，提高設(shè)備的能量利用率。
1.3研究課題的意義
1.3.1新環(huán)保能源
長(zhǎng)期以來(lái)，世界能源主要依靠石油和煤炭等礦物燃料，而這些礦物作為一次性不可再生資源，儲(chǔ)量有限，而且燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的二氧化碳，造成地球氣溫升高，生態(tài)環(huán)境惡化。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，人類正面臨礦物燃料枯竭的嚴(yán)重威脅。這種全球性的能源危機(jī)，迫使各國(guó)政府投入大量的人力和財(cái)力，研究和開發(fā)新能源，如太陽(yáng)能等。
能源危機(jī)，環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署資料，目前礦物燃料提供了世界商業(yè)能源的95%，且其使用在世界范圍內(nèi)以每10年20%的速度增長(zhǎng)。這些燃料的燃燒構(gòu)成改變氣候的溫室氣體的最大排放源，按照可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)模式，決不能單靠消耗礦物原料來(lái)維持日益增長(zhǎng)的能源需求。因此越來(lái)越多的國(guó)家都在致力于對(duì)可再生能源的深度開發(fā)和廣泛利用。其中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的太陽(yáng)能開發(fā)前景廣闊。日本經(jīng)濟(jì)企劃廳和三澤公司合作研究認(rèn)為，到2030年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽(yáng)能。
基于當(dāng)今世界能源問(wèn)題和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題已成為全球的一個(gè)“人類面臨的最大威脅”的嚴(yán)重問(wèn)題，本課題的目的是為了更充分的利用太陽(yáng)能、提高太陽(yáng)能的利用率，而進(jìn)行太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的開發(fā)研究，這對(duì)我們面臨的能源問(wèn)題有重大的意義。同時(shí)太陽(yáng)能又是一種無(wú)污染的清潔能源，加強(qiáng)太陽(yáng)能的開發(fā)，對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境也有重大的意義。
1.3.2提高太陽(yáng)能的利用率
太陽(yáng)能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽(yáng)能裝置如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能干燥器、太陽(yáng)能電池等等，但太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太陽(yáng)能裝置而言，如何最大限度的提高太陽(yáng)能的利用率，仍為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。解決這一問(wèn)題應(yīng)從兩個(gè)方面入手，一是提高太陽(yáng)能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高太陽(yáng)能的接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)為解決這一問(wèn)題提供了可能。不管哪種太陽(yáng)能利用設(shè)備，如果它的集熱裝置能始終保持與太陽(yáng)光垂直，并且收集更多方向上的太陽(yáng)光，那么，它就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽(yáng)能。但是太陽(yáng)每時(shí)每刻都是在運(yùn)動(dòng)著，集熱裝置若想收集更多方向上的太陽(yáng)光，那就必須要跟蹤太陽(yáng)。香港大學(xué)建筑系的教授研究了太陽(yáng)光照角度與太陽(yáng)能接收率的關(guān)系，理論分析表明:太陽(yáng)的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽(yáng)可使接收器的接收效率大大提高，進(jìn)而提高了太陽(yáng)能裝置的太陽(yáng)能利用率，拓寬了太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。
1.4太陽(yáng)能利用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
日本是世界上太陽(yáng)能開發(fā)利用第一大國(guó)，也是太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)強(qiáng)國(guó)。日本太陽(yáng)熱能的利用 ，從1979年第二次石油危機(jī)后開始，1990年進(jìn)入普及高峰。太陽(yáng)能技術(shù)日益創(chuàng)新，能量轉(zhuǎn)換率不斷提高，成本也是新能源中最低的。日本將太陽(yáng)能的利用分為太陽(yáng)光能和熱能兩種。太陽(yáng)光能發(fā)電，是利用半導(dǎo)體硅等將光轉(zhuǎn)化為電能。從2000年起，日本太陽(yáng)能發(fā)電量一直居世界首位，2003年太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量約為86萬(wàn)千瓦，占世界太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量的49.1%，并計(jì)劃到2010年達(dá)到482萬(wàn)千瓦，增加約6倍。
德國(guó)對(duì)太陽(yáng)能資源的利用可追溯到20世紀(jì)70年代，現(xiàn)在德國(guó)已經(jīng)在太陽(yáng)能系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了一系列高效的太陽(yáng)能系統(tǒng)。1990年德國(guó)政府推出了“一千屋頂計(jì)劃” ，至1997年已完成近萬(wàn)套屋頂系統(tǒng)，每套容量1～5千瓦，累計(jì)安裝量已達(dá)3.3萬(wàn)千瓦。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)的數(shù)字，在過(guò)去的幾年中，德國(guó)太陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了5倍，增速比其他國(guó)家平均水平高出一倍。另?yè)?jù)德新社報(bào)道，全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠已在德國(guó)南部巴伐利亞州正式投入運(yùn)營(yíng)。這家太陽(yáng)能發(fā)電廠投資7000萬(wàn)歐元，占地77萬(wàn)平方米，發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)12兆瓦，能為3500多個(gè)家庭供電。截至2005年年底，德國(guó)共有670萬(wàn)平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽(yáng)能集熱器，每年可生產(chǎn)4700兆瓦的熱量。已用4%的德國(guó)家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽(yáng)能，估計(jì)每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。
目前，美國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產(chǎn)體系。2005年，美國(guó)光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到100萬(wàn)千瓦，排在日本和德國(guó)之后，居世界第3位。為了降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，美國(guó)政府最近制定了陽(yáng)光計(jì)劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財(cái)政投入，加快多晶硅和薄膜半導(dǎo)體材料的研發(fā)，提高太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。目前，美國(guó)正在新建幾座新的太陽(yáng)能電站。預(yù)計(jì)到2015年，美國(guó)光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的21～40美分/千瓦時(shí)降到6美分/千瓦時(shí)，屆時(shí)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)大大增強(qiáng)。太陽(yáng)能在能源發(fā)展中占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，據(jù)美國(guó)博士對(duì)世界一次能源替代趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，到2050年后，核能將占第一位，太陽(yáng)能占第二位，21世紀(jì)末，太陽(yáng)能將取代核能占第一位，很多國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能的利用加強(qiáng)了重視。
