太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计

1、第期（总第期）年月机械工程与自动化文章编号：（）太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计张善文，张剑峰，陈思栋（扬州大学机械工程学院，江苏扬州）摘要：针对太阳光线跟踪问题设计了基于天文学参数的闭环控制系统。检测传感器采用太阳能电池片作为太阳光线的感光器件，调整太阳光线与电池板的垂直偏差。在太阳光线双轴跟踪装置的性能分析及机械系统参数计算的基础上，设计了太阳光线双轴跟踪系统的结构，并对系统关键部件进行了计算和选型。关键词：光线跟踪；太阳能；机械系统中图分类号：文献标识码：引言（）跟踪精度为±。太阳的平均角速度为。，即每隔太阳能电池板与太阳光线就有的偏差。因此，最多每隔就要调整一次太阳能电池板

2、的角度。（）跟踪能耗不能超过。太阳能作为一种可再生无污染的一次能源，能有效解决我们日益增长的能源需求问题。研究太阳光线跟踪系统，能提高太阳能的利用效率，促进太阳能的普及应用，改善能源利用的结构。本文根据太阳光线跟踪装置的工作原理及性能分析对其机械系统进行了详细设计。太阳光线智能跟踪装置工作原理及性能分析（）装置的刚度和强度能满足该装置最大抗风的要求，可实现级风自动放平功能。（）在满足以上性能的同时，尽量简化结构和加工工艺，进一步提高技术经济性，降低成本。跟踪装置机械系统设计传动方案与双轴系统方案太阳光线智能跟踪系统采用基于天文学参数的闭环控制系统。系统跟踪原理是：先根据太阳运行规律计算出一天内

3、某时刻太阳高度角口和方位角卢的理论值，驱动器根据理论值和跟踪检测的误差补偿值驱动电机，电机带动执行机构工作，从而调整太阳能电池板的角度，完成对太阳的跟踪。跟踪装置工作原理如图所示。传动机构通常有蜗轮蜗杆传动机构、普通齿轮传动机构、行星齿轮传动机构和谐波减速机构等。行星齿轮传动具有重量轻、体积小、传动效率高、传动比大、传动功率范围大等优点，但其价格比较贵，成本上不合算。谐波传动具有结构简单、重量轻、体积小、传动比范围大、承载能力高、损耗小、效率高、运动平稳无冲击等优点，但不能自锁。蜗轮蜗杆传动具有传动比大、降速快、能自锁的优点。齿轮传动具有传动比准确、传递扭矩大的优点。所以本装置选择蜗轮蜗杆和普

4、通齿轮二级传动方案，如图所示。该跟踪装置设有两根轴，具有两个转动自由度，竖直轴（垂直于地平面的传动轴）可实现方位角跟踪，水平轴（平行于地平面的传动轴）可实现高度角跟踪。该装置采用无刷直流电机驱动的智能控制，不需手动调整，而且能够根据太阳的运动轨迹发出跟踪信号对跟踪装置进行自动控制。通过双轴跟踪，使太阳能电池板保持与太阳光线垂直，最大效率地使用太阳能巧。图跟踪装置工作原理图太阳光线智能控制跟踪装置需要满足以下要求：（）方位角跟踪范围：。；高度角跟踪范围：。同时要避免极限位置锁死，不跟踪时装置具有锁紧功能。（）为防止跟踪角加速度过大，引起附加载荷过大，取平均跟踪角速度为。收稿开期：修回日期：作者简

5、介：张善文（一），男湖南邵阳人在读硕士研究生。万方数据机械工程与自动化年第期太阳能电池板托架结构设计太阳能跟踪装置所受的风载荷需根据太阳能电池板的布置来确定，太阳能电池板布置的方式有很多，如直板式、叠加式等，综合考虑其高抗风能力和结构紧凑性，本文采用直板式。太阳能电池板结构参数见表。在对该装置机械结构设计以前，先对太阳能电池板托架进行结构设计。八凡批。：，一博，一太阳能电池板框架；水平轴；一水平轴承一水平齿轮传动；水平蜗轮蜗杆减速器；水平无刷直流电机；一支架；竖直齿轮传动；竖直蜗轮蜗杆减速器；一竖直无刷直流电机；一竖直轴；一竖直轴承；一整体支座图跟踪装置传动方案示意图表太阳能电池板结构参数功率

