【正文】 的形勢(shì)很嚴(yán)峻，當(dāng)前世界多數(shù)國(guó)家對(duì)能源問(wèn)題都很重視。現(xiàn)在人們常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。 溫室效應(yīng) 化石能源的利用產(chǎn)生大量的溫室氣體而導(dǎo)致溫室效應(yīng)，引起全 球氣候變化。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展得越快，人類對(duì)能源的需求就越大，利用能源時(shí)可能對(duì)環(huán)境造成較大程度的破壞。 Sun Angle。然后 嘗試設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光照射角度的雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)以提高太陽(yáng)能電池的光 電轉(zhuǎn)化率。研究精確的太陽(yáng)跟蹤裝置，可使太陽(yáng)能采光板的熱接受率大大提高，從而可提高太陽(yáng)能的利用效率，拓寬太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 系 別 ： 機(jī)械與電子工程系 專業(yè)（班級(jí)）： 08 級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 (1)班 作者（學(xué)號(hào)） ： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 目 錄 中文摘要 ……………………………………………………………………………………… 1 英文摘要 ……………………………………………………………………………………… 2 1 概述 ………………………………………………………………………………………… 3 能源與環(huán)保 ……………………………………………………………………………… 3 太陽(yáng)能的特點(diǎn) ……………………………………………………………………4 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能應(yīng)用的現(xiàn)狀 …………………………………………………………… 5 太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀 …………………………………………………………6 2 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的理論基礎(chǔ) ……………………………………………………………… 10 地球圍繞太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律 …………………………………………………………… 10 太陽(yáng)高度角和方位角的確定 ………………………………………………………… 10 3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………… 13 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì) …………………………………………………… ……13 步進(jìn)電機(jī) ……………………………………………………………………… 14 步進(jìn)電機(jī)的概述 …………………………………………………………… 14 步進(jìn)電機(jī)的選擇 …………………………………………………………… 15 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤方位角部分的設(shè)計(jì) ……………………………………………… 16 步進(jìn) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速的計(jì)算 ……………………………………………………17 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 …………………………………………………………18 蝸輪蝸桿的選擇 ……………………………………………………………21 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤高度角部分的設(shè)計(jì) …………………………………………24 步進(jìn) 電機(jī)的 轉(zhuǎn)速的計(jì)算 ……………………………………………………25 蝸輪蝸桿的選擇 ……………………………………………………………25 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 ……………………………………………………………28 凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 …………………………………………………………… 32 本章小結(jié) ………………………………………………………… …… ………36 結(jié)論 ………………………………………………………………………………………… 37 謝辭 ……………………………………………………………………………………………… 38 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………… 39 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 太陽(yáng)能電池板 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 摘 要 ： 太陽(yáng)能作為一種潔凈的能源，既是一次能源，又是可再生能源，有著化石能源無(wú)法比擬的優(yōu)越性。 在太陽(yáng)能發(fā)電中，電池板受光面與太陽(yáng)光線的角度是決定太陽(yáng)能發(fā)電效率的關(guān)鍵因素 。該系統(tǒng)是以凸輪機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿為核心，利用太陽(yáng)軌道公式進(jìn)行太陽(yáng)高度角及方位角計(jì)算，并借助兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)工作來(lái)實(shí)現(xiàn) 雙軸跟蹤系統(tǒng)，使太陽(yáng)能電池板始終垂直于太陽(yáng)入射光線，從而提高太陽(yáng)能的吸收效率 。 Cam Mechanism。目前世界的主要能源是由吸收太陽(yáng)能的植物經(jīng)億萬(wàn)年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等。這一問(wèn)題己提到全球的議事日程，有關(guān)國(guó)際組織己召開多次會(huì)議，限制各國(guó) COZ等溫室氣體的排放量。