【正文】 開(kāi)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)。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。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。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。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。目前，美國(guó)正在新建幾座新的太陽(yáng)能電站。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[14]。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)。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。全國(guó)從事太陽(yáng)能熱水器研制、生產(chǎn)、銷(xiāo)售和安裝的企業(yè)達(dá)1000余家，年產(chǎn)值20億元。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。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。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。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。目前[17]，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(kāi)環(huán)的程控系統(tǒng)。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。(3)分析傳感器工作原理，分析該傳感器大范圍、高精度跟蹤的可行性，還要設(shè)計(jì)光電轉(zhuǎn)換電路。(5)設(shè)計(jì)控制方案，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路。第二章,主要是對(duì)太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，確定了系統(tǒng)的追蹤方式。第四章,自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),光電轉(zhuǎn)換器,單片機(jī)及其外圍電路,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路。2太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了太陽(yáng)位置相對(duì)于地面靜止物體的運(yùn)動(dòng)。地球極軸和黃道天球極軸存在的一個(gè)27度的夾角，引起了太陽(yáng)赤緯角在一年中的變化。根據(jù)分析以前的跟蹤器機(jī)械執(zhí)行部分的問(wèn)題，以及成本等各個(gè)方面考慮，有以下幾種跟蹤器。馬達(dá)1固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上，轉(zhuǎn)動(dòng)架以及支架固定安裝在主軸上，接收器、馬達(dá)2安裝在支架上面(接收器相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)2的輸出軸連接在接收器上。使得小齒輪自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，因此帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)架以及固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上的主軸、支架以及接收器轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)接收器相對(duì)與支架轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá)馬達(dá)2的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤。對(duì)于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳動(dòng)，能在使用功率較小的馬達(dá)的同時(shí)傳遞足夠大的動(dòng)力，使用功率較小的馬達(dá)降低了其能源成本和制造成本。傳動(dòng)裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)架下。圖22陀螺儀式跟蹤器跟蹤器的結(jié)構(gòu)[20]：傳動(dòng)箱1固定安裝在支架上，馬達(dá)1安裝在傳動(dòng)箱1上，傳動(dòng)箱1的內(nèi)部是由蝸桿、蝸輪組成的運(yùn)動(dòng)副，馬達(dá)1的輸出軸連接蝸桿，環(huán)形支架安裝在支架上面(環(huán)形支架相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，傳動(dòng)箱1的輸出軸連接環(huán)形支架，傳動(dòng)箱2固定安裝在環(huán)形支架上，馬達(dá)2安裝在傳動(dòng)箱2上，傳動(dòng)箱2內(nèi)也是由蝸桿、蝸輪組成的運(yùn)動(dòng)副。