喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 本科生畢業(yè)設計 姓 名： 學 號： 學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 設計題目： 太陽能發(fā)電系統(tǒng)自動跟蹤裝置設計 專 題： 指導教師： 職 稱： 徐州 畢業(yè)設計任務書 學院 專業(yè)年級 學生姓名 任務下達日期： 畢業(yè)設計日期： 畢業(yè)設計題目：太陽能發(fā)電系統(tǒng)自動跟蹤裝置設計 畢業(yè)設計專題題目： 畢業(yè)設計主要內容和要求： 設計徐州地區(qū)太陽能發(fā)電系統(tǒng)對太陽位置跟蹤的裝置，滿足如下要求： 1、 實現(xiàn)電池板對太陽水平方位角的間斷跟蹤； 2、 實現(xiàn)電池板對太陽高度角度的間斷跟蹤； 3、 在惡劣天氣下，能實現(xiàn)整個裝置的自鎖和電池板的自動收放。 院長簽字： 指導教師簽字： 畢業(yè)設計指導教師評閱書 指導教師評語（①基礎理論及基本技能的掌握；②獨立解決實際問題的能力；③研究內容的理論依據(jù)和技術方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 指導教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計評閱教師評閱書 評閱教師評語（①選題的意義；②基礎理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學知識解決實際問題的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計評閱教師評閱書 評閱教師評語（①選題的意義；②基礎理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學知識解決實際問題的能力；③工作量的大?。虎苋〉玫闹饕晒皠?chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計答辯及綜合成績 答 辯 情 況 提 出 問 題 回 答 問 題 正 確 基本 正確 有一般性錯誤 有原則性錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學院領導小組綜合評定成績： 學院領導小組負責人： 年 月 日 翻譯部分 英文原文 中文翻譯 基于嵌入式控制的太陽能跟蹤器的設計、制造與性能測設 摘要 本文介紹了光伏電池板太陽能跟蹤器系統(tǒng)的發(fā)展歷程。該系統(tǒng)由一個基于嵌入式控制的微控制器制作而成。該系統(tǒng)存儲有太陽光線水平方向角度的數(shù)據(jù)，因此不需要傳感器進行信號的輸入，是一個典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。以上所提到得特點表明該跟蹤系統(tǒng)是一種主動式的新技術，也是具有一維自由度的旋轉式機器人。 1、介紹 2000年的時候，來自聯(lián)合國各個國家的領導人對未來的世界進行了美好的展望，他們共同提出了八項千年發(fā)展目標的雛形。這些目標給世界各國提供了發(fā)展的構架和時間上的限制，以此來衡量各國所取得的進步。 其中第七項目標是：確保環(huán)境的可持續(xù)性。為了實現(xiàn)這一目標，各國應該將可持續(xù)發(fā)展的原則與國家的政策項目相結合，扭轉環(huán)境資源流失的局面。這與控制森林毀壞，臭氧層保護，二氧化碳排放量的減少等是相關的。 根據(jù)這一目標，并考慮能源枯竭和全球變暖趨勢，建立一個促進和提高可持續(xù)能源供應系統(tǒng)勢在必行。 為工業(yè)發(fā)展持續(xù)提供能源的良好能源系統(tǒng)必須具備以下特點： ?全年持續(xù)不斷的能量供應; ?高可靠性，較少的維護次數(shù); ?低廉的建造和運營成本; ?不存在對環(huán)境的影響; ?在規(guī)模和運用上的靈活性; ?較高的可觀賞性。 太陽能發(fā)電系統(tǒng)，也稱為光伏（PV）系統(tǒng)滿足了所有的這些特點，這也就是為什么位于南北緯45°范圍內——在該范圍內太陽能的資源非常的豐富——的國家?guī)缀跞甓荚谑褂锰柲苜Y源，例如圖一所示的墨西哥的太陽能能源。 為了使一天之內的太陽能量供應幾乎保持不變，必須要使太陽能光伏板的水平方向角在一天之內跟隨著太陽的軌跡運動，這就需要設計一個自動太陽能跟蹤系統(tǒng)。太陽能跟蹤器提高了太陽能由熱能轉換成電能的轉換效率。 本文從太陽能電池板跟蹤器的說明書起草，設計，制造，集成測試和運用的各個階段進行了詳細的分析。 1.1太陽能電池板 太陽能電池單元（光伏電池）大多數(shù)由單結晶硅組成，單晶硅片呈長方形，通常四個角被修剪，形成一個不規(guī)則的八面體稱為晶圓。一個單獨的太陽能電池單元的功率通常在1至2瓦之間。光伏模塊是由光伏電池單元串聯(lián)，放在一個0.5至1平方米的鋁制框架中，該光伏模塊的發(fā)電功率在50至100w之間。 1.2太陽能跟蹤器分類 太陽能跟蹤器主要分為主動式和被動式兩種類型。被動式跟蹤器利用太陽能量加熱低沸點的壓縮氣體，在兩邊太陽光照不同時，利用其熱量不同產生的不平衡壓差來驅動太陽能電池板轉向一側。主動式跟蹤器使用電動執(zhí)行機構（馬達和輪系）來驅動光伏陣列，該電動執(zhí)行機構由響應太陽光線的角度的控制器控制。 太陽能跟蹤器可能是單軸（主動或被動）或（主動式）雙軸形式。單軸跟蹤器通常會在常年轉動的方向軸上安裝有手動高度調節(jié)裝置。見圖3和圖4所示。 1.3光伏陣列的基本結構 承載光伏陣列的機械支架一定要保證在強風的條件下依舊保持正確的位置。常見的形式是一個垂直支柱連接一個根據(jù)跟蹤器的軸數(shù)確定的光伏陣列支架。 2太陽能跟蹤器的發(fā)展 2.1太陽能跟蹤器的標準和規(guī)范 跟蹤器的設計是基于以下標準： ?成本低; ?易維護; ?模塊化; ?符合技術規(guī)范; ?易于在不同的位置作出調整。 根據(jù)相似商業(yè)設備和光伏陣列實驗設施得到的技術規(guī)范如下： ?每日自動跟蹤的水平角度為130°; ?一年的高度角變化范圍為47° ?在120公里/小時的最大風速下，依舊可以安全運行并且維持原有位置不變; ?在每天運行的最少八小時內，光伏陣列和太陽光線的累積差異角度不超過10°； ?每天的能量消耗要低于發(fā)電量的5%。 2.2太陽能跟蹤器類型的選擇 根據(jù)以上規(guī)范，并基于太陽能跟蹤器的評價，我們選用無傳感器的主動式開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.3太陽能跟蹤器的一般設計 圖5所示為跟蹤系統(tǒng)的設計組成圖。該系統(tǒng)的核心部分是嵌入式控制系統(tǒng)板——它作為一個軟件程序微控制器（數(shù)據(jù)文件，時間，執(zhí)行器位置和控制信號計算結果的讀?。硗膺€有實時時鐘和時鐘電池。 控制器對執(zhí)行機構的控制信號和簧式傳感器反饋的型號作為該信號板的輸入輸出信號。 電源取自光伏陣列，并且使用電池或電容器進行能量的補充。 2.4太陽能跟蹤器的軟件設置 因為在控制硬件里進行關于方向角的三角函數(shù)的運算非常困難，所以將太陽在運行的八個小時里的每小時移動的角度視為常數(shù)，可以算得這一常數(shù)為15°，將算得的結果輸入到微控制器的內存中。