6、（）组件尺寸（）重量（）块数××首先根据经验公式计算风压，再根据风压大小确定太阳能电池板装置框架选材及其结构外形。根据最大抗风的要求，计算得到的风压口。该装置要求太阳能电池板托架具有较大的刚度和强度，而可供选择的材料有角钢、方钢和槽钢等。根据太阳能电池板厚度为，综合考虑其成本，托架材料选用××冷弯等边槽钢。托架采用桁架设计，考虑到托架与水平空心轴的连接稳定性，在与水平空心轴的连接处采用钢板结构，通过增加与水平轴相交处局部钢板厚度和在个角落焊接个三角钢板支撑块，可降低局部应力，提高整体强度】，从而提高抗风能力。电池板安装托架整体三维结构如图所示。机械系统参

7、数设计传动比的确定本装置高度角和方位角的跟踪机构拟采用同样的传动原理，其传动机构简图见图。由于太阳能电池板相对太阳光线转动角度很小，跟踪装置的平均跟踪角速度为，要求电机转速万方数据不能太大，所以选取电机工作转速咒，则总传动比为。取齿轮传动比为。一（受结构尺寸所限不易取大），则蜗轮蜗杆减速器的传动比为。：铂。所选传动齿轮齿数分别为，确，模数，齿宽。选型双级蜗轮蜗杆减速器，具体参数见表。图太阳能电池板托架整体三维结构图图传动机构简图表型双级蜗轮蜗杆减速器参数参数名称数值输入功率（）输入转速（）输出转速（）输出转矩（）传动效率传动比根据蜗轮蜗杆减速器的输入功率，选无刷直流电机的功率为，转速为”，转动

8、惯量为。电机轴上等效负载转动惯量计算各传动件的转动惯量计算时，忽略蜗轮蜗杆减速器的转动惯量。根据齿轮结构可计算得到大、小齿轮的转动惯量分别为：。×叫，：×。单块太阳能电池板宽度。，太阳能电池板托架总宽度。，取一；单块太阳能电池长度，太阳能电池板托架总长度。，取。结构充实率一，太阳能电池板托架轮廓面积，则太阳能电池板托架迎风面积一×。太阳能电池板及托架总质量优，太阳能电池板及托架相对于竖直轴的转动惯量，。将各传动件转动惯量、太阳能电池板及托架转动惯年第期张善文等：太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计量折算到电动机轴上，其中，蜗轮减速器传动效率为，轴承和齿轮传动效率为，

9、总传动效率×西巧十两。，则等效负载转动惯量儿为：瞧。七代人已知数据计算，得，×。爱器电动机的转动惯量为，脚，则：÷：所以惯量匹配比较合理。载荷计算跟踪装置主要受风载荷、摩擦力、加减速时的惯性力及自身重力等作用。（）风载荷计算：根据风垂直作用在太阳能电池板及其托架上计算其风载荷。取风力系数，风压高度变化系数。一，风压，则风载荷××。其风扭矩地警一（）摩擦力矩计算：太阳能电池板及其托架所受风载荷一，轴承摩擦系数卢一，轴承内径（以直径最大的轴承作为参考对象）×，竖直轴上轴承摩擦力矩，：掣，取，。（）角加速度的计算：本文设定每次驱动的初始角速

10、度为叫。，运行角速度为，为保证平均角速度五一。，设置每次运动时间为，其中，加速时间，匀速运动时间，减速到停止时间。一，每次驱动的实际转角护。由公式口一××币瓦干硪双手而了瓣面。、，代入已知数据计算，得伊一。无刷直流电动机负载能力校验无刷直流电动机轴上的总惯量，村×××。启动时，电机轴上的惯性转矩一，×等效摩擦转矩丁，蔫一丽而一喵××。电机轴上。有风时，太阳能电池板产生的反扭矩。无风工作时，电动机轴上的总负载转；在最大风载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为。万方数据。电机额定转矩为）卯卯×需，。所以电机能

11、正常工作。能耗计算跟踪装置按每天工作计算。电机功率为。记方位角和高度角平均每天调整次数为次，每次调整所耗时间为，日平均跟踪能耗约为，跟踪能耗小于。各机械系统参数校验计算结果表明，太阳光线双轴跟踪装置可以满足各项设计要求，跟踪装置结构模型如图所示。图跟踪装置结构模型结束语本文根据跟踪装置的工作原理，进行了太阳光线智能控制跟踪装置的性能分析及参数计算，设计了太阳光线双轴跟踪系统的结构，对系统关键部件进行了计算和选型。所设计的跟踪装置考虑了经济性及适用性，提高了性价比，便于太阳能跟踪装置的推广应用。参考文献：徐东亮，任超太阳自动跟踪装置控制系统的研究机械工程与自动化（）：王志辉，史红霞，任超太阳自动

