【正文】 ，地球上絕大部分能源歸根究底是來自太陽的。全世界人們一年所用的各種能量之和也只有到達(dá)地球表面的太陽能的數(shù)萬分之一，因此利用太陽能的潛力是十分大的。 太陽輻射能與煤炭，石油，核能相比較。太陽放射的總輻射能量大約是 X 1021 kW，極其巨大的。在到達(dá)地球表面的太陽輻射能中，到達(dá)地球陸地表面的輻射能大約為 1013kW，相當(dāng)于目前全世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的三萬五千多倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的 “ 無限性 ” ，取之不盡，用之不竭。 存在的普遍性 雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻但相對于蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。 利用的清潔性 太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲量的無限性，是人類理想的替代能源。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何 “ 稅 ” ，可以隨地取用 ； 二是在目 前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽能利用己具經(jīng)濟(jì)性。 國內(nèi)外太陽能利用的現(xiàn)狀 我國地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。在我國廣闊富饒的土地上，有著十分豐富的太陽能資源。我國太陽能資源豐富和比較豐富的 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 類地區(qū)，年日照時數(shù)大于 2200h，太陽輻射總量高于 50165852MJ/（ m2 a），面積約占全國總面積的 2/3以上。太陽能發(fā)電又分為光伏發(fā)電，光化學(xué)發(fā)電，光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。世界光伏產(chǎn)業(yè)從 1999年的 201MW增加到 2021年的 1100MW。日本通產(chǎn)省 (MITI)第二次新能源分委會宣布了光伏、風(fēng)能和太陽熱利用計劃， 2021年光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到 5GW。美國能源部制定了從 2021年 1月 1日開始的 5年國家光伏計劃和 2020～ 2030年的長期規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)美國能源、環(huán)境、社會發(fā)展和保持光伏產(chǎn)業(yè)世界領(lǐng)導(dǎo)地位的戰(zhàn)略目標(biāo)。發(fā)展中蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 國家的光伏產(chǎn)業(yè) 近幾年一直保持世界光伏組件產(chǎn)量的 10%左右。其中印度近幾年發(fā)展迅速，居發(fā)展中國家領(lǐng)先地位，目前光伏系統(tǒng)的年生產(chǎn)量約 10MW，累計安裝量 40～50MW。 太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的重要方式， 隨著國家西部開發(fā)政策的推行及光明工程的實(shí)施， 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)取得了較快發(fā)展。這些電站都建在光照充足，地理位置偏僻，電網(wǎng)不能到達(dá)的地區(qū)。 2021年我國系統(tǒng)累計裝機(jī)容量為 70MW，《中華人民共和國可再生能源法》，承諾 2021年太陽能光伏累計裝機(jī)容量 450MW。 雖然我國太陽能發(fā)電水平有了相當(dāng)程度的提高，但是離大規(guī)模的應(yīng)用推廣還有很大的距離，光 伏產(chǎn)業(yè)還處于成長期。 太陽能跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀 現(xiàn)階段國內(nèi)外已經(jīng)有的跟蹤裝置的跟蹤方式可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種 。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動的南北向或東西向跟蹤，工作原理基本相似。采用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時太陽能接收率最大 ， 而在早上或下午太陽光線都是斜射。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 11 單軸焦線東西水平布置（南北跟蹤） (2) 雙軸跟蹤又可以分為兩種方式 :極軸式全跟蹤和高度一方位角式全跟蹤。工作時太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面繞極軸運(yùn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反用以跟蹤太陽方位角 :反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動是為了適應(yīng)太陽高度角的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整。 圖 12 極軸式跟蹤 高度 角 方位角式太陽跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤，其原理如圖 13所示。工作時太陽能 設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分根據(jù)太陽的視日運(yùn)動繞方位蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動改變太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的傾斜角，從而使能量轉(zhuǎn)換部分所在平面的主光軸始終與太陽光線平行。 