因此，跟蹤器就可以根據(jù)當?shù)氐木暥?，時間和日期算得太陽的位置，并且以此對光伏陣列每十五分鐘進行一次角度的調整（這次期間，太陽的角度變化小于3°）。 2.5光伏陣列的機械結構設計 光伏陣列由兩塊太陽能電池板組成，放置在對稱結構的支架上（對稱結構可以使得兩邊重量平衡），在支架的中間位置有一根旋轉軸，通過軸的旋轉來調節(jié)方位角。 2.6方位角算法 圖8所示為太陽從日出到日落時間段內的運行軌跡，該運行軌跡在空間中相對于確定位置和日期的觀察者呈一曲線。 為了確定太陽在某一日期，時間，地點的具體位置，必須首先知道太陽每時刻相對于水平面的高度角或者說是俯仰角，以及太陽的方位角。方位角的測量可以采用從南到西的方向為正（例如順指針方向）。 通過上述的兩個角度和高度，可以確定空間中的任何一個點。如在衛(wèi)星天線安裝，方向角是兩個坐標之一，另一個是海拔。 為了確定這些角度，首先要確定赤緯角δ。地球中心與太陽中心的連線與地球赤道平面的夾角稱為赤緯角，赤緯角是一個變量，其計算公式如下： 其中，n為從每年的一月一號算起的天數(shù)。 太陽時角是當?shù)卣缗c某具體時間所處的夾角，其具體計算公式如下： H=（12-hour of reference）x 15° 根據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們可以計算得到的太陽高度角α： 其中φ為當?shù)鼐暥取? 方位角θ為： 然而，當?shù)氐牡剌S傾斜度決定了白天和晚上的時間，在一年中這一傾斜度隨著時間的變化而變化，這就是著名的太陽時間。 在太陽時和時鐘顯示的時刻之間有一偏差t，其計算公式如下： 其中，X是偏離角，由下列公式計算： 根據(jù)從本初或者國際子午線算得的經度λ，可以計算得到當?shù)氐臉藴蕰r間。 該地的經度由以下公式計算得到： λ=（φ—prime meridian）/15° 墨西哥中央地區(qū)的經度為西經90°，所以當?shù)氐奶枙r為： 為當?shù)貢r鐘顯示的時間。 3 制造與集成 這個項目中光伏陣列由兩個組件組成，均為50瓦的額定功率，面積為0.45平方米，重量為52牛頓，即5.2千克，機械結構由CAD軟件設計。對于方位角的控制，由一個最大位移為46cm的電動馬達執(zhí)行，馬達上安裝有脈沖頻率為11的簧式傳感器。 控制器的選擇需要綜合考慮內存的大小，速度，輸入輸出口的數(shù)量，與輸入的電壓的大小，在此我們選用PIC16F877A作為控制器。 電子板的設計包括軟件程序，微控制器代碼的仿真。 將電動執(zhí)行機構集成在已經制作好的機械結構上，并且進行了方位角自由運動的測試。 同時跟蹤器的電子控制線路也已經制作完成，并進行了性能的測試。 4性能測試和試驗結果 我們進行了以下數(shù)據(jù)的測量，得到了需要的數(shù)據(jù)： 1. 一天內的跟蹤精度； 2. 跟蹤系統(tǒng)的能耗； 3. 跟蹤后產生電能的增量。 為了測試跟蹤精度，在一張紙上畫上了一系列的同心圓，并在圓心處固定主軸。 從圖11中我們可以看到，在跟蹤時間段內的角度誤差始終限制在準則的技術要求內（小于5°）。在16點之后角度誤差的增大，是因為此時跟蹤器停止工作，控制器控制電池板返回到第二天開始工作的起始方位。 測量跟蹤器的能耗的一種方法是估算電動馬達的電壓和電流值。 為了測算跟蹤式太陽能光伏板比固定式光伏板多產生的能量，可以將一個常阻值電阻器連接到發(fā)電器的終端，然后測量電阻上的電壓和電流值，根據(jù)測出的數(shù)據(jù)便可以計算出跟蹤式光伏板多產生的能量。 圖12所示為跟蹤式光伏陣列和固定式光伏陣列產生的能量曲線，曲線的高度差表示能量的增加量。這個結果非常的重要，也是我們所希望的結果。 圖12所示在17點的時候，跟蹤式和固定式太陽能發(fā)電裝置所發(fā)電量相同，產生這種現(xiàn)象的原因在上文已經得到解釋，就是因為16點的時候跟蹤器停止跟蹤，并且返回到初始位置。此時跟蹤器不再運動，所以也沒有能量的消耗。 5結論和致謝 太陽能跟蹤器的設計，制造和測試表明其有很多商業(yè)價值的優(yōu)點——便攜性，不同地點的可編程性，較少的組成部分和高可靠性?？梢栽谔柲芨櫰魃习惭b更多的功能，例如檢測模塊（在學術或研究機構中很受歡迎）。將太陽光伏陣列跟蹤器的低成本微控制器與之前計算得到的太陽位置文件數(shù)據(jù)相結合的控制器很不常見，我們沒有找到任何關于此的參考文獻。 該跟蹤系統(tǒng)也表現(xiàn)出了一些優(yōu)于閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點： 1. 該跟蹤系統(tǒng)并沒有受到電池板安裝地理位置的限制，因為在白天工作時間段里，它是追蹤方向角上最大的太陽能照射。不過電池板的高度角需要通過手工來進行調節(jié)。 2. 跟蹤器不會受到由于雨水，云彩，煙霧等引起的光線折射導致的暫時的不穩(wěn)定。因此，該系統(tǒng)會時時給出太陽的正確位置，并且控制電池板根據(jù)太陽位置來運動。 本科生畢業(yè)設計 姓 名： 學 號： 學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 設計題目： 太陽能發(fā)電系統(tǒng)自動跟蹤裝置設計 專 題： 指導教師： 職 稱： 摘 要 當今世界能源短缺，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。太陽能以其儲量的無限性、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露出的經濟性等優(yōu)勢，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的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應等問題的有效途徑，是人類理想的替代能源。 但是太陽能又存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點，這就使目前的一系列太陽能設備對太陽能的利用率不高。為了提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率，本文設計了雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用步進電機帶動蝸輪蝸桿減速器以實現(xiàn)對太陽水平方向角的跟蹤，并利用蝸輪蝸桿減速器的特性實現(xiàn)系統(tǒng)的自鎖。利用步進電機帶動絲杠使發(fā)電系統(tǒng)圍繞水平軸以實現(xiàn)對太陽高度角的追蹤。為了使電池板能在惡劣天氣下實現(xiàn)自動收放，利用步進電機帶動行星輪減速器，驅動具有不同旋向的絲杠以實現(xiàn)兩側板的同步反方向運動。 最后，本文給出了三個步進電機控制系統(tǒng)的流程圖。 