意大利1998年開始實(shí)行“全國(guó)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，將于2002年完成，總投入5500億里拉，總?cè)萘窟_(dá)5萬(wàn)千瓦。印度也于1997年12月宣布，將在2002年前推廣150萬(wàn)套太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)。法國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)了代號(hào)為“太陽(yáng)神2006”的太陽(yáng)能利用計(jì)劃，按照該計(jì)劃，每年將投入3000萬(wàn)法郎資金，到2006年，法國(guó)每年安裝太陽(yáng)能熱水器的用戶達(dá)2萬(wàn)家。
我國(guó)由建設(shè)部制定的《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)則》中已將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項(xiàng)目。目前我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的推廣普及十分迅速，1997年銷售面積近300萬(wàn)平方米，數(shù)量居世界首位。全國(guó)從事太陽(yáng)能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達(dá)1000余家，年產(chǎn)值20億元。根據(jù)我國(guó)1996～2020年太陽(yáng)能光電PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計(jì)劃，在2000年和2020年的太陽(yáng)能光電總?cè)萘繉⒎謩e達(dá)到6.6萬(wàn)千瓦和30萬(wàn)千瓦。在聯(lián)網(wǎng)陽(yáng)光電站建設(shè)方面，計(jì)劃2020年前建成5座MW級(jí)陽(yáng)光電站。由國(guó)家投資1700萬(wàn)元修建的西藏第三座太陽(yáng)能電站——安多光伏電站，總裝機(jī)容量100千瓦，于1998年12月建成發(fā)電。這也是世界海拔最高、中國(guó)裝機(jī)容量最大的太陽(yáng)能電站。總之，大力發(fā)展太陽(yáng)能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑。
1.5太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在太陽(yáng)能跟蹤方面，我國(guó)在1997年研制了單軸太陽(yáng)跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國(guó)加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多的能量，使效率進(jìn)一步提高。2002年2月美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)近年來(lái)有不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究，1992年推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，1994年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單向跟蹤。
目前，太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)追蹤太陽(yáng)的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。
1.6論文的研究?jī)?nèi)容
本文所介紹的太陽(yáng)跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括:
(l)分析太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，比較國(guó)內(nèi)外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略。
(2)進(jìn)行機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)，完成零件的計(jì)算，設(shè)計(jì)，裝配圖的設(shè)計(jì)。
(3) 對(duì)太陽(yáng)能電池板收放裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)惡劣天氣時(shí)多塊電池板的收放。
(4) 對(duì)控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。選用光電傳感器作為信號(hào)的輸入，定時(shí)進(jìn)行太陽(yáng)能電池板對(duì)太陽(yáng)光線的追蹤，提高光電轉(zhuǎn)換的效率。
2太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律
2.1.1赤道坐標(biāo)系
赤道坐標(biāo)系是把地球上的經(jīng)、緯度坐標(biāo)系擴(kuò)展至天球而形成的。在地球上與赤道面平行的緯度圈, 在天球上則叫赤緯圈；在地球上通過(guò)南北極的經(jīng)度圈, 在天球上稱時(shí)圈。在赤道坐標(biāo)系中, 我們以太陽(yáng)赤緯角和時(shí)角表示太陽(yáng)的位置（如圖2-1）。
圖2-1 天體的時(shí)角和赤緯角
如圖2-1所示, 通過(guò)地心并與地軸垂直的平面與地球表面相交而成的圓,即是地球的赤道, 太陽(yáng)光線與地球赤道面所夾的圓心角δ, 即為太陽(yáng)赤緯角，其計(jì)算公式如下：
其中，n為從每年的一月一號(hào)算起的天數(shù)
赤緯角從赤道面起算, 向北為正, 向南為負(fù)。顯然, 赤緯角變化于土23°27′。
太陽(yáng)所在的時(shí)圈與通過(guò)南點(diǎn)的時(shí)圈構(gòu)成的夾角為時(shí)角。自天球北極看, 順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎? 逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)。時(shí)角表示太陽(yáng)的方位, 地球每天旋轉(zhuǎn)360°，所以每小時(shí)的時(shí)角為15°。太陽(yáng)在黃道上的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上不是勻速的, 而是時(shí)快時(shí)慢, 因此,真太陽(yáng)日的長(zhǎng)短也就各不相同。但人們的實(shí)際生活需要一種均勻不變的時(shí)間單位, 這就需要尋找一個(gè)假想的太陽(yáng), 它以均勻的速度在運(yùn)行。這個(gè)假想的太陽(yáng)就稱為平太陽(yáng), 其每個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間稱平太陽(yáng)日, 由此而來(lái)的小時(shí)稱為平太陽(yáng)時(shí)。平太陽(yáng)時(shí)是基本均勻的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng), 與人們的生活息息相關(guān)。由于平太陽(yáng)是假想的, 因而無(wú)法實(shí)際觀測(cè)它, 但它可以間接地從真太陽(yáng)時(shí)求得。為此, 需要一個(gè)差值來(lái)表達(dá)二者的關(guān)系, 這個(gè)差值就是時(shí)差。
2.1.2地平坐標(biāo)系
地平坐標(biāo)系是以地平圈為基圈, 用太陽(yáng)高度角h和方位角A來(lái)確定太陽(yáng)在天球中的位置（圖2-2）。
圖2-2 高度角與方位角
太陽(yáng)高度角h是指太陽(yáng)直射光線與地平面間的夾角。太陽(yáng)方位角A是指太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與地平面正南向所夾的角, 通常以正南方為0°, 向西為正值, 向東為負(fù)值。
2.1.3太陽(yáng)位置的確定
雖然太陽(yáng)在天球上的位置每日、每時(shí)都有變化, 但是其運(yùn)行具有嚴(yán)格的規(guī)律性。根據(jù)其相互運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 我們可以通過(guò)天文公式計(jì)算出太陽(yáng)在赤道坐標(biāo)系中的太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角。在實(shí)際使用中, 由于太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角是建立在赤道坐標(biāo)系中, 不便于直接應(yīng)用, 所以一般將其轉(zhuǎn)換到人們所熟悉的地平坐標(biāo)系中, 即由太陽(yáng)赤緯和時(shí)角計(jì)算出太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角。當(dāng)太陽(yáng)高度角和方位角確定后, 太陽(yáng)的位置也就唯一確定了。太陽(yáng)高度角計(jì)算h公式如下：
其中為當(dāng)?shù)氐木暥?