圖 13 高度 方位角式全跟蹤 目前 ， 國外對于 太陽能技術(shù)跟蹤裝置 (或稱為太陽跟蹤器 )的研究有，美國Blackace，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(diào)節(jié)，接收器對太陽能的熱接收率提高了 15%。 2021年 2月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，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。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過日照溫度的變化實(shí)現(xiàn)了單軸被動式太陽跟蹤。 1929 年推出了太陽灶 自動跟蹤系統(tǒng) 。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 太陽的跟蹤方式普遍采用雙向跟蹤，且都是采用兩個動力源驅(qū)動同時跟蹤太陽的方位和高度兩個角度方向，有效的太陽跟蹤裝置可太陽能利用效率提高 35%。機(jī)械類跟蹤系統(tǒng)體積龐大而又笨重，運(yùn)輸、安裝或者維修都比較麻煩，且存在積累誤差，其它兩種屬于精確跟蹤系統(tǒng)，存在的不足之處是成本高，消耗電能，不利于移植在民用的太陽能裝置上。該系統(tǒng)相對于單軸太陽跟蹤裝置，精度明顯提高，還可實(shí)現(xiàn)全天候自動控制。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 2 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的理論基礎(chǔ) 地球圍繞太陽的運(yùn)動規(guī)律 眾所周知 ，地球每天為圍繞通過它本身南極和北極的“地軸”自西向東自轉(zhuǎn)一周。 地球除了自轉(zhuǎn)外，還繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道 (黃道 )上運(yùn)行，稱為“公轉(zhuǎn)”，其周期為一年。 27180。因此，地球處于運(yùn)行軌道不同位置時，陽光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的變化。 每年的春分日 (3月 12日 )，太陽從赤道以南到達(dá)赤道 (太陽的赤緯占 )，地球北半球的天文春季開始。太陽在正午的高度等于 ( 為觀察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?)。 夏至日 (6月 2日 )，太陽正午高度達(dá)到最大值 ′ ，白晝最長，這時候地球北半球天文夏季開始。 秋分日 (9月 23日 )，太陽又從赤道以北到達(dá)赤道 (太陽的赤緯 )，地球北半球的天文秋季開始。 秋分過后，太陽的生落點(diǎn)逐日移向南方，白晝時間縮短，黑夜時間增長，正午時候太陽的高度逐日降低。冬至過后，太陽正午高度逐日升高，同時白晝增長，太陽的升落又趨向正東和正西，直到春分日(3月 21日 )太陽從赤道以南到達(dá)赤道。在一年中，太陽赤緯每天都在變化，但不超過士 ′ 的范圍。冬季最小變化到冬至日的 ′ 。太陽的時角用 表示，它定義為 :在正午時 =0，每隔一個小時增加 15176。 圖 21 太陽角的定義 (1) 太陽高度角 計算太陽高度角的表達(dá)式為 ： n n n o o o （ 23） 式中， 滬為地理緯度； 占為太陽赤緯； 口為太陽時角。 (2) 太陽方位角 太陽方位角按下式計算 : o = n n n o o ? (26) 也可用下式計算 : n o n o ? (27) 根據(jù)地里緯度，太陽赤緯以及觀測時間，利用式 (26)或者式 (27)中的任意一個可以求出任何地區(qū)，任何季節(jié)某一時刻的太陽方位角。若不考慮地表曲率及大氣折 射的影響，根據(jù)式 (23)，可得出日出日沒時角表達(dá)式 o n n (28) 式中 日出或日沒時角，以度表示，正為日沒時角 。對于北半球，當(dāng) n n ，解 析 式 (28)，有 o n n (29) 求出時角 后，日出日沒時間用 ? 求出。從而可以通過控制使光伏系統(tǒng)朝向太陽位置對其進(jìn)行有效跟蹤，提高系統(tǒng)的發(fā)電 效率 。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，太陽的運(yùn)動是一個沿著方位方向和高度方向兩個方向的非線性運(yùn)動，因此，需要兩個步進(jìn)電機(jī)分別進(jìn)行控制。這樣，跟蹤裝置就可以在步進(jìn)電動機(jī)的帶動下在整個太陽運(yùn)動過程中光線始終垂直于太陽能板，保證了太陽能的有效利用。同時， 此跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計還必須本著造價低廉、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡潔的原則進(jìn)行。 通過 對目前多種太陽能采集裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的收集和對比 ，再在幾種比較合 適的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些修改以更加符合本設(shè)計的要求，最終得到的結(jié)構(gòu)如圖 31所示。 如圖 31，本機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基本組成主要有：底座、下層平臺、上層平臺、步進(jìn) 電機(jī)、減速裝置、電池板固定框架等。驅(qū)動電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)，此種電機(jī)性能可靠，對于角度量轉(zhuǎn)向控制精確。