關鍵字：太陽能 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我國太陽能資源 1 1.1.3目前太陽能的開發(fā)和利用 1 1.1.4太陽能的特點 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提高太陽能的利用率 2 1.4太陽能利用的國內外發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.5太陽追蹤系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀 4 1.6論文的研究內容 4 2太陽能自動跟蹤系統(tǒng)總體設計 5 2.1太陽運行的規(guī)律 5 2.1.1赤道坐標系 5 2.1.2地平坐標系 5 2.1.3太陽位置的確定 6 2.2 太陽能跟蹤器的機械裝置 6 2.2.1單軸跟蹤 6 2.2.2 雙軸跟蹤 7 2.3 太陽能跟蹤器的控制方式 8 2.3.1時鐘式控制方式 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光電式太陽跟蹤裝置 9 2.4機械跟蹤裝置和控制方式的比較和選用 10 2.4.1機械跟蹤方式的選擇 10 2.4.2 太陽能電池板收放的實現(xiàn) 10 2.4.3 控制方式的選擇 11 3 機械設計部分 12 3.1電池板收放裝置的設計 12 3.1.1 行星輪減速器的設計 12 3.2 水平方向角跟蹤裝置的設計 25 3.2.1 蝸輪蝸桿減速器的設計 25 3.3 俯仰角調節(jié)的裝置設計 33 4自動跟蹤控制系統(tǒng)設計 35 4.1太陽位置跟蹤控制系統(tǒng)設計 35 4.1.1光敏電阻光強比較法 35 4.1.2光電轉換器 36 4.1.3 AT89C51單片機 36 4.1.4水平方位角跟蹤控制系統(tǒng)流程圖 38 4.1.5高度角調節(jié)控制系統(tǒng)流程圖 39 4.2太陽能電池板收放裝置控制系統(tǒng)設計 39 5 結 論 41 5.1總結 41 5.2展望 41 參考文獻 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 能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質基礎。當前，包括我國在內的絕大多數(shù)國家都以石油、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，很多國家都在認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。 雖然在可預見的將來，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料仍將在世界能源結構中占有相當?shù)谋戎?，但人們對核能以及太陽能、風能、地熱能、水力能、生物能等可持續(xù)能源資源的利用日益重視，在整個能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。據(jù)統(tǒng)計，20世紀90年代，全球煤炭和石油的發(fā)電量每年增長l%，而太陽能發(fā)電每年增長達20%，風力發(fā)電的年增長率更是高達26%。預計在未來5至10年內，可持續(xù)能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結束礦物燃料一統(tǒng)天下的局面。 相對于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會能源的希望所在。 1.1.2我國太陽能資源 我國幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。我國地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。我國的國土跨度從南到北、自西至東，距離都在5000km以上，總面積達960×104km，占世界總面積的7%，居世界第三位。據(jù)估算，我國陸地表面每年接收的太陽輻射能約為50×1018KJ，全國各地太陽年輻射總量達335～837KJ/cm2·A，中值為586KJ/cm2·A。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內蒙古南部、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灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。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，日照時間長。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961年至1970年的平均值，年平均日照時間為3005.7h，相對日照為68％，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，太陽總輻射為816KJ/cm2·A，比全國其它省區(qū)和同緯度的地區(qū)都高。全國以四川和貴州兩省的太陽年輻射總量最小，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，年平均日照時數(shù)僅為1152.2h，相對日照為26％，年平均晴天為24.7天，陰天達244.6天，年平均云量高達8.4。其它地區(qū)的太陽年輻射總量居中。 1.1.3目前太陽能的開發(fā)和利用 人類直接利用太陽能有三大技術領域，即光熱轉換、光電轉換和光化學轉換，此外，還有儲能技術。 太陽光熱轉換技術的產品很多，如熱水器、開水器、干燥器、采暖和制冷，溫室與太陽房，太陽灶和高溫爐，海水淡化裝置、水泵、熱力發(fā)電裝置及太陽能醫(yī)療器具。 1.1.4太陽能的特點 太陽能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大優(yōu)點： 第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據(jù)估計，在過去漫長的11億年中，太陽消耗了它本身能量的2%，可以說是取之不盡，用之不竭。 第二，地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發(fā)利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發(fā)達的農村、海島和邊遠地區(qū)更具有利用的價值。 第三，太陽能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時，不會產生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態(tài)平衡。 太陽能的利用有它的缺點： 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光線自動跟蹤裝置，該裝置能定時跟蹤太陽光線的運動，保證太陽能電池板與太陽入射光線保持垂直，提高設備的能量利用率。 1.3研究課題的意義 1.3.1新環(huán)保能源 長期以來，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，儲量有限，而且燃燒時產生大量的二氧化碳，造成地球氣溫升高，生態(tài)環(huán)境惡化。據(jù)國際能源機構預測，人類正面臨礦物燃料枯竭的嚴重威脅。