方位角A為：
2.2 太陽(yáng)能跟蹤器的機(jī)械裝置
對(duì)太陽(yáng)光線的跟蹤器根據(jù)所選用的軸數(shù)可分為單軸和雙軸跟蹤兩種方式。
2.2.1單軸跟蹤
單軸跟蹤裝置一般采用三種方式:
(l)傾斜布置東西跟蹤;
(2)焦線南北水平布置，東西跟蹤;
(3)焦線東西水平布置，南北跟蹤。
這三種方式都是南北方向或東西方向的單軸跟蹤，工作原理基本相似。以第一種跟蹤方式為例，闡述單軸跟蹤原理，如圖2-3
圖2-3 傾斜布置東西跟蹤
圖2-3所示為單軸跟蹤裝置的轉(zhuǎn)軸南北傾斜方向布置。控制器計(jì)算太陽(yáng)角度的變化，控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能電池板作東西運(yùn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)。采用這種跟蹤方式，只有在轉(zhuǎn)軸傾斜角度與太陽(yáng)高度角互余時(shí)才能使得太陽(yáng)光與電池板相垂直。采用單軸跟蹤的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集光線的效果并不理想。
2.2.2 雙軸跟蹤
如果能夠同時(shí)跟蹤太陽(yáng)兩個(gè)角度的變化，就能獲得更多的太陽(yáng)能量，雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計(jì)的。雙軸跟蹤通常可以分為兩種方式:極軸式全跟蹤和高度角—方位角式全跟蹤。
(l)極軸式全跟蹤
極軸式全跟蹤是指電池板的一軸指向地球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸。另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。電池板繞極軸用與地球自轉(zhuǎn)角速度相同方向相反的固定轉(zhuǎn)速進(jìn)行跟蹤，電池板按照季節(jié)時(shí)間的變化圍繞赤緯軸作俯仰運(yùn)動(dòng)以適應(yīng)赤緯角的變化。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但從力學(xué)角度分析，在結(jié)構(gòu)上電池板的重量不通過(guò)極軸軸線，極軸支撐裝置的設(shè)計(jì)比較困難。
(2)高度角一方位角全跟蹤
高度角一方位角全跟蹤建立在地平坐標(biāo)系基礎(chǔ)上，如圖2-4所示，兩軸分別為方位軸和俯仰軸，方位軸垂直于地面，俯仰軸垂直于方位軸。根據(jù)太陽(yáng)角度的計(jì)算方法，工作時(shí)電池板根據(jù)太陽(yáng)位置的理論計(jì)算值，繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變電池板的傾斜角，使電池板始終與太陽(yáng)光線垂直。這種跟蹤裝置的跟蹤準(zhǔn)確度高，而且電池板的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支持機(jī)構(gòu)容易設(shè)計(jì)。但是在計(jì)算太陽(yáng)角的過(guò)程中容易出現(xiàn)誤差，影響跟蹤準(zhǔn)確度。
圖2-4 高度角—方位角全跟蹤
2.3 太陽(yáng)能跟蹤器的控制方式
不論是單軸跟蹤或雙軸跟蹤，太陽(yáng)跟蹤器的控制方式可分為:時(shí)鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測(cè)和氣象臺(tái)的太陽(yáng)跟蹤裝置幾種。
2.3.1時(shí)鐘式控制方式
時(shí)鐘式太陽(yáng)跟蹤裝置是一種主動(dòng)式的跟蹤裝置，有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時(shí)法。根據(jù)太陽(yáng)在天空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽(yáng)光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽(yáng)光接收器根據(jù)太陽(yáng)的位置而相應(yīng)變動(dòng)。雙軸跟蹤器的主要結(jié)構(gòu)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)反射器以每小時(shí)15°的恒速繞日軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)的赤經(jīng)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)電池板以每天15′的恒速繞季軸旋轉(zhuǎn)，以跟蹤太陽(yáng)的赤緯運(yùn)動(dòng)。這樣反射器就能全年和入射陽(yáng)光相垂直，達(dá)到跟蹤太陽(yáng)的目的。為了完成這兩個(gè)方向上的跟蹤，機(jī)構(gòu)應(yīng)該采用子午坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。這種跟蹤裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，并且該裝置的控制系統(tǒng)也十分簡(jiǎn)單。其主要缺點(diǎn)是:跟蹤精度不夠。太陽(yáng)的高度角隨季節(jié)的變化不是均勻的，對(duì)這種屬于被動(dòng)式的跟蹤裝置，單軸跟蹤系統(tǒng)需要在每天開始工作時(shí)調(diào)整角度以對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，雙軸跟蹤系統(tǒng)累積誤差比較大，需要定期進(jìn)行校正。
2.3.2程序式控制方式
程序控制式太陽(yáng)跟蹤裝置是與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的。首先利用一套公式通過(guò)計(jì)算機(jī)算出在給定時(shí)間的太陽(yáng)的位置，再計(jì)算出跟蹤裝置被要求的位置，最后通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)裝置達(dá)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤。在美國(guó)加州建成的10MW太陽(yáng)I號(hào)塔式電站，就是使用這種控制系統(tǒng)，在總計(jì)28萬(wàn)平方米的范圍內(nèi)分散著 1818塊反射鏡。首先計(jì)算出太陽(yáng)的位置，然后求出每個(gè)反射鏡要求的位置，再通過(guò)固定在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(高度角和方位角跟蹤軸)上的13位增量式編碼器得到反射鏡的實(shí)際位置，最后把反射鏡要求所處的位置同實(shí)際上所處的位置進(jìn)行比較，偏差信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)122.5W的支流電機(jī)，使反射裝置對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤。這種跟蹤裝置在多云天氣下仍可正常工作，但是存在累計(jì)誤差，并且自身不能消除。