由于研發(fā)要求系統(tǒng)要結(jié)構(gòu)緊湊，電機(jī)選取的為小型步進(jìn)電機(jī)，輸出扭矩達(dá)不到轉(zhuǎn)向要求，因此要選用減速機(jī)構(gòu)來提升輸出扭矩，在本光伏系統(tǒng)中，選取的是小型渦輪蝸桿 及直齒圓柱齒輪 減速機(jī)構(gòu) 。電池板固定架用來對太陽能電池板進(jìn)行固定，要求設(shè)計合 理，穩(wěn)定。 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 1下平臺； 2底座； 11減速箱； 4主軸； 5轉(zhuǎn)臺； 6支承軸； 7軸銷； 8電池板支架； 9螺釘 ； 10凸輪推桿 ； 12滾子 。在數(shù) 字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動機(jī)作為執(zhí)行元件，每輸入一個脈沖，電動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個 角度或前進(jìn)一步。步進(jìn)電動機(jī)在任何一個 方向的任意機(jī)械位置都可以啟動和停止，并且，它的轉(zhuǎn)子按照每一個輸入步進(jìn)指 令以準(zhǔn)確的角度運(yùn)動和停止。步進(jìn)電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、 精確度高、調(diào)速范圍大、起動、制動反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速決定于電脈沖 頻率，并與頻率同步，由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電動機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng) 中。電磁式步進(jìn)電機(jī)一般又分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (VR)、永磁 式步進(jìn)電機(jī) (PM)和混合式步進(jìn)電機(jī) (HB)三種。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源，它 蚌埠學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 輸出轉(zhuǎn)距大，動態(tài)性能好，但步距角一般很大。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指產(chǎn)生不同對極 N、 S 磁場的激磁線圈對數(shù)，常見的步進(jìn)電機(jī)有兩相、四相和五相。步進(jìn)電機(jī)的步距角指對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移 。機(jī)械要素是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tt和負(fù)載慣量 J。在 節(jié)中介紹了跟蹤裝置的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在方位軸與電機(jī) 18 之間采用了減速比為 1:64 的減速裝置。電動機(jī)帶載運(yùn)行所需要的轉(zhuǎn)矩為 : T Ti Ta 式中 ： T 一需要的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩， kg m。 Ta一慣性體的加速轉(zhuǎn)矩， kg m。 ②慣性體的加速轉(zhuǎn)矩可按下式計算?？刂葡到y(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求不高，因此設(shè)定輸入電機(jī)的脈沖頻率為 100HZ，加速時間為 秒。 的步進(jìn)電機(jī)。 ≈ kg m ≈ m 由于電機(jī) 18 和電機(jī) 19 的輸入脈沖信號頻率和加速時間一致，因此采用相同的方法可以估算出。在查閱了步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品參數(shù)資料后，并且考慮到首次設(shè)計的裝置，所選用的電機(jī)和驅(qū)動器的特性，通常留有 倍的余量。表 31 列出兩電機(jī)的相關(guān)主要參 數(shù) 。 ） 相電流 （ A） 保持 轉(zhuǎn)矩（ m） 轉(zhuǎn)動慣量 （ g m ） 重量 (kg) 外形尺寸 （ mm） 56BYG250D0241 2 460 1 56BYG250C0241 2 260 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)方位角部分的設(shè)計 下 圖 32為太陽能自動跟蹤系統(tǒng)跟蹤方位角的機(jī)械部分的設(shè)計的俯視圖。齒輪 13固定在連接軸 14中部，連接軸通過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 通過軸承安裝 一個 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 上，支柱 6的上端通過銷軸 7與電池板 支 架連接。 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)計的俯視圖 電動機(jī) 轉(zhuǎn)速的計算 太陽從早上六點(diǎn)開始升起，到晚上六點(diǎn)下山，中間十二個小時為日照時間。查閱 《機(jī)電控制技術(shù)》 知步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率的關(guān)系為 n ? m n 步進(jìn)電機(jī)的功率為 nT 式中： n 轉(zhuǎn)速，單位 r/min； f 脈沖頻率，單位 HZ； 步距角，單位176。 ○ 2 工作機(jī)的速度不大，故選用 7級精度（ GB1009588）。由 《機(jī)械設(shè)計》 (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。 (2) 按齒面接觸強(qiáng)度計算 由 《機(jī)械 設(shè)計 》 (第八版第十章 )計算公式進(jìn)行計算，即 t √ T