這種全球性的能源危機，迫使各國政府投入大量的人力和財力，研究和開發(fā)新能源，如太陽能等。 能源危機，環(huán)境保護成為當今世界關注的熱點問題。據(jù)聯(lián)合國環(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以每10年20%的速度增長。這些燃料的燃燒構成改變氣候的溫室氣體的最大排放源，按照可持續(xù)發(fā)展的目標模式，決不能單靠消耗礦物原料來維持日益增長的能源需求。因此越來越多的國家都在致力于對可再生能源的深度開發(fā)和廣泛利用。其中具有獨特優(yōu)勢的太陽能開發(fā)前景廣闊。日本經濟企劃廳和三澤公司合作研究認為，到2030年，世界電力生產的一半將依靠太陽能。 基于當今世界能源問題和環(huán)境保護問題已成為全球的一個“人類面臨的最大威脅”的嚴重問題，本課題的目的是為了更充分的利用太陽能、提高太陽能的利用率，而進行太陽追蹤系統(tǒng)的開發(fā)研究，這對我們面臨的能源問題有重大的意義。同時太陽能又是一種無污染的清潔能源，加強太陽能的開發(fā)，對節(jié)約能源、保護環(huán)境也有重大的意義。 1.3.2提高太陽能的利用率 太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽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能裝置如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能電池等等，但太陽能的利用還遠遠不夠，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太陽能裝置而言，如何最大限度的提高太陽能的利用率，仍為國內外學者的研究熱點。解決這一問題應從兩個方面入手，一是提高太陽能裝置的能量轉換率，二是提高太陽能的接收效率，前者屬于能量轉換領域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術則可解決。太陽跟蹤系統(tǒng)為解決這一問題提供了可能。不管哪種太陽能利用設備，如果它的集熱裝置能始終保持與太陽光垂直，并且收集更多方向上的太陽光，那么，它就可以在有限的使用面積內收集更多的太陽能。但是太陽每時每刻都是在運動著，集熱裝置若想收集更多方向上的太陽光，那就必須要跟蹤太陽。香港大學建筑系的教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關系，理論分析表明:太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽可使接收器的接收效率大大提高，進而提高了太陽能裝置的太陽能利用率，拓寬了太陽能的利用領域。 1.4太陽能利用的國內外發(fā)展現(xiàn)狀 日本是世界上太陽能開發(fā)利用第一大國，也是太陽能應用技術強國。日本太陽熱能的利用 ，從1979年第二次石油危機后開始，1990年進入普及高峰。太陽能技術日益創(chuàng)新，能量轉換率不斷提高，成本也是新能源中最低的。日本將太陽能的利用分為太陽光能和熱能兩種。太陽光能發(fā)電，是利用半導體硅等將光轉化為電能。從2000年起，日本太陽能發(fā)電量一直居世界首位，2003年太陽能發(fā)電裝機容量約為86萬千瓦，占世界太陽能發(fā)電裝機容量的49.1%，并計劃到2010年達到482萬千瓦，增加約6倍。 德國對太陽能資源的利用可追溯到20世紀70年代，現(xiàn)在德國已經在太陽能系統(tǒng)的開發(fā)、生產、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經驗，發(fā)明了一系列高效的太陽能系統(tǒng)。1990年德國政府推出了“一千屋頂計劃” ，至1997年已完成近萬套屋頂系統(tǒng)，每套容量1～5千瓦，累計安裝量已達3.3萬千瓦。根據(jù)德國聯(lián)邦太陽能經濟協(xié)會的數(shù)字，在過去的幾年中，德國太陽能相關產品的產量增加了5倍，增速比其他國家平均水平高出一倍。另據(jù)德新社報道，全球最大的太陽能發(fā)電廠已在德國南部巴伐利亞州正式投入運營。這家太陽能發(fā)電廠投資7000萬歐元，占地77萬平方米，發(fā)電總容量達12兆瓦，能為3500多個家庭供電。截至2005年年底，德國共有670萬平方米的屋頂鋪設了太陽能集熱器，每年可生產4700兆瓦的熱量。已用4%的德國家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽能，估計每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。 目前，美國太陽能光伏發(fā)電已經形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產體系。2005年，美國光伏發(fā)電總容量達到100萬千瓦，排在日本和德國之后，居世界第3位。為了降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產成本，美國政府最近制定了陽光計劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財政投入，加快多晶硅和薄膜半導體材料的研發(fā)，提高太陽能光伏電池的光電轉化效率。目前，美國正在新建幾座新的太陽能電站。預計到2015年，美國光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)在的21～40美分/千瓦時降到6美分/千瓦時，屆時，太陽能光伏發(fā)電技術的競爭力將會大大增強。太陽能在能源發(fā)展中占有相當?shù)膬?yōu)勢，據(jù)美國博士對世界一次能源替代趨勢的研究結果表明，到2050年后，核能將占第一位，太陽能占第二位，21世紀末，太陽能將取代核能占第一位，很多國家對太陽能的利用加強了重視。 意大利1998年開始實行“全國太陽能屋頂計劃”，將于2002年完成，總投入5500億里拉，總容量達5萬千瓦。印度也于1997年12月宣布，將在2002年前推廣150萬套太陽能屋頂系統(tǒng)。法國已經批準了代號為“太陽神2006”的太陽能利用計劃，按照該計劃，每年將投入3000萬法郎資金，到2006年，法國每年安裝太陽能熱水器的用戶達2萬家。 我國由建設部制定的《建筑節(jié)能“九五”計劃和2010年規(guī)則》中已將太陽能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項目。目前我國太陽能熱水器的推廣普及十分迅速，1997年銷售面積近300萬平方米，數(shù)量居世界首位。全國從事太陽能熱水器研制、生產、銷售和安裝的企業(yè)達1000余家，年產值20億元。根據(jù)我國1996～2020年太陽能光電PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計劃，在2000年和2020年的太陽能光電總容量將分別達到6.6萬千瓦和30萬千瓦。在聯(lián)網陽光電站建設方面，計劃2020年前建成5座MW級陽光電站。由國家投資1700萬元修建的西藏第三座太陽能電站——安多光伏電站，總裝機容量100千瓦，于1998年12月建成發(fā)電。