12、跟踪装置计算机控制系统机械制造，（）：孙茵茵自适应复精度太阳跟踪平台武汉；华中科技大学，：李建英，吕文华。贺晓雷，等一种智能型全自动太阳跟踪装置的机械设计太阳能学报。（）：万里瑞太阳能电池自动跟踪系统的设计机械工程与自动化，（）：成大先机械设计手册北京：化学工业出版社，刘树民，宏伟太阳能光伏发电系统的设计与施工北京：科学出版社，赵汝嘉机械结构有限元分析西安：西安交通大学出版社，王建江胡仁喜。刘英林，等结构与热力学有限元分析实例指导教程北京：机械工业出版社，？曾励机电一体化系统设计北京：高等教育出版社，（英文摘要转第页）蹭××：××；，得竖直轴角加速度护为

13、：折算到电机轴上；勾器一百嘉器勰一矩为。，机械工程与自动化年第期得车辆在行进换档过程中平稳无冲击，有良好的舒适性。和锁定阀由控制，其作用不但配合换档阀控制以实现不同档位，而且还起失电保护的作用。电磁阀控制对象也就是说当电磁阀均断电时，两个常开压力控制阀控制出来的油液经和锁定阀当时锁定的油路通道控制某两个离合器的工作而仍能让车辆继续行驶。档位袭电磁阀动作表类型常开常开常闭名称倒档空档档档档档档档或常闭常闭常闭锁定阀闽芯锁定阀锁定阀诊断阀常闭根据计算空档根据算空档根据计算档根据计算档失电后所处档位档档档档针对失电保护，以档为例来讲述，其他档位的失电保护读者可自行推断。当车辆以自动档档高速正常行驶时

14、，常开比例电磁阀、常闭比例电磁阀阀、常闭开关电磁阀通电，使得和所控制的换档阀工作；此时关闭，作用在和锁定阀阀芯上部液压油泄压，锁定阀在弹簧力的作用下向上移动，而锁定阀阀芯由于存在面积差，由所控制的换档阀出口油压作用在阀芯上而使其保持在下部，根据油路走向和离合器工作实现档。当所有电磁阀失电时，所控制的离合器退出工作，离合器仍然工作，常通比例电磁阀因失电使其控制的换档阀工作，此时锁定阀仍处在上部，锁定阀仍处在下部，由控制的换档阀出来的油液经过和锁定阀后作用至离合器，和离合器工作实现档，也断电，那么此时的档为由液力变扭器参与工作的档，车辆仍能继续行驶。结论本文论述了速自动变速箱液压控制系统的工作原理

15、和控制规律，并且分析了其失电保护，为以后的研究工作打下了坚实的基础。参考文献：丁华荣车辆动换档北京：北京理工大学出版社，余志生汽车理论北京：机械工业出版社，（，）：，：；！蔓！芒芒！芒芒芒！要要（上接第页），（，）：，：；万方数据太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：张善文， 张剑峰， 陈思栋， ZHANG Shan-wen， ZHANG Jian-feng， CHEN Si-dong扬州大学,机械工程学院,江苏,扬州,225127机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION2010，(4)

16、0次参考文献(10条)3.孙茵茵 自适应复精度太阳跟踪平台 20055.万里瑞 太阳能电池自动跟踪系统的设计 2008(3)6.成大先 机械设计手册 20088.赵汝嘉 机械结构有限元分析 199010.曾励 机电一体化系统设计 2004相似文献(10条)基于复合抛物面型集热(CPC)的光学特性,介绍了一种新型的选择性太阳光隧道,采用光线跟踪法分析并计算其冬夏两种工况下的光学特性.结果表明,选择性太阳光隧道利用冬夏两季太阳高度角的差异可实现不同的吸热效果,为设计改进太阳能集热器提供了理论依据.以DSP为主控制器设计太阳光线自动跟踪系统.采用简单的太阳位王算法粗略跟踪太阳光线;再利用光线跟踪传感