2.3.3 壓差式控制方式
武漢市電子產(chǎn)品研究所，參考國(guó)外單軸跟蹤太陽(yáng)時(shí)角的熱水器，研制了一種壓差式單軸太陽(yáng)跟蹤器，現(xiàn)己用在太陽(yáng)能熱水器上。這種太陽(yáng)能熱水器的吸熱板南北放置，其傾角可按不同季節(jié)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)。為了取得太陽(yáng)的偏移信號(hào)，在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時(shí)角的跟蹤傳感器。當(dāng)太陽(yáng)偏移時(shí)，兩根空氣管受太陽(yáng)的照射不同，管內(nèi)產(chǎn)生壓差，當(dāng)壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，壓差執(zhí)行器就發(fā)出跟蹤信號(hào)，用壓力為0.IMPa的自來(lái)水作為跟蹤動(dòng)力(若無(wú)自來(lái)水，可裝一只容積為2L的壓力水箱)。帶動(dòng)鏡面跟蹤太陽(yáng)。當(dāng)鏡面對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，管內(nèi)壓力平衡，壓差執(zhí)行器又發(fā)出停止跟蹤信號(hào)。這種跟蹤器的跟蹤靈敏度高，每大當(dāng)太陽(yáng)剛升起3一5分鐘后，鏡面即跟蹤對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。
與此相類似的太陽(yáng)跟蹤裝置還有重力差式跟蹤器和液壓式跟蹤器。
簡(jiǎn)易液壓式跟蹤器的工作原理與以上兩種基本相似。太陽(yáng)的相對(duì)位置信號(hào)由跟蹤器平板兩側(cè)遮光板下方南北向安裝的溫度傳感器(黑管)所接受。黑管內(nèi)充有低沸點(diǎn)的液體物質(zhì)，在常溫下，部分液體汽化形成飽和蒸汽，同時(shí)產(chǎn)生一定的飽和蒸汽壓，通過(guò)膠管驅(qū)動(dòng)雙桿雙作用液壓缸運(yùn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)跟蹤目的。當(dāng)太陽(yáng)正對(duì)跟蹤器平板時(shí)，兩黑管的受熱面積(投影面)相等，黑管保持同樣的受熱狀態(tài)，液壓缸活塞的兩側(cè)受力處于平衡狀態(tài)，跟蹤器平板靜止不動(dòng)。
當(dāng)太陽(yáng)光線向西偏移一個(gè)角度時(shí)，遮光板使黑管的受熱面積發(fā)生變化，右黑管將被遮光板遮住一部分，受熱面積改變，而左黑管的受熱面積不變，僅是位置發(fā)生了變化。由于兩黑管的受熱情況不同，產(chǎn)生壓力差，左側(cè)黑管所接液壓缸一側(cè)的壓力增大，推動(dòng)活塞上移，帶動(dòng)跟蹤器平板繞中間支點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使跟蹤器平板隨太陽(yáng)在空間位置的變化自東向西跟蹤集熱，直到日落西山。第二天早上日出東方，曬熱右側(cè)黑管，液壓缸帶動(dòng)跟蹤器迅速做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)集熱。
這種跟蹤器在實(shí)際中應(yīng)用很廣，其主要的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，純機(jī)械式，不需電子控制部分及外接電源。缺點(diǎn)是沒有足夠的工作空間，而且一般只用于單軸跟蹤，不能完成自動(dòng)對(duì)太陽(yáng)往返于南北回歸線之間運(yùn)動(dòng)的跟蹤，只能每隔一段時(shí)間，重新對(duì)準(zhǔn)陽(yáng)光，因此精度比較低。
2.3.4光電式太陽(yáng)跟蹤裝置
光電式太陽(yáng)跟蹤裝置使用光敏傳感器來(lái)測(cè)定入射太陽(yáng)光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過(guò)一個(gè)閉值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整集熱裝置的位置，直到使太陽(yáng)光線與集熱裝置光軸重新平行，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤，與前兩種跟蹤裝置相比，光電式跟蹤器可通過(guò)反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實(shí)現(xiàn)，受到普遍關(guān)注，其工作原理如圖2—5所示。
圖2-5 光電式太陽(yáng)跟蹤裝置示意圖
2.4機(jī)械跟蹤裝置和控制方式的比較和選用
2.4.1機(jī)械跟蹤方式的選擇
根據(jù)上述的討論可知，目前對(duì)太陽(yáng)光線的追蹤多為單軸和雙軸式跟蹤。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，單軸式跟蹤裝置相對(duì)于固定式發(fā)電量提高了15%，而雙軸式跟蹤相對(duì)于固定式發(fā)電量則提高了37% 。鑒于雙軸跟蹤更高的發(fā)電量，本次設(shè)計(jì)中我們采用雙軸式自動(dòng)跟蹤。
圖2-6 光電跟蹤裝置總體方案
如圖2-6示為本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案。步進(jìn)電機(jī)A通過(guò)蝸輪蝸桿減速器帶動(dòng)方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)追蹤太陽(yáng)方位角的變化。采用蝸輪蝸桿減速器，一方面是利用其減速功能，另一方面利用其自鎖功能，防止大風(fēng)吹動(dòng)電池板旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)B通過(guò)絲桿連接電池板和固定支架，從而帶動(dòng)電池板圍繞俯仰軸，來(lái)追蹤太陽(yáng)高度角的變化。
2.4.2 太陽(yáng)能電池板收放的實(shí)現(xiàn)
本次設(shè)計(jì)中使用的太陽(yáng)能電池板由兩塊1x1.5m2和一塊2x1.5m2的電池板組成，如圖2-7所示。
圖2-7 太陽(yáng)能電池板
在完全伸展開的條件下，太陽(yáng)能電池板面積較大。在大風(fēng)等惡劣天氣中，電池板的受力會(huì)很大，整個(gè)跟蹤裝置很容易受到破壞。為了減小惡劣天氣下的受力面積，更好的保護(hù)太陽(yáng)能電池板，我們采用收放裝置實(shí)現(xiàn)兩側(cè)兩塊板的自由收放。
為了實(shí)現(xiàn)這一收放功能，兩側(cè)的太陽(yáng)能電池板的高度低于中間電池板，兩側(cè)板上裝有滑輪，相應(yīng)的在支架上設(shè)置有軌道。在整個(gè)支架的下方裝有一根通過(guò)減速器與步進(jìn)電機(jī)相連接的絲桿。該絲桿兩端螺紋的旋向是相反的，所以在絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，兩側(cè)的電池板可以實(shí)現(xiàn)同步同速但方向相反的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)電池板的收放功能。