這也是世界海拔最高、中國裝機容量最大的太陽能電站?？傊?，大力發(fā)展太陽能利用技術，使節(jié)約能源和保護環(huán)境的重要途徑。 1.5太陽追蹤系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀 在太陽能跟蹤方面，我國在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調節(jié)，接收器的接收效率提高了。1998年美國加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使效率進一步提高。2002年2月美國亞利桑那大學推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結構，結構緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應用領域。在國內近年來有不少專家學者也相繼開展了這方面的研究，1992年推出了太陽灶自動跟蹤系統(tǒng)，1994年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器，完成了單向跟蹤。 目前，太陽追蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)追蹤太陽的方法很多，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)視日運動軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。 1.6論文的研究內容 本文所介紹的太陽跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實現(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括: (l)分析太陽運行規(guī)律，比較國內外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略。 (2)進行機械裝置的設計，完成零件的計算，設計，裝配圖的設計。 (3) 對太陽能電池板收放裝置進行設計，實現(xiàn)惡劣天氣時多塊電池板的收放。 (4) 對控制部分進行設計。選用光電傳感器作為信號的輸入，定時進行太陽能電池板對太陽光線的追蹤，提高光電轉換的效率。 2太陽能自動跟蹤系統(tǒng)總體設計 2.1太陽運行的規(guī)律 2.1.1赤道坐標系 赤道坐標系是把地球上的經、緯度坐標系擴展至天球而形成的。在地球上與赤道面平行的緯度圈, 在天球上則叫赤緯圈；在地球上通過南北極的經度圈, 在天球上稱時圈。在赤道坐標系中, 我們以太陽赤緯角和時角表示太陽的位置（如圖2-1）。 圖2-1 天體的時角和赤緯角 如圖2-1所示, 通過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, 太陽光線與地球赤道面所夾的圓心角δ, 即為太陽赤緯角，其計算公式如下： 其中，n為從每年的一月一號算起的天數(shù) 赤緯角從赤道面起算, 向北為正, 向南為負。顯然, 赤緯角變化于土23°27′。 太陽所在的時圈與通過南點的時圈構成的夾角為時角。自天球北極看, 順時針方向為正, 逆時針方向為負。時角表示太陽的方位, 地球每天旋轉360°，所以每小時的時角為15°。太陽在黃道上的運動實際上不是勻速的, 而是時快時慢, 因此,真太陽日的長短也就各不相同。但人們的實際生活需要一種均勻不變的時間單位, 這就需要尋找一個假想的太陽, 它以均勻的速度在運行。這個假想的太陽就稱為平太陽, 其每個周期的持續(xù)時間稱平太陽日, 由此而來的小時稱為平太陽時。平太陽時是基本均勻的時間計量系統(tǒng), 與人們的生活息息相關。由于平太陽是假想的, 因而無法實際觀測它, 但它可以間接地從真太陽時求得。為此, 需要一個差值來表達二者的關系, 這個差值就是時差。 2.1.2地平坐標系 地平坐標系是以地平圈為基圈, 用太陽高度角h和方位角A來確定太陽在天球中的位置（圖2-2）。 圖2-2 高度角與方位角 太陽高度角h是指太陽直射光線與地平面間的夾角。太陽方位角A是指太陽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, 向東為負值。 2.1.3太陽位置的確定 雖然太陽在天球上的位置每日、每時都有變化, 但是其運行具有嚴格的規(guī)律性。根據(jù)其相互運動規(guī)律, 我們可以通過天文公式計算出太陽在赤道坐標系中的太陽赤緯角和太陽時角。在實際使用中, 由于太陽赤緯角和太陽時角是建立在赤道坐標系中, 不便于直接應用, 所以一般將其轉換到人們所熟悉的地平坐標系中, 即由太陽赤緯和時角計算出太陽高度角和太陽方位角。當太陽高度角和方位角確定后, 太陽的位置也就唯一確定了。太陽高度角計算h公式如下： 其中為當?shù)氐木暥? 方位角A為： 2.2 太陽能跟蹤器的機械裝置 對太陽光線的跟蹤器根據(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軸南北傾斜方向布置。控制器計算太陽角度的變化，控制轉軸轉動，使太陽能電池板作東西運動，以跟蹤太陽。采用這種跟蹤方式，只有在轉軸傾斜角度與太陽高度角互余時才能使得太陽光與電池板相垂直。采用單軸跟蹤的特點是結構簡單，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 如果能夠同時跟蹤太陽兩個角度的變化，就能獲得更多的太陽能量，雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要求而設計的。雙軸跟蹤通?？梢苑譃閮煞N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角速度相同方向相反的固定轉速進行跟蹤，電池板按照季節(jié)時間的變化圍繞赤緯軸作俯仰運動以適應赤緯角的變化。這種跟蹤方式并不復雜，但從力學角度分析，在結構上電池板的重量不通過極軸軸線，極軸支撐裝置的設計比較困難。 (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系基礎上，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)太陽角度的計算方法，工作時電池板根據(jù)太陽位置的理論計算值，繞方位軸轉動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變電池板的傾斜角，使電池板始終與太陽光線垂直。這種跟蹤裝置的跟蹤準確度高，而且電池板的重量保持在垂直軸所在的平面內，支持機構容易設計。但是在計算太陽角的過程中容易出現(xiàn)誤差，影響跟蹤準確度。 圖2-4 高度角—方位角全跟蹤 2.3 太陽能跟蹤器的控制方式 不論是單軸跟蹤或雙軸跟蹤，太陽跟蹤器的控制方式可分為:時鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置幾種。 2.3.1時鐘式控制方式 時鐘式太陽跟蹤裝置是一種主動式的跟蹤裝置，有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時法。