占人們能源消費(fèi)的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。新能源技術(shù)及節(jié)能技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。煤炭，石油都是古時(shí)候由動(dòng)物或植物存儲(chǔ)下來(lái)的太陽(yáng)能。有如下的優(yōu)點(diǎn) : 儲(chǔ)量的“無(wú)限性” 太陽(yáng)能是取之不盡的可再生能源，可利用能量巨大。太陽(yáng)的壽命至少尚有 40億年，相對(duì)于人類歷史來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)可源源不斷供給地球能源的時(shí)間可以是無(wú)限的。這就為常規(guī)能源缺乏的國(guó)家和地區(qū)解決能源問(wèn)題提供了美好前景。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽(yáng)能的技術(shù)突破，太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)。全國(guó)各地太陽(yáng)能輻射量為 3340 8400MJ/( a)，中值為 5852MJ/（ m2 a）。光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池這種半導(dǎo)體器件吸收太陽(yáng)光輻射能，使之轉(zhuǎn)化成電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電是當(dāng)今太陽(yáng)能發(fā)電的主流。歐盟的可再生能源白皮書及相伴隨的 “ 起飛 運(yùn)動(dòng) ” 是驅(qū)動(dòng)歐洲光伏發(fā)展的里程碑，總目標(biāo)是 20xx年光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3GW。預(yù)測(cè)未來(lái) 10年仍將保持 10%或稍高的發(fā)展水平，達(dá)到 (約 %)。目前我國(guó)已建成的較大的光伏電站有西藏雙湖 25千瓦光伏電站，西藏安多 100千瓦光伏電站以及目前中國(guó)最大的新疆北塔山牧場(chǎng) 150千瓦太陽(yáng)能光伏電站等。從國(guó)家發(fā)改委制定的中長(zhǎng)期規(guī)劃看， 20xx2020年每年的平均裝機(jī)容量約 60MW。 (1) 單軸跟蹤一般采用 ： 傾斜布置東西跟蹤 ； 焦線南北水平布置，東西跟蹤 ；焦線東西水平布置，南北跟蹤。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的主光軸平行，接收太陽(yáng)能的效果并不理想。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過(guò)極軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計(jì)比較困難。這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟蹤精度高，而且太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比。 1994年在德國(guó)北部，太陽(yáng)能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽(yáng)能跟蹤裝置 1321。 1994年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單軸跟蹤，國(guó)家氣象局計(jì)量站在 1990 年研制了 FST型全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽(yáng)輻射 。本文采用的跟蹤方式是視日軌跡跟蹤控制策略，用較為簡(jiǎn)單的凸輪推桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) “ 二維 驅(qū)動(dòng)，雙向跟蹤 ” 。每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為 24h，所以地球每個(gè)小時(shí)自轉(zhuǎn) 15176。的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽(yáng)出于正東而沒(méi)于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。夏至過(guò)后，太陽(yáng)正午高度逐日降低，同時(shí)白晝縮短，太陽(yáng)的升落又趨向正東和正西。冬至日 (12月 2日 )，太陽(yáng)正午高度達(dá)最小值，黑夜最長(zhǎng)，這時(shí)地球北半球天文冬季開始。夏天最大變化到夏至日的+ 。上午為正，下午為負(fù)。 (3) 日照時(shí)間 太陽(yáng)在地平線的出沒(méi)瞬間，其太陽(yáng)高度角 。 一天中可能的日照時(shí)間由下式給出 （ 210） 利用太陽(yáng)高度角和方位角的數(shù)學(xué)模型，就可以在固定緯度，固定時(shí)段計(jì)算出太陽(yáng)在此條件下的方位。這兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置可以沿方位方向和高度方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置沿這兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上要做到結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，選件不能過(guò)楊李艷：太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 14 大臃腫，在同等條件下，盡量選用小型的構(gòu)件。 在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的組成中，底座主要由普通的鋼材加工而成，便于拆卸和移動(dòng)。并且 ，太陽(yáng)的角度控制要求精確，要合理的選取渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比 。 圖 31 機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)圖 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的控制電機(jī)。這種精確的角度運(yùn)動(dòng)可隨每一個(gè)輸入步進(jìn)指令重復(fù)， 從而使其轉(zhuǎn)子可在任一方向上精確定位。 從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型，電 磁式步進(jìn)電機(jī)最為常見?