17、器精确跟踪.介绍模拟跟踪装置的组成、光线检测原理,并详细描述控制系统.该系统能在大范围内精确检测太阳光线入射角,并将信息实时返回至监控装置.由于跟踪传感装置结构简单、跟踪方法易于实现,且传惑器价格低康,有望应用于高聚光型太阳能发电系统.3.学位论文 夏小燕 大范围太阳光线跟踪传感器及跟踪方法的研究 2007在太阳能应用系统中，为了寻求一种结构简单、成本低廉且跟踪精度高的太阳跟踪装置，论文研究了用廉价光敏元件和单片机实现大范围太阳跟踪的问题。论文分析了太阳运行规律和跟踪装置各种可能的工作状态，在综合分析目前各种太阳能发电系统跟踪方法特点的基础上，提出了两级跟踪传感器方案。传统一级跟踪传感器可在一

18、定角度范围内实现高精度跟踪太阳。为了将跟踪范围扩大，课题在一级传感器精定位跟踪的基础上，增加了一组传感器进行粗定位跟踪。当跟踪传感器的中轴线与太阳光线的夹角很大时，先采用粗定位传感器跟踪太阳，直到中轴线与太阳光线的夹角在精定位跟踪角度范围内，再采用精定位传感器跟踪太阳，直到传感器跟踪装置的中轴线正对太阳，这样便实现了高精度、大范围太阳跟踪。通过对传感器跟踪装置所需要实现的功能分析，论文完成了传感器跟踪的硬件和软件设计，制作了一个简易试验装置，对该传感器跟踪装置进行了试验，试验结果分析表明，该传感器跟踪装置的精度可以达到22，高度角和方位角跟踪范围达到180°。最后分析了在各种天气状况

19、下，传感器的控制策略，使得跟踪传感器在各种状况下均能稳定的工作。两级传感器跟踪装置结构简单、成本低廉，可用于聚光光伏发电系统、碟式太阳能热发电系统和塔式太阳能热发电系统。采用光线跟踪法对旋转抛物面型聚光器进行光路分析,应用蒙特-卡罗法计算焦平面上的能流密度分布,考虑了聚光器表面形状误差、跟踪误差、接收器位置误差、接收器遮挡作用、太阳形状、漫反射和不同半张角的影响,并通过实例计算证明了该方法的正确性.该方法为系统的优化设计和接收面处能流密度的测量提供理论依据.利用光线跟踪法对配有多根真空管的复合抛物面集热器(CPC)各构件在不同入射角下吸收光能的情况进行了理论分析,对计算结果的合理性作了讨论,并

20、进行了实验研究.6.会议论文 高益兵.黄护林 一种新型碟式聚光器的设计与仿真模拟 2009本文针对理想碟式聚光器在工程运用中遇到的问题设计了一种新型的太阳能碟式聚光器，并结合它的光学特性，考虑太阳张角、镜面反射误差、接受面位置等因数，采用光线跟踪法对聚光器接受面的能流进行了数值模拟，为碟式聚光器的设计、改进和运用提供参考依据。7.学位论文 张晓东 复合抛物面型集热器性能研究 2006本文主要对复合抛物面型集热器(CPC)进行了性能研究和实验分析。首先建立太阳辐射强度的数学模型，对两种太阳辐射模型进行比较分析。计算了CPC集热器的倾角以及倾斜CPC表面的太阳辐射强度，为后期的实验工作做了准备。对

21、于应用于大型太阳能系统的CPC集热器阵列，提出计算其能量、集热器热损失系数、出口水温等参数的计算方法，并以某太阳能热水系统的CPC阵列为例进行了计算。对CPC太阳能热水器的经济性问题，与其他两种常见的常规能源热水器相比，CPC太阳能热水器具有良好的经济性。其次，用光线跟踪法对CPC集热器内光线进行了分析并提出基于蒙特卡罗法的CPC集热器内光线分析方法。对于光线跟踪法得出的吸收体上的过热点问题提出了改进的设计方法。最后，对平面吸收体型CPC进行设计并搭建了实验台，根据实验结果得出了吸收体上的温度分布图。通过分析吸收体平面上的温度数值分布及影响因素，从而为CPC集热器吸收体温度分布的进一步研究提供参考。光滑金属板的作为吸热板芯时,其吸收率取决于涂层的吸收率,而用表面多孔板作为吸热板芯时,其吸收率则取决于板孔隙率和孔尺寸与涂层的吸收率.作者通过光线跟踪法多孔板的光热性能作了简单的分析,并设想采用表面多孔金属板代替光滑板作为太阳能集热器吸热板芯.分析得知:多孔板等效吸收率高于同等条件下光滑板的吸收率.同时详细阐述了太阳能集热器的发展状况、种类、原理以及集热器的光热转换原理.9.学位论文 徐涛 槽式太阳能抛物面集热器光学性能研究 2009槽式太阳能抛物面集热器是槽式太阳能热发