根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運動角度，計算出太陽光接收器每分鐘應轉動的角度，從而確定出電動機的轉速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應變動。雙軸跟蹤器的主要結構是通過電機帶動反射器以每小時15°的恒速繞日軸轉動，以跟蹤太陽的赤經運動，另一個電機帶動電池板以每天15′的恒速繞季軸旋轉，以跟蹤太陽的赤緯運動。這樣反射器就能全年和入射陽光相垂直，達到跟蹤太陽的目的。為了完成這兩個方向上的跟蹤，機構應該采用子午坐標跟蹤系統(tǒng)。這種跟蹤裝置的主要優(yōu)點是:結構簡單，便于制造，并且該裝置的控制系統(tǒng)也十分簡單。其主要缺點是:跟蹤精度不夠。太陽的高度角隨季節(jié)的變化不是均勻的，對這種屬于被動式的跟蹤裝置，單軸跟蹤系統(tǒng)需要在每天開始工作時調整角度以對準太陽，雙軸跟蹤系統(tǒng)累積誤差比較大，需要定期進行校正。 2.3.2程序式控制方式 程序控制式太陽跟蹤裝置是與計算機相結合的。首先利用一套公式通過計算機算出在給定時間的太陽的位置，再計算出跟蹤裝置被要求的位置，最后通過電機傳動裝置達到要求的位置，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。在美國加州建成的10MW太陽I號塔式電站，就是使用這種控制系統(tǒng)，在總計28萬平方米的范圍內分散著 1818塊反射鏡。首先計算出太陽的位置，然后求出每個反射鏡要求的位置，再通過固定在兩個旋轉軸(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際位置，最后把反射鏡要求所處的位置同實際上所處的位置進行比較，偏差信號用來驅動122.5W的支流電機，使反射裝置對太陽運動進行跟蹤。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 武漢市電子產品研究所，參考國外單軸跟蹤太陽時角的熱水器，研制了一種壓差式單軸太陽跟蹤器，現(xiàn)己用在太陽能熱水器上。這種太陽能熱水器的吸熱板南北放置，其傾角可按不同季節(jié)通過手動調節(jié)。為了取得太陽的偏移信號，在反射鏡周邊設有一組空氣管作為時角的跟蹤傳感器。當太陽偏移時，兩根空氣管受太陽的照射不同，管內產生壓差，當壓力達到一定的數(shù)值時，壓差執(zhí)行器就發(fā)出跟蹤信號，用壓力為0.IMPa的自來水作為跟蹤動力(若無自來水，可裝一只容積為2L的壓力水箱)。帶動鏡面跟蹤太陽。當鏡面對準太陽時，管內壓力平衡，壓差執(zhí)行器又發(fā)出停止跟蹤信號。這種跟蹤器的跟蹤靈敏度高，每大當太陽剛升起3一5分鐘后，鏡面即跟蹤對準太陽。 與此相類似的太陽跟蹤裝置還有重力差式跟蹤器和液壓式跟蹤器。 簡易液壓式跟蹤器的工作原理與以上兩種基本相似。太陽的相對位置信號由跟蹤器平板兩側遮光板下方南北向安裝的溫度傳感器(黑管)所接受。黑管內充有低沸點的液體物質，在常溫下，部分液體汽化形成飽和蒸汽，同時產生一定的飽和蒸汽壓，通過膠管驅動雙桿雙作用液壓缸運動，達到自動跟蹤目的。當太陽正對跟蹤器平板時，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)，液壓缸活塞的兩側受力處于平衡狀態(tài)，跟蹤器平板靜止不動。 當太陽光線向西偏移一個角度時，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，產生壓力差，左側黑管所接液壓缸一側的壓力增大，推動活塞上移，帶動跟蹤器平板繞中間支點逆時針轉動，使跟蹤器平板隨太陽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，曬熱右側黑管，液壓缸帶動跟蹤器迅速做順時針轉動，重新對準太陽集熱。 這種跟蹤器在實際中應用很廣，其主要的優(yōu)點是:結構比較簡單，制作費用低，純機械式，不需電子控制部分及外接電源。缺點是沒有足夠的工作空間，而且一般只用于單軸跟蹤，不能完成自動對太陽往返于南北回歸線之間運動的跟蹤，只能每隔一段時間，重新對準陽光，因此精度比較低。 2.3.4光電式太陽跟蹤裝置 光電式太陽跟蹤裝置使用光敏傳感器來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當偏差超過一個閉值時，執(zhí)行機構調整集熱裝置的位置，直到使太陽光線與集熱裝置光軸重新平行，實現(xiàn)對太陽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反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實現(xiàn)，受到普遍關注，其工作原理如圖2—5所示。 圖2-5 光電式太陽跟蹤裝置示意圖 2.4機械跟蹤裝置和控制方式的比較和選用 2.4.1機械跟蹤方式的選擇 根據(jù)上述的討論可知，目前對太陽光線的追蹤多為單軸和雙軸式跟蹤。通過實驗比較，單軸式跟蹤裝置相對于固定式發(fā)電量提高了15%，而雙軸式跟蹤相對于固定式發(fā)電量則提高了37% 。鑒于雙軸跟蹤更高的發(fā)電量，本次設計中我們采用雙軸式自動跟蹤。 圖2-6 光電跟蹤裝置總體方案 如圖2-6示為本設計的總體設計方案。步進電機A通過蝸輪蝸桿減速器帶動方位軸轉動，來追蹤太陽方位角的變化。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，防止大風吹動電池板旋轉。步進電機B通過絲桿連接電池板和固定支架，從而帶動電池板圍繞俯仰軸，來追蹤太陽高度角的變化。 2.4.2 太陽能電池板收放的實現(xiàn) 本次設計中使用的太陽能電池板由兩塊1x1.5m2和一塊2x1.5m2的電池板組成，如圖2-7所示。 圖2-7 太陽能電池板 在完全伸展開的條件下，太陽能電池板面積較大。在大風等惡劣天氣中，電池板的受力會很大，整個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，更好的保護太陽能電池板，我們采用收放裝置實現(xiàn)兩側兩塊板的自由收放。 為了實現(xiàn)這一收放功能，兩側的太陽能電池板的高度低于中間電池板，兩側板上裝有滑輪，相應的在支架上設置有軌道。在整個支架的下方裝有一根通過減速器與步進電機相連接的絲桿。該絲桿兩端螺紋的旋向是相反的，所以在絲杠轉動的時候，兩側的電池板可以實現(xiàn)同步同速但方向相反的運動，以實現(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，目前國內外采用的跟蹤太陽的方法有很多，但是現(xiàn)在應用最普遍的有三種方式: (1)視日運動軌跡跟蹤；(2)光電跟蹤；(3)視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合。 視日運動軌跡跟蹤是利用太陽高度角和方位角的計算公式，確定具體地點和時間太陽的精確位置。這種方式首先要確定太陽高度角和方位角的計算方法，上述的討論中我們看到，高度角和方位角的計算都涉及到了三角函數(shù)，所以采用視日運動軌跡跟蹤的控制方式，必定會增加算法上的困難，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)，無角度反饋值做比較，因而為了達到高精度跟蹤的要求，不僅對機械結構的加工水平有較嚴格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關系極為密切，否則長時間的運行后會產生較大的累積誤差。 