2.4.3 控制方式的選擇
根據(jù)上述的分析可知，目前國(guó)內(nèi)外采用的跟蹤太陽(yáng)的方法有很多，但是現(xiàn)在應(yīng)用最普遍的有三種方式: (1)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤；(2)光電跟蹤；(3)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。
視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤是利用太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算公式，確定具體地點(diǎn)和時(shí)間太陽(yáng)的精確位置。這種方式首先要確定太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算方法，上述的討論中我們看到，高度角和方位角的計(jì)算都涉及到了三角函數(shù)，所以采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的控制方式，必定會(huì)增加算法上的困難，從而增加控制方式的成本。而且這種跟蹤裝置為開環(huán)系統(tǒng)，無(wú)角度反饋值做比較，因而為了達(dá)到高精度跟蹤的要求，不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關(guān)系極為密切，否則長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生較大的累積誤差。
為了減小控制器的成本，消除系統(tǒng)因素導(dǎo)致的累積誤差，控制方式選用光電跟蹤的方式。利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿處的下方。如果太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，兩個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，所以它們的阻值相同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光方向與電池板垂直方向有夾角時(shí)，接收光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減少，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，稱為光敏電阻光強(qiáng)比較法。
對(duì)于實(shí)現(xiàn)電池板收放功能的步進(jìn)電機(jī)的控制，我們采用風(fēng)速傳感器作為探測(cè)元件。當(dāng)傳感器測(cè)出風(fēng)速超過(guò)所設(shè)置的最大風(fēng)速后，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，使其轉(zhuǎn)動(dòng)一定的圈數(shù)，在絲桿的帶動(dòng)下兩側(cè)的電池板變完全收縮到了中間電池板的下方。當(dāng)天氣好轉(zhuǎn)后，單片機(jī)再次發(fā)出控制信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)板的收回，進(jìn)行正常的工作。
3 機(jī)械設(shè)計(jì)部分
3.1電池板收放裝置的設(shè)計(jì)
圖3-1電池板收放裝置
如圖3-1所示為電池板收放功能實(shí)現(xiàn)裝置。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速器將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳到絲桿上，絲桿的兩側(cè)分別與左右電池板相連接。由于絲桿的選項(xiàng)是相反的，所以絲桿在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)板的同時(shí)同速反向的運(yùn)動(dòng)。為了使減速器在相同減速比條件條件下結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小其尺寸，所以在此采用兩級(jí)行星輪減速器。
兩側(cè)電池板的總重量約為36Kg，取電池板與支架之間的摩擦系數(shù)為0.1，則推動(dòng)電池板運(yùn)動(dòng)的力為,取絲杠摩擦系數(shù)為0.2，絲杠直徑為30mm，則可算得驅(qū)動(dòng)絲杠的力矩為，考慮過(guò)載情況，取安全系數(shù)為2，則驅(qū)動(dòng)絲杠的力矩為
3.1.1 行星輪減速器的設(shè)計(jì)
3.1.1.1 行星齒輪的設(shè)計(jì)
1齒形及精度[21]
因?yàn)殡姵匕宓氖辗潘俣容^低，所以減速器屬于低速運(yùn)動(dòng)，各齒輪采用壓力角=20°的直齒輪傳動(dòng)，精度等級(jí)為6級(jí)。
2齒輪材料及性能
高速級(jí)太陽(yáng)輪和行星輪采用硬齒面，以提高承載能力，減低尺寸，內(nèi)齒輪用軟齒面。高速級(jí)部分采用軟齒面。兩級(jí)材料性能如表3-1。
疲勞極限бHlim 和бFlim 查書 圖10-20（c）、（d），10-21（d）、（e）選取，行星輪的бFlim 是乘以0.7后的數(shù)值。
表3-1 齒輪材料及性能
齒輪
材料
熱處理
бHlim
(N/mm)
бFlim
(N/mm)
加工精度
太陽(yáng)輪
20CrMnTi
滲碳淬火
HRC58~62
1400
375
6級(jí)
行星輪
267.5
內(nèi)齒輪
40Cr
調(diào)質(zhì)
HB262~286
650
275
7級(jí)
3傳動(dòng)比分配
根據(jù)傳動(dòng)要求分配第級(jí)與第級(jí)的傳動(dòng)比，第級(jí)傳動(dòng)比i=5,第二級(jí)傳動(dòng)比i=4
4 第一級(jí)行星輪系設(shè)計(jì)
（1）配齒數(shù)
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表17.2-4，配齒結(jié)果：=19， Z=77，Z=29, i=5.0526
由執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳入第二級(jí)輸出軸的扭矩為=1.3=1.390=117（N.m）
則可以求出傳入第一級(jí)輸出軸的扭矩為=/=117/(0.94)=32.5 （N.m）
則第一級(jí)太陽(yáng)輪的傳遞扭矩為=3/=/=7.2 （N.m）
（2）按彎強(qiáng)度曲初算模數(shù)m
因?yàn)槿『椭械妮^小值
=
則=293.25N/mm
則齒數(shù)模數(shù)的出算公式為：
查書[21]10-1取模數(shù)m=1.25mm.