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)則是綜合了反應(yīng) 式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，即不僅定子和轉(zhuǎn)子上開了很多小槽，同時(shí)其磁路內(nèi)含有 永久磁鋼，這使得混合式步進(jìn)電機(jī)不僅可以像反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)那樣小步距的轉(zhuǎn)動(dòng)， 也具有永磁式控制功率小動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的選擇 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)首先要知道機(jī)械和時(shí)間二個(gè)方面的要素。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的細(xì)分功能，我們?cè)诟┭鲚S與電機(jī) 19 的輸出軸之間采用了減速 比為 1:80 裝置。 一負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 。 在設(shè)計(jì)中，考慮到裝置的摩擦很小，采光板的質(zhì)量相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)架很小，且在后面利用求圓柱體的慣量公式近似估算轉(zhuǎn)動(dòng)架的慣量時(shí)已有很大的冗余，因此設(shè)定，采光板的慣量為 0。 電機(jī) 19 輸出軸上的慣量為 : 電機(jī) 19 輸出軸的加速轉(zhuǎn)矩為： 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 因此電機(jī) 18 和電機(jī) 19 帶載運(yùn)行所需要的轉(zhuǎn)矩分別為 和。 表 31 步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 步距角 （ ） 相電流 （ A） 保持轉(zhuǎn)矩（） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （ g） 重量 (kg) 外形尺寸 （ mm） 56BYG250D0241 2 460 1 56BYG250C0241 2 260 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)方位角部分的設(shè)計(jì) 下 圖 32為太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)跟蹤方位角的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)的俯視圖。 A — A1 11 21 31 41 51 61 71 8 1 13齒輪； 14連接軸； 16蝸輪； 17蝸桿； 18步進(jìn) 電機(jī) 圖 33 跟蹤系統(tǒng)跟蹤方位角減速箱中設(shè)計(jì)的俯視圖 太陽(yáng)從早上六點(diǎn)開始升起，到晚上六點(diǎn)下山，中間十二個(gè)小時(shí)為日照時(shí)間。 ○ 2 工作機(jī)的速度不大，故選用 7級(jí)精度（ GB1009588）。 (2) 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 由 《機(jī)械 設(shè)計(jì) 》 (第八版第十章 )計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即 ○ 1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1) 試選載荷系數(shù) 。 6) 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 7) 由 《 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 》 ( 第 八 版 第 十 章 ) 取 接 觸 疲 勞 壽 命 系 數(shù)。 V= 30/(60 )=3) 計(jì)算齒寬 b。 m= . (3) 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 ○ 1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1) 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限大齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限 2) 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )取彎曲疲勞壽命系數(shù) 3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲安全疲勞系數(shù) S=，由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )得 4) 計(jì)算載荷系數(shù) K。 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )查得 。 (4) 幾何尺寸計(jì) 算 ○ 1 計(jì) 算 分 度 圓 直 徑 ○ 2 計(jì) 算 中 心 距 ○ 3 計(jì)算齒輪寬度 b= 取。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵 HT100制造。所以作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 ○ 2 確定載荷系數(shù) K 因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù) ；由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第楊李艷：太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 24 八版第十一章 )， 選取使用系數(shù) ；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載荷 則 ○ 3 確定彈性影響系數(shù) 因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故 ○ 4 確定接觸系數(shù) 先假定蝸桿分度圓直徑 和傳動(dòng)中心距 a的比值 =,從 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十一章 )， 中可查得 。 直徑系數(shù) q=10。 齒 根 圓 直 徑 分度圓導(dǎo)程角 蝸桿軸向齒厚。 蝸輪喉圓直徑 +2 =164+2