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阻值發(fā)生變化的原理，將兩個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。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，兩個光敏電阻接收到的光強度相同，所以它們的阻值相同，此時電動機不轉動。當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減少，驅動電動機轉動，直至兩個光敏電阻上的光照強度相同，稱為光敏電阻光強比較法。 對于實現(xiàn)電池板收放功能的步進電機的控制，我們采用風速傳感器作為探測元件。當傳感器測出風速超過所設置的最大風速后，單片機發(fā)出信號給步進電機，使其轉動一定的圈數(shù)，在絲桿的帶動下兩側的電池板變完全收縮到了中間電池板的下方。當天氣好轉后，單片機再次發(fā)出控制信號使步進電機旋轉，實現(xiàn)兩側板的收回，進行正常的工作。 3 機械設計部分 3.1電池板收放裝置的設計 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現(xiàn)裝置。步進電機通過減速器將運動和動力傳到絲桿上，絲桿的兩側分別與左右電池板相連接。由于絲桿的選項是相反的，所以絲桿在轉動的時候可以實現(xiàn)兩側板的同時同速反向的運動。為了使減速器在相同減速比條件條件下結構更加緊湊，減小其尺寸，所以在此采用兩級行星輪減速器。 兩側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，則推動電池板運動的力為,取絲杠摩擦系數(shù)為0.2，絲杠直徑為30mm，則可算得驅動絲杠的力矩為，考慮過載情況，取安全系數(shù)為2，則驅動絲杠的力矩為 3.1.1 行星輪減速器的設計 3.1.1.1 行星齒輪的設計 1齒形及精度[21] 因為電池板的收放速度較低，所以減速器屬于低速運動，各齒輪采用壓力角=20°的直齒輪傳動，精度等級為6級。 2齒輪材料及性能 高速級太陽輪和行星輪采用硬齒面，以提高承載能力，減低尺寸，內齒輪用軟齒面。高速級部分采用軟齒面。兩級材料性能如表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 太陽輪 20CrMnTi 滲碳淬火 HRC58~62 1400 375 6級 行星輪 267.5 內齒輪 40Cr 調質 HB262~286 650 275 7級 3傳動比分配 根據(jù)傳動要求分配第級與第級的傳動比，第級傳動比i=5,第二級傳動比i=4 4 第一級行星輪系設計 （1）配齒數(shù) 查機械設計手冊表17.2-4，配齒結果：=19， Z=77，Z=29, i=5.0526 由執(zhí)行機構傳入第二級輸出軸的扭矩為=1.3=1.390=117（N.m） 則可以求出傳入第一級輸出軸的扭矩為=/=117/(0.94)=32.5 （N.m） 則第一級太陽輪的傳遞扭矩為=3/=/=7.2 （N.m） （2）按彎強度曲初算模數(shù)m 因為取和中的較小值 = 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. 則可以計算出第一級各齒輪的基本參數(shù)如下： 表3-2 第一級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 太陽輪 23.75 25 22.1875 20 行星輪 36.25 37.5 34.6875 25 內齒輪 96.25 97.5 94.6875 20 （3）進行接觸和彎曲疲勞強度校核計算 表3-3 接觸強度有關系數(shù) 代號 名稱 說明 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 齒輪疲勞強度校核 外嚙合 查書【5】式6-19、6-20, 計算接觸應力,用式6-21計算其需用應力,式中的參數(shù)和數(shù)值如表3-4 表3-4外嚙合接觸強度有關參數(shù)和系數(shù) 代號 名稱 說明 取值 使用系數(shù) 按中等沖擊查表6-5 1.25 動載系數(shù) 6級精度，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6-9，六級精度 1 行星輪間載 荷分布系數(shù) 行星架浮動，查表7-2 1.20 節(jié)點 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小時計算 ，按 圖6-18HRC=60,v=0.957,查表8-10 1 潤滑油系數(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 接觸應力基本值接觸應力 許用接觸應力: / = 故,接觸強度通過 齒根彎曲疲勞強度 齒根彎曲疲勞應力及許用應力 用書6-34,、6-35、6-35、6-36計算并分別對太陽輪和行星輪進行校核。各項參數(shù)如表3-5 表3-5 外嚙合齒根彎曲強度有關參數(shù)和系數(shù) 代號 名稱 說明 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 太陽輪應力修正系數(shù) 查圖6-27 1.57 太陽輪應力修正系數(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 試驗齒輪應力修正系數(shù) 按所給區(qū)域圖取 2 太陽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太陽輪： 彎曲應力基本值： 彎曲應力： =.....Y= 故<, 彎曲強度通過 ② 行星輪 =/bm=103.79N/mm =./ = =..... = 故<,彎曲強度通過 內嚙合 ① 齒輪接觸疲勞強度 、仍用【5】式（6-19）、（6-20）、（6-21）計算，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齒根彎曲疲勞強度 只需計算內齒輪，計算公式仍為書（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<,彎曲強度通過 5第二級行星輪系部分設計計算 （1）配齒數(shù) 查機械設計手冊表17.2-4，配齒結果：=28， Z=27，Z=82, i=3.9286 按彎曲強度初算模數(shù)m 因為取和中的較小值 = 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. 