則可以計(jì)算出第一級(jí)各齒輪的基本參數(shù)如下：
表3-2 第一級(jí)行星輪系基本幾何尺寸 單位：mm
齒輪
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒寬
太陽(yáng)輪
23.75
25
22.1875
20
行星輪
36.25
37.5
34.6875
25
內(nèi)齒輪
96.25
97.5
94.6875
20
（3）進(jìn)行接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
表3-3 接觸強(qiáng)度有關(guān)系數(shù)
代號(hào)
名稱
說(shuō)明
取值
算式系數(shù)
直齒輪
12.1
行星輪間載荷
分配系數(shù)
1.3
綜合系數(shù)
查表6-4高精度
1.6
齒形系數(shù)
查表6-25
2.84
2.54
齒輪疲勞強(qiáng)度校核
外嚙合
查書【5】式6-19、6-20, 計(jì)算接觸應(yīng)力,用式6-21計(jì)算其需用應(yīng)力,式中的參數(shù)和數(shù)值如表3-4
表3-4外嚙合接觸強(qiáng)度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)
代號(hào)
名稱
說(shuō)明
取值
使用系數(shù)
按中等沖擊查表6-5
1.25
動(dòng)載系數(shù)
6級(jí)精度，查圖6-5b
1.01
齒向載荷
分布系數(shù)
查書圖6-7（a）（b）（c）得=0.31
1.065
齒間載荷
分布系數(shù)
查表6-9，六級(jí)精度
1
行星輪間載
荷分布系數(shù)
行星架浮動(dòng)，查表7-2
1.20
節(jié)點(diǎn)
區(qū)域系數(shù)
2.5
彈性系數(shù)
查表6-17
189.8
重合度系數(shù)
查6-10得，
0.90
螺旋角系數(shù)
直齒，=0
1
分度圓上
切向力
685.7N
b
工作齒寬
17
u
齒數(shù)比
1.526
壽命系數(shù)
按工作15年，每年工作300天，每天12小時(shí)計(jì)算 ，按
圖6-18HRC=60,v=0.957,查表8-10
1
潤(rùn)滑油系數(shù)
查圖6-17
1.03
速度系數(shù)
查圖6-20，
0.95
粗超度最小
安全系數(shù)
查圖6-21
1.01
工作硬化系數(shù)
內(nèi)齒輪均為硬齒面，查圖6-22
1
尺寸系數(shù)
查表6-15
1
最小安全系數(shù)
按高可靠度，查表6-22
1.25
接觸應(yīng)力基本值接觸應(yīng)力
許用接觸應(yīng)力:
/ =
故,接觸強(qiáng)度通過(guò)
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
齒根彎曲疲勞應(yīng)力及許用應(yīng)力 用書6-34,、6-35、6-35、6-36計(jì)算并分別對(duì)太陽(yáng)輪和行星輪進(jìn)行校核。各項(xiàng)參數(shù)如表3-5
表3-5 外嚙合齒根彎曲強(qiáng)度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)
代號(hào)
名稱
說(shuō)明
取值
齒向載荷分布系數(shù)
1.054
齒間載荷分布系數(shù)
1
行星輪載荷分布系數(shù)
按式7-43
1.3
太陽(yáng)輪齒形分配敘述
x=0,z=19,查6-25
2.84
行星輪齒形分布系數(shù)
x=0,,查圖6-25
2.54
太陽(yáng)輪應(yīng)力修正系數(shù)
查圖6-27
1.57
太陽(yáng)輪應(yīng)力修正系數(shù)
查圖6-27
1.72
重合度系數(shù)
查式6-40，
0.72
彎曲壽命能夠系數(shù)
N>3
1
試驗(yàn)齒輪應(yīng)力修正系數(shù)
按所給區(qū)域圖取
2
太陽(yáng)輪齒根圓角敏感系數(shù)
查圖6-35
0.96
行星齒輪齒根圓角敏感系數(shù)
查圖6-35
0.97
齒根表面形狀系數(shù)
，查圖6-35
1.045
最小安全系數(shù)
按高可靠度，查表6-8
1.6
①太陽(yáng)輪：
彎曲應(yīng)力基本值：
彎曲應(yīng)力：
=.....Y=
故<, 彎曲強(qiáng)度通過(guò)
② 行星輪
=/bm=103.79N/mm
=./ =
=.....
=
故<,彎曲強(qiáng)度通過(guò)
內(nèi)嚙合
① 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度
、仍用【5】式（6-19）、（6-20）、（6-21）計(jì)算，其中與外嚙合取值，不同的參數(shù)為u=77/29=2.655 , =0.87, =1.03,=0.97, =1.11
=....Z
=mm
故 <
②齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
只需計(jì)算內(nèi)齒輪，計(jì)算公式仍為書（6-34）、（6-35）和式6-36，其中取值與外嚙合不同的系數(shù)：，，=0.683 = 1.02
=1.045
=
==
=/ =
故<,彎曲強(qiáng)度通過(guò)
5第二級(jí)行星輪系部分設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）配齒數(shù)
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表17.2-4，配齒結(jié)果：=28， Z=27，Z=82, i=3.9286
按彎曲強(qiáng)度初算模數(shù)m
因?yàn)槿『椭械妮^小值
=
則=293.25N/mm
則齒數(shù)模數(shù)的出算公式為：
查書【2】10-1取模數(shù)m=1.5mm.