該跟蹤器可以選擇不同朝向安裝，當(dāng)按照上圖的朝向進(jìn)行安裝時(shí)，跟蹤器跟蹤的實(shí)現(xiàn)原理如下：當(dāng)太陽(yáng)光線(xiàn)發(fā)生偏移時(shí)，控制部分發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)傳動(dòng)箱2中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再輸出帶動(dòng)接收器相對(duì)于環(huán)形支架轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)由東向西的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)控制部分也發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)由馬達(dá)1帶動(dòng)傳動(dòng)箱1中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再輸出帶動(dòng)環(huán)形支架和接收器轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)南北方向的運(yùn)動(dòng)，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的兩個(gè)方向的跟蹤。對(duì)于兩個(gè)方向的跟蹤，都利用蝸桿、蝸輪副傳動(dòng)，在緊湊的結(jié)構(gòu)下得到很大的傳動(dòng)比，能使用功率很小的馬達(dá)同時(shí)傳遞足夠的動(dòng)力，使用功率小的馬達(dá)降低了其能源成本和制造成本；蝸桿、蝸輪副的自鎖性能好，能防風(fēng)防雨。傳動(dòng)裝置設(shè)置在傳動(dòng)箱內(nèi)，受到了較好的保護(hù)，提高了裝置的壽命。齒圈1連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達(dá)2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈2嚙合，齒圈2連接著轉(zhuǎn)動(dòng)架，轉(zhuǎn)動(dòng)架安裝在主軸上(轉(zhuǎn)動(dòng)架相對(duì)于主軸可以轉(zhuǎn)動(dòng))?？刂撇糠职l(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)齒圈1和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)小齒輪2。圖23齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤器系統(tǒng)特點(diǎn)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)空間大。把齒輪連接著主軸上，主軸安裝在支架上(主軸相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，馬達(dá)2安裝在主軸前端的一塊板上，馬達(dá)2的輸出軸連接小齒輪2，小齒輪2與齒圈嚙合，齒圈連接著太陽(yáng)能板，轉(zhuǎn)動(dòng)架安裝在主軸上。控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)小齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)小齒輪2。目前國(guó)內(nèi)外采用的跟蹤太陽(yáng)的方法有很多，但不外乎三種方式[22]: (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。不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽(yáng)運(yùn)行的位置變化都是可以預(yù)測(cè)的，通過(guò)數(shù)學(xué)上對(duì)太陽(yáng)軌跡的預(yù)測(cè)可完成對(duì)日跟蹤。而在赤道坐標(biāo)系中赤緯角和時(shí)角在日地相對(duì)運(yùn)動(dòng)中任何時(shí)刻的具體值卻嚴(yán)格已知，同時(shí)赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，于是通過(guò)天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽(yáng)和觀測(cè)者位置之間的關(guān)系[23]。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng)(GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時(shí)間參數(shù)來(lái)確定即時(shí)的太陽(yáng)位置，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位和跟蹤的高準(zhǔn)確性和高可靠性。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向變化。 參考目前世界通用的算法，涉及到赤緯角和時(shí)角的大致有二種算法[24]:算法l，采用中國(guó)國(guó)家氣象局氣象輻射觀測(cè)方法；算法2，采用世界氣象組織氣象和觀測(cè)方法。而且這種跟蹤裝置為開(kāi)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。初始化安裝時(shí)，儀器的中心南北線(xiàn)與觀測(cè)點(diǎn)的地理南北線(xiàn)要求重合。傳統(tǒng)的光電跟蹤是采用一級(jí)傳感器跟蹤方式，這種跟蹤系統(tǒng)，[25]原則上由三大部件組成:位置檢測(cè)器、控制組件、跟蹤頭。位置檢測(cè)器主要由性能經(jīng)過(guò)挑選的光敏傳感器組成，如四象限光電池、光敏電阻等。圖25跟蹤系統(tǒng)框圖下面對(duì)2001年《應(yīng)用光學(xué)》雜志介紹的一種五象限法太陽(yáng)跟蹤儀做一簡(jiǎn)單介紹[26]，下圖為五象限光電轉(zhuǎn)換器原理。每象限的分界線(xiàn)與X軸均成45度，小圓為第V像限。將5片面積、性能、參數(shù)相同的光電池安裝在所設(shè)計(jì)的5個(gè)象限內(nèi)，當(dāng)陽(yáng)光照射到5片光電池上時(shí)必然產(chǎn)生光電流，光電流強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比。當(dāng)光線(xiàn)經(jīng)過(guò)透鏡照到鏡筒底部的5片光電池上時(shí)，調(diào)節(jié)筒的長(zhǎng)度，使光斑正好完全覆蓋5片光電池。