則第二級各齒輪的基本參數(shù)如下表示： 表3-6 第二級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 太陽輪 42 45 38.25 30 行星輪 40.5 43.5 36.75 35 內齒輪 123 120 119.25 35 （3）進行接觸和彎曲疲勞強度校核計算 表3-7 接觸強度有關系數(shù) 代號 名稱 說明 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 齒輪疲勞強度校核 外嚙合 查書式6-19、6-20, 計算接觸應力,用式6-21計算其需用應力,式中的參數(shù)和數(shù)值如表3-4 表3-8外嚙合接觸強度有關參數(shù)和系數(shù) 代號 名稱 說明 取值 使用系數(shù) 按中等沖擊查表6-5 1.25 動載系數(shù) 6級精度，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6-9，六級精度 1 行星輪間載 荷分布系數(shù) 行星架浮動，查表7-2 1.20 節(jié)點 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小時計算 ，按 圖6-18HRC=60,v=0.957,查表8-10 1 潤滑油系數(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 接觸應力基本值 接觸應力 許用接觸應力: / = 故,接觸強度通過 齒根彎曲疲勞強度 齒根彎曲疲勞應力及許用應力 用書6-34,、6-35、6-35、6-36計算并分別對太陽輪和行星輪進行校核。各項參數(shù)如表3-9： 表3-9 外嚙合齒根彎曲強度有關參數(shù)和系數(shù) 代號 名稱 說明 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 太陽輪應力修正系數(shù) 查圖6-27 1.57 太陽輪應力修正系數(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 試驗齒輪應力修正系數(shù) 按所給區(qū)域圖取 2 太陽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太陽輪： 彎曲應力基本值： = 彎曲應力： =.....Y= 故<, 彎曲強度通過 ②行星輪 =../bm=N/mm =./ = =..... = 故<,彎曲強度通過 內嚙合 ① 齒輪接觸疲勞強度 、仍用【5】式（6-19）、（6-20）、（6-21）計算，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齒根彎曲疲勞強度 只需計算內齒輪，計算公式仍為書（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<,彎曲強度通過 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 內齒輪1 77 1.25 96.25 93.75 99.375 20 太陽輪2 28 1.5 42 45 38.25 30 行星輪2 27 1.5 40.5 43.5 36.75 35 內齒輪2 82 1.5 123 120 126.75 35 3.1.1.2 軸上部件的設計計算與校核 （1）軸的計算 電動機轉矩輸入軸Ⅰ 1. 根據(jù)上面的計算得，與電動機相連的轉矩輸入軸Ⅰ的轉矩為 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號鋼,調質處理 取,于是得 4.軸的結構設計 與轉矩輸入軸相連的聯(lián)軸器型號選為為HL1型，軸孔直徑選為16mm，太陽輪與軸設計在一起，軸Ⅰ簡圖如下： 圖3-2 輸出軸的簡圖 5.軸Ⅰ的受力分析和校核 分析可知，軸Ⅰ上只有電機輸入的扭矩，該軸最小直徑為，則抗扭截面系數(shù)為 軸的最大切應力為< 所以該軸符合條件。 第一級行星輪軸Ⅱ的設計與校核 1．軸Ⅱ上的力 2. 按照許用切應力計算軸Ⅱ的最小直徑 45號鋼的許用切應力取為，則 得到軸的最小直徑為 第二級太陽輪軸Ⅲ的設計與校核 1. 根據(jù)上面的計算得，太陽輪軸Ⅲ的轉矩為 2..求齒輪上的力 3.初步確定軸的最小直徑 第二級太陽輪軸Ⅲ與第二級太陽輪設計在同一根軸上， 4.軸的結構設計 軸的左端為第二級太陽輪，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 第二級太陽輪軸的結構 第二級行星輪軸Ⅳ的設計與校核 1．軸Ⅳ上的力 2. 按照許用切應力計算軸Ⅳ的最小直徑 45號鋼的許用切應力取為，則 得到軸Ⅳ的最小直徑為 行星輪減速器的輸出軸Ⅴ的設計與校核 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 該軸右端通過矩形花鍵與行星架連接，軸的左端通過鍵與聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器的另一半連接執(zhí)行機構。其中聯(lián)軸器的型號選為YL8，軸孔直徑為32mm，長為60mm。 該軸的結構如下圖示： 圖3-4 軸Ⅴ的結構設計 3.2 水平方向角跟蹤裝置的設計 水平方向角的跟蹤采用步進電機帶動蝸輪蝸桿減速器，減速器輸出軸連接電池板的方式實現(xiàn)。采用蝸輪蝸桿減速器，不僅起到降低速度增大轉矩的功能，還可以利用其自鎖功能，防止大風等惡劣天氣對裝置的破壞。 3.2.1 蝸輪蝸桿減速器的設計 行星輪減速器與步進電機總質量約為40Kg，蝸輪蝸桿上部支撐桿的總質量約為100Kg，所以整個裝置的總質量合計為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為81220，其內徑d為100mm。 取推力圓柱滾子軸承的摩擦系數(shù)為0.004，所以步進電機要克服的摩擦力為F=11.2N，要克服的摩擦阻力距為Mf=560N.mm=0.56N.m，考慮過載情況等，將要克服的摩擦阻力距擴大二倍得 旋轉立柱需要克服的摩擦阻力距為，所以電機輸出的最小轉矩應該為 我們選用的步進電機為深圳眾為興生產的110BYGH250B型電機，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，有利于保障傳動的平穩(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號鋼，表面淬火處理。渦輪的材料為錫青銅，在滑動速度約為0.1m/s的條件下，查《機械設計手冊》表16.5-16，知當量摩擦角為4.5°，再查《機械設計手冊》16.5-6，我們選取蝸桿的頭數(shù)，渦輪的齒數(shù)為，傳動比為，模數(shù)為，無變位系數(shù)，導程角為 傳動零件的設計計算 選定蝸輪蝸桿類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1) 單級蝸輪蝸桿傳動 2) 蝸桿的材料為45號鋼，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，傳動比為，模數(shù)為，無變位系數(shù)，導程角為 確定許用應力 渦輪許用接觸應力 渦輪許用彎曲應力 其中查《機械設計手冊》表16.5-14，有 采用脂潤滑方式 ，得滑動速度影響系數(shù)。假定該設備使用壽命為5年，每年工作300天，每班工作12小時，JC=40%，工作環(huán)境溫度為350C，則可求得 齒輪應力循環(huán)次數(shù) 查《機械設計手冊》圖16.5-4得 則許用接觸應力