則第二級(jí)各齒輪的基本參數(shù)如下表示：
表3-6 第二級(jí)行星輪系基本幾何尺寸 單位：mm
齒輪
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒寬
太陽(yáng)輪
42
45
38.25
30
行星輪
40.5
43.5
36.75
35
內(nèi)齒輪
123
120
119.25
35
（3）進(jìn)行接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
表3-7 接觸強(qiáng)度有關(guān)系數(shù)
代號(hào)
名稱
說(shuō)明
取值
算式系數(shù)
直齒輪
12.1
行星輪間載荷
分配系數(shù)
1.3
綜合系數(shù)
查表6-4高精度
1.6
齒形系數(shù)
查書6-25
2.84
2.54
齒輪疲勞強(qiáng)度校核
外嚙合
查書式6-19、6-20, 計(jì)算接觸應(yīng)力,用式6-21計(jì)算其需用應(yīng)力,式中的參數(shù)和數(shù)值如表3-4
表3-8外嚙合接觸強(qiáng)度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)
代號(hào)
名稱
說(shuō)明
取值
使用系數(shù)
按中等沖擊查表6-5
1.25
動(dòng)載系數(shù)
6級(jí)精度，查圖6-5b
1.01
齒向載荷
分布系數(shù)
查書圖6-7（a）（b）（c）得=0.31
1.065
齒間載荷
分布系數(shù)
查表6-9，六級(jí)精度
1
行星輪間載
荷分布系數(shù)
行星架浮動(dòng)，查表7-2
1.20
節(jié)點(diǎn)
區(qū)域系數(shù)
2.5
彈性系數(shù)
查表6-17
189.8
重合度系數(shù)
查6-10得，
0.90
螺旋角系數(shù)
直齒，=0
1
分度圓上
切向力
1547N
b
工作齒寬
30
u
齒數(shù)比
0.96
壽命系數(shù)
按工作15年，每年工作300天，每天12小時(shí)計(jì)算 ，按
圖6-18HRC=60,v=0.957,查表8-10
1
潤(rùn)滑油系數(shù)
查圖6-17
1.03
速度系數(shù)
查圖6-20，
0.95
粗超度最小
安全系數(shù)
查圖6-21
1.01
工作硬化系數(shù)
內(nèi)齒輪均為硬齒面，查圖6-22
1
尺寸系數(shù)
查表6-15
1
最小安全系數(shù)
按高可靠度，查表6-22
1.25
接觸應(yīng)力基本值
接觸應(yīng)力
許用接觸應(yīng)力:
/ =
故,接觸強(qiáng)度通過(guò)
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
齒根彎曲疲勞應(yīng)力及許用應(yīng)力 用書6-34,、6-35、6-35、6-36計(jì)算并分別對(duì)太陽(yáng)輪和行星輪進(jìn)行校核。各項(xiàng)參數(shù)如表3-9：
表3-9 外嚙合齒根彎曲強(qiáng)度有關(guān)參數(shù)和系數(shù)
代號(hào)
名稱
說(shuō)明
取值
齒向載荷分布系數(shù)
1.054
齒間載荷分布系數(shù)
1
行星輪載荷分布系數(shù)
按式7-43
1.3
太陽(yáng)輪齒形分配敘述
x=0,z=19,查6-25
2.84
行星輪齒形分布系數(shù)
x=0,,查圖6-25
2.54
太陽(yáng)輪應(yīng)力修正系數(shù)
查圖6-27
1.57
太陽(yáng)輪應(yīng)力修正系數(shù)
查圖6-27
1.72
重合度系數(shù)
查式6-40，
0.72
彎曲壽命能夠系數(shù)
N>3
1
試驗(yàn)齒輪應(yīng)力修正系數(shù)
按所給區(qū)域圖取
2
太陽(yáng)輪齒根圓角敏感系數(shù)
查圖6-35
0.96
行星齒輪齒根圓角敏感系數(shù)
查圖6-35
0.97
齒根表面形狀系數(shù)
，查圖6-35
1.045
最小安全系數(shù)
按高可靠度，查表6-8
1.6
①太陽(yáng)輪： 彎曲應(yīng)力基本值：
=
彎曲應(yīng)力：
=.....Y=
故<, 彎曲強(qiáng)度通過(guò)
②行星輪
=../bm=N/mm
=./ =
=.....
=
故<,彎曲強(qiáng)度通過(guò)
內(nèi)嚙合
① 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度
、仍用【5】式（6-19）、（6-20）、（6-21）計(jì)算，其中與外嚙合取值，不同的參數(shù)為u=82/27=3.04 , =0.87, =1.03,=0.97, =1.11
=....Z
=mm
故 <
②齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
只需計(jì)算內(nèi)齒輪，計(jì)算公式仍為書（6-34）、（6-35）和式6-36，其中取值與外嚙合不同的系數(shù)：，，=0.683 = 1.02 =1.045
=
=.....
