【正文】 ………… 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。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 。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。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。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。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。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)。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。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 %)。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。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《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 。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。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)。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。上午為正，下午為負(fù)。 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。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。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 。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?；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)。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。 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。 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。 ○ 2 工作機(jī)的速度不大，故選用 7級(jí)精度（ GB1009588）。 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)。 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。 (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。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 。 齒 根 圓 直 徑 分度圓導(dǎo)程角 蝸桿軸向齒厚。 。減速箱中安裝了 步進(jìn)電機(jī)、蝸桿、蝸輪、小齒輪、大齒輪、凸輪構(gòu)成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。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。 齒根高。 壽命系數(shù) [ ]=56 彎曲強(qiáng)度是滿足的。 ○ 3 材料選擇。 6) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 5) 查取齒形系數(shù)。 凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 電池板支架與凸輪之間的運(yùn)動(dòng)選為對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)，并選定該推桿的運(yùn)動(dòng)要求為 :當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò) 90 時(shí)，推桿上升 50mm，凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò) 90 時(shí)，推桿停止不動(dòng)；推論再繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò) 60 時(shí)，推桿下降 50mm，凸輪轉(zhuǎn)過(guò)其余角度時(shí)，推桿又停止不動(dòng)。凸輪的輪廓曲線如下圖 34所示。 在本文中，首先討論了太陽(yáng)能利用的一些現(xiàn)狀，諸如目前世界上的能源利用楊李艷：太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 46 狀況、太陽(yáng)能的特點(diǎn)以及其與目前主流的常規(guī)能源相比的一些優(yōu)勢(shì)、太陽(yáng)能在國(guó)內(nèi)外的利用情況，并且敘述了目前的幾種太陽(yáng)能采集裝置以及目前幾種比較常用的太陽(yáng)光照跟蹤方法，從而對(duì)太陽(yáng)能利用及其跟蹤方面有了一個(gè)比較清楚的了解。 謝 辭 四年的大學(xué)生活即將結(jié)束 ,在此我衷心地感謝各位曾經(jīng)指導(dǎo)我?guī)椭业睦蠋?,特別是我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師 繆鵬程老師和輔導(dǎo)員沈武群 老師 , 在他們的耐心教導(dǎo)和無(wú)私幫助下，我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，同時(shí)他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和謙和蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 47 的為人給我留下了深刻的印象。同時(shí)，我們也意識(shí)到了畢業(yè)計(jì)在學(xué)習(xí)過(guò)程中的重要地位，設(shè)計(jì)可以看作是汲取專業(yè)知識(shí)的主要渠道，它給我們留下了廣闊的思維空間，在設(shè)計(jì)中，學(xué)生有問(wèn)題可發(fā)現(xiàn)，有問(wèn)題可思考，有問(wèn)題可研究，也有教師可咨詢，既汲取了更完整的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)了獨(dú)立操作的能力。之后分別對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方位角和高度角的自動(dòng)跟蹤進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)中用到的主要器件步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿、直齒圓柱齒輪 及凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了選型。通過(guò)兩個(gè)減速裝置對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換，使該裝置東西向能夠進(jìn)行360176。其次選定推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪工作條件適于中低速輕載，因?yàn)榈人龠\(yùn)動(dòng)規(guī)律其蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 推桿在運(yùn)動(dòng)開始和終止的瞬間，速度有突變，這時(shí)推桿在理論上將出現(xiàn)無(wú)窮大的加速度和慣性力，因而會(huì)使凸輪機(jī)構(gòu)受到極大的沖擊，所以為避免凸輪受剛性沖擊且考慮其運(yùn)動(dòng)速度不高、保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和工作精度，推程運(yùn)動(dòng)規(guī)律選用等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律也選用等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 6) 查取應(yīng)力校正系數(shù)。 = 2) 計(jì)算圓周速度 v。 ○ 4 選小齒輪 ,大齒輪齒數(shù) 取 。 。 齒根圓直徑 分度圓導(dǎo)程角 蝸桿軸向齒厚。由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十一章 )查得 ，傳動(dòng)中心距 ○ 1 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 按 估取蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率 ，聯(lián)軸器傳動(dòng)效率為 。 19電機(jī)； 20蝸桿； 21小齒輪； 2 24軸； 23蝸輪； 25大齒輪； 26凸輪。代入式中得 ,小于原估計(jì)值，代入重算得 小于所取中心距100mm。 楊李艷：太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 26 蝸輪分度圓直徑 蝸輪齒頂高 。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N=60j 壽命系數(shù)： = 則 [ ]= = 268= ○ 6 計(jì)算中心距 mm= 取中心距 a=100mm,因 i=20,故從 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十一章 )， 中取 m=4mm,蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 蝸桿分度圓直徑 這時(shí) ,從 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十一章 )插圖中 ， 可查得接觸系數(shù) 因此上述計(jì)算結(jié)果均可用。 (2) 選擇材料 考慮到蝸桿傳動(dòng)功率不大，速度只是中等，故蝸桿用 45鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為 45 HRC。 由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )查得 。 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 (第八版第十章 )得 ○ 2 計(jì)算 1) 試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 [ ]中較小的值。由 (第八版第十章 )選擇小齒輪材料為 40Cr(調(diào)質(zhì) )，硬度為280HBS，大齒輪材料為 45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。齒輪 13固定在連接軸 14中部，連接軸通過(guò)軸承安裝在減速箱體上，蝸輪 16固定在主軸 4上 ，主軸 的中部通過(guò)軸承安裝一個(gè)減速箱體 ，主軸的下端固定在支座 2上，支柱 6的下端固定在上平臺(tái) 上，支柱 6的上端通過(guò)銷軸 7與電池板支 架連接。在參考了步進(jìn)電機(jī)廠家的相關(guān)資料后，決定選用細(xì)分后步距角為 的步進(jìn)電機(jī)。 然后要計(jì)算需要的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)指完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)。而且如果停機(jī)后某些相仍 保持通電狀態(tài)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還具有自鎖能力。 在介紹步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)之前，先討論一下步進(jìn)電機(jī)的特性。此結(jié)構(gòu)在東西向和南北向都有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)空間，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗材較少，比較適合小型的太陽(yáng)能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)。 3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全自動(dòng)跟蹤，使太陽(yáng)能板自動(dòng)準(zhǔn)確的跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)， 這 就必須使太陽(yáng)能板裝置具有跟蹤功能。 正午時(shí) ， ， ， (23)式可以簡(jiǎn)化為： 楊李艷：太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 12 因?yàn)椋?，所以 ： （ 24） 正午時(shí)，若太陽(yáng)在天頂以南，即 ，取 從而有 : （ 25） 在南北回歸線內(nèi)，有時(shí)正午時(shí)太陽(yáng)正對(duì)天頂，則有 = ，從而 。 太陽(yáng)高度角和方位角的確定 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 Coper方程 太陽(yáng)光線與地球赤道面的交角就是太陽(yáng)的赤緯角，以占表示。春分過(guò)后，太陽(yáng)的生落點(diǎn)逐日移向北方，白晝時(shí)間增長(zhǎng)，黑夜時(shí)間縮短，正午時(shí)太陽(yáng)的高度逐日增加。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面 (黃道面 )法線傾斜成 23176。目前太陽(yáng)跟蹤裝置主要有電子跟蹤類、機(jī)械跟蹤類、還有 GPS 追蹤類。 1998年美國(guó)加州成功的研究了八 JM兩軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的涅耳透鏡，這樣可 以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多能量，使熱收率進(jìn)一