陰影部分為光線(xiàn)照到的部分，此時(shí)有的光電池不能被光斑完全覆蓋，因此各光電池產(chǎn)生的光電流不盡相同，將光電流差經(jīng)過(guò)一系列處理后輸入到跟蹤頭，驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作,調(diào)節(jié)跟蹤裝置,直到4個(gè)象限光電池輸出的光電流相等，此時(shí)太陽(yáng)光線(xiàn)與透鏡光軸平行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)動(dòng)作。將第V象限的電壓V1與外來(lái)控制電壓V2進(jìn)行比較，可選擇合適的V1控制測(cè)量跟蹤裝置的工作狀態(tài)，在夜晚時(shí)V2V1，裝置停止工作；在有太陽(yáng)光時(shí)V1V2，裝置正常工作。系統(tǒng)的位置精度，基本決定于傳感器的精度，因此能夠比較容易實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置具有較高的精確度，光電池只要能捕捉到透鏡聚焦的光斑就可以跟蹤太陽(yáng)，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。因而該種跟蹤裝置只能在一定的角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤，其跟蹤范圍跟鏡筒結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此使用程序跟蹤方法時(shí)，需要定期的人為調(diào)整跟蹤裝置的方向。特別是多云天氣會(huì)試圖跟蹤云層邊緣的亮點(diǎn)，電機(jī)往復(fù)運(yùn)行，造成了能源的浪費(fèi)和部件的額外磨損。在視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上加兩個(gè)高精度角度傳感器。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。但計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，高精度角度傳感器成本也很高，對(duì)于需要降低成本的小型太陽(yáng)能利用裝置來(lái)講，該種跟蹤方式并不十分適用。本設(shè)計(jì)的光敏器件選為光敏電阻。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)。3機(jī)械設(shè)計(jì)部分圖31自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：步進(jìn)電機(jī) 1固定在支架上，步進(jìn)電機(jī)1的輸出軸連接小齒輪1，小齒輪1與大齒輪嚙合。機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的原理：當(dāng)太陽(yáng)光線(xiàn)發(fā)生偏離時(shí)。齒圈及齒輪的材料選用滲碳鋼，熱處理為滲碳淬火。一般齒輪齒數(shù)Z1=25，分度圓螺旋角=8到15度 。分度圓直徑： 小齒輪直徑 ， 取d1=100mm。 式（）取齒寬系數(shù)=b==100=120則取大齒輪寬度b2=120,小齒輪寬度b1=125。 查文獻(xiàn)[28] =。 式（）式中圓周力； 端面重合度； 重合度系數(shù)。查文獻(xiàn)[28] 。 總工作時(shí)間Th=103602=7200h。 式()接觸壽命系數(shù)ZN:查文獻(xiàn)[28] = ， = 。 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算重合度系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù) 式()則齒向載荷分布系數(shù) =載荷系數(shù)K 式()齒型系數(shù) YFa:查文獻(xiàn)[28]：應(yīng)力修正系數(shù)Ysa:查文獻(xiàn)[28]：彎曲疲勞極限:查文獻(xiàn)[28] 得1=600MPa ,2=450MPa 。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)　　 式() 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 許用彎曲應(yīng)力 式()驗(yàn)算許用彎曲應(yīng)力 式()齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算滿(mǎn)足。初選模數(shù)m=3mm,轉(zhuǎn)動(dòng)比i=4。初選Z1=30，=15度，則Z2=iZ1=4*30=120。大齒輪 ， 取d2=500mm。齒頂高 齒根高齒高查文獻(xiàn)[28]＝。 查文獻(xiàn)[28] =400 。查文獻(xiàn)[28]＝。 總工作時(shí)間Th=103602=7200h。 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 許用接觸應(yīng)力驗(yàn)算許用接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整。 應(yīng)力修正系數(shù)Ysa:查文獻(xiàn)[28]=,Ysa2= 。 查文獻(xiàn)[28] 。 式（） 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。許用彎曲應(yīng)力 式 ()驗(yàn)算彎曲應(yīng)力 式()齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足。試取=180度計(jì)算軸承壓強(qiáng) 式()軸承速度 式()PV值 式()軸承材料:選ZCrSn10P1最大許用值[P]=15MPa，[v]=10m/s，[PV]=15m/s，最高工作溫度280，最高軸頸硬度200HB，抗咬合性3，順應(yīng)性/嵌藏性5，耐蝕性1，耐疲勞性1。設(shè)平均油溫t=50 度。承載能力計(jì)算相對(duì)間隙 式()取軸轉(zhuǎn)速