=
=./ =
故<,彎曲強(qiáng)度通過(guò)
表3-10 行星輪系各齒輪幾何參數(shù)匯總
名稱
齒數(shù)
模數(shù)
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒寬
太陽(yáng)輪1
19
1.25
23.75
26.25
20.625
20
行星輪1
29
1.25
36.25
38.75
33.125
25
內(nèi)齒輪1
77
1.25
96.25
93.75
99.375
20
太陽(yáng)輪2
28
1.5
42
45
38.25
30
行星輪2
27
1.5
40.5
43.5
36.75
35
內(nèi)齒輪2
82
1.5
123
120
126.75
35
3.1.1.2 軸上部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核
（1）軸的計(jì)算
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸入軸Ⅰ
1. 根據(jù)上面的計(jì)算得，與電動(dòng)機(jī)相連的轉(zhuǎn)矩輸入軸Ⅰ的轉(zhuǎn)矩為
2..求齒輪上的力
3.初步確定軸的最小直徑
選取軸的材料為45號(hào)鋼,調(diào)質(zhì)處理
取,于是得
4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
與轉(zhuǎn)矩輸入軸相連的聯(lián)軸器型號(hào)選為為HL1型，軸孔直徑選為16mm，太陽(yáng)輪與軸設(shè)計(jì)在一起，軸Ⅰ簡(jiǎn)圖如下：
圖3-2 輸出軸的簡(jiǎn)圖
5.軸Ⅰ的受力分析和校核
分析可知，軸Ⅰ上只有電機(jī)輸入的扭矩，該軸最小直徑為，則抗扭截面系數(shù)為
軸的最大切應(yīng)力為<
所以該軸符合條件。
第一級(jí)行星輪軸Ⅱ的設(shè)計(jì)與校核
1．軸Ⅱ上的力
2. 按照許用切應(yīng)力計(jì)算軸Ⅱ的最小直徑
45號(hào)鋼的許用切應(yīng)力取為，則
得到軸的最小直徑為
第二級(jí)太陽(yáng)輪軸Ⅲ的設(shè)計(jì)與校核
1. 根據(jù)上面的計(jì)算得，太陽(yáng)輪軸Ⅲ的轉(zhuǎn)矩為
2..求齒輪上的力
3.初步確定軸的最小直徑
第二級(jí)太陽(yáng)輪軸Ⅲ與第二級(jí)太陽(yáng)輪設(shè)計(jì)在同一根軸上，
4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的左端為第二級(jí)太陽(yáng)輪，軸的右端為矩形花鍵，其中花鍵鍵數(shù)目為6，小徑32mm，大徑36mm，鍵寬為6mm。
圖3-3 第二級(jí)太陽(yáng)輪軸的結(jié)構(gòu)
第二級(jí)行星輪軸Ⅳ的設(shè)計(jì)與校核
1．軸Ⅳ上的力
2. 按照許用切應(yīng)力計(jì)算軸Ⅳ的最小直徑
45號(hào)鋼的許用切應(yīng)力取為，則
得到軸Ⅳ的最小直徑為
行星輪減速器的輸出軸Ⅴ的設(shè)計(jì)與校核
軸Ⅴ上只受到扭矩的作用，其中扭矩為
確定該軸的最小直徑
該軸右端通過(guò)矩形花鍵與行星架連接，軸的左端通過(guò)鍵與聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器的另一半連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中聯(lián)軸器的型號(hào)選為YL8，軸孔直徑為32mm，長(zhǎng)為60mm。
該軸的結(jié)構(gòu)如下圖示：
圖3-4 軸Ⅴ的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2 水平方向角跟蹤裝置的設(shè)計(jì)
水平方向角的跟蹤采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速器，減速器輸出軸連接電池板的方式實(shí)現(xiàn)。采用蝸輪蝸桿減速器，不僅起到降低速度增大轉(zhuǎn)矩的功能，還可以利用其自鎖功能，防止大風(fēng)等惡劣天氣對(duì)裝置的破壞。
3.2.1 蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計(jì)
行星輪減速器與步進(jìn)電機(jī)總質(zhì)量約為40Kg，蝸輪蝸桿上部支撐桿的總質(zhì)量約為100Kg，所以整個(gè)裝置的總質(zhì)量合計(jì)為280Kg，推力圓柱滾子軸承上的基本靜載荷為2800N，所以初選推力圓柱滾子軸承型號(hào)為81220，其內(nèi)徑d為100mm。
取推力圓柱滾子軸承的摩擦系數(shù)為0.004，所以步進(jìn)電機(jī)要克服的摩擦力為F=11.2N，要克服的摩擦阻力距為Mf=560N.mm=0.56N.m，考慮過(guò)載情況等，將要克服的摩擦阻力距擴(kuò)大二倍得
旋轉(zhuǎn)立柱需要克服的摩擦阻力距為，所以電機(jī)輸出的最小轉(zhuǎn)矩應(yīng)該為
我們選用的步進(jìn)電機(jī)為深圳眾為興生產(chǎn)的110BYGH250B型電機(jī)，其輸出軸直徑為19mm。
蝸輪蝸桿的基本數(shù)據(jù)
選用普通ZA圓柱蝸桿傳動(dòng)，有利于保障傳動(dòng)的平穩(wěn)性，考慮到蝸輪蝸桿的自鎖性能，我們選取蝸桿的材料為45號(hào)鋼，表面淬火處理。渦輪的材料為錫青銅，在滑動(dòng)速度約為0.1m/s的條件下，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表16.5-16，知當(dāng)量摩擦角為4.5°，再查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》16.5-6，我們選取蝸桿的頭數(shù)，渦輪的齒數(shù)為，傳動(dòng)比為，模數(shù)為，無(wú)變位系數(shù)，導(dǎo)程角為
傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
選定蝸輪蝸桿類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1) 單級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)
2) 蝸桿的材料為45號(hào)鋼，表面淬火處理，渦輪的材料為錫青銅
3) 蝸桿的頭數(shù)，渦輪的齒數(shù)為，傳動(dòng)比為，模數(shù)為，無(wú)變位系數(shù)，導(dǎo)程角為
確定許用應(yīng)力
渦輪許用接觸應(yīng)力
渦輪許用彎曲應(yīng)力
其中查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表16.5-14，有
采用脂潤(rùn)滑方式 ，得滑動(dòng)速度影響系數(shù)。假定該設(shè)備使用壽命為5年，每年工作300天，每班工作12小時(shí)，JC=40%，工作環(huán)境溫度為350C，則可求得
齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖16.5-4得
則許用接觸應(yīng)力
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