线性菲涅尔太阳跟踪装置的设计毕业论文

指导 者： (姓 名 ) (专业技术职务 )评阅 者： (姓 名 ) (专业技术职务 )毕 业 设 计 （ 论 文 ）毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语题目：线 性 菲 涅 尔 太 阳 跟 踪 装 置 的 设 计综合成绩：指导者评语：指导者(签字)：年月日毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语答辩委员会（小组）评语：答辩委员会（小组）负责人(签字)：年月日评阅者评语：评阅者(签字)：年月日毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要太 阳 能 是 一 种 具 有 开 发 潜 能 的 新 兴 能 源 。 随 着 常 规 化 石 能 源 的 逐 渐 枯 竭 以 及温 室效应的加剧，太阳能正在逐渐成为人类理想的替代能源。目前太阳能利用率普 遍不高，分析 表 明 ，太阳追踪技术可以显著提高能量接收率，是提高太阳能利用 率 的 主 要 手 段 之 一 。 本 课 题 主 要 对 线 性 菲 涅 尔 反 射 式 （ 简称 太阳能集热追踪系统进行研究 。 本课题根据 使用三维设计软件对机械传动系统进行结构设计。以 制核心完 成了控制电路的设计，并编写了相应的软件程序。最终完成了系统的安装和调 试，实现了对太阳光线跟踪的目标。 关键词： 关键词： 关键词： 关键词： 太阳能；线性菲涅尔反射；跟踪系统；单片机控制毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1绪论 .课题研究背景及意义 .课题研究现状 .太阳能跟踪系统研究现状分析 .本课题主要研究内容 .跟踪方法的确定 .太阳光相对地面位置计算 .镜元倾角分析计算 .跟踪系统机械传动方案设计 .方案的比较选择 .可靠性分析 .实际机构的构建 .控制模块划分 .单片机及外围电路的选择 .显示及键盘输入模块设计 .时钟模块设计 .步进电机驱动模块设计 .控制系统软件设计 .实物仿真 . . . 文 献 . 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1页 共 38页1绪论 绪论 绪论 题研究背景及意义 课题研究背景及意义 课题研究背景及意义随着传统化石能源的枯竭以及温室效应的加剧，新能源的开发与利用逐渐走入人们的视线 。 太阳能作为新能源的典型代表之一 ， 受到了科研工作者们越来越多的重视 ，也受到各国政府财政上的支持 。 目前 ， 对于中国这样的能源消耗大国来说 ， 利用太阳能逐步改善传统的能源结构 ， 不仅有利于环境保护 ， 而且可以改善我国对于他国能源的依赖。中国发展太阳能也具有得天独厚的自然条件 。 我国陆地面积广阔 ， 太阳能资源丰富 ， 2/3以 上 的 陆 地 面 积 接 受 太 阳 光 照 射 时 间 年 平 均 在 2000小 时 以 上 ， 日 照 辐 射 在( ) 26/105 以上 ， 其中 ， 以青藏高原地区的太阳能资源最为丰富 ， 平均海拔高 度4000 大气稀薄 ， 空气透明度高 ， 由于纬度低 ， 平均日照时间超 过3000小时 ， 是建设太阳能发电站的理想地区 。 除青藏高原外 ， 我国西北部 、 东北部分地区 、 山东 、 福建 、 广东 、 台湾等地区的太阳辐射量同样很大 ， 都是建造太阳能电站的理想地区 。 具不完全统计 ， 我国陆地面积平均每年接收了相当于 吨标准煤的太阳辐射能量 ， 如此丰富的太阳能资源为我国开展太阳能利用提供了得天独厚的自然条件 1目前 ， 太阳能的利用主要有两种方式 ， 它们分别是光电转换和光热转换 ， 前者属于 光 伏 利 用 ， 后 者 属 于 热 利 用 。 由 于 光 伏 利 用 会 产 生 “ 光 伏 污 染 ” ， 对 环 境 会 造 成 很大的破坏，线性菲涅尔反射（ 称 统通过光热转换对太阳能进行热利用，更加环保，符合未来能源发展的方向。 无论是光一电转换 ， 还是光一热转换 ， 使太阳光线能够直达吸收器的太阳跟踪系统都是非常重要的装置 ， 因为太阳跟踪系统可以提高太阳能装置的能量利用率 。 香港大学的教授 对 太阳光照角度与太阳能接收率之间的关系 进行了实验研究 ， 结果 表明 ：与固定式太阳能装置相比 ， 拥有跟踪装置的太阳能接收系统在能量的接收率上要高 ，利用太阳跟踪可以提高吸收器的接收效率，进一步提升了太阳能装置对太阳能的利用率 3。 太阳反射聚光技术 目前主要有四种 ， 分别是 ： 塔式 、碟 式 、 槽 式 以 及 的 反 射 镜 场 由 多 个 平 面 光 学 反 射 镜 面 组 成 ， 这 些反射镜面被排列于同一水平面上 ， 并且可以跟踪并反射太阳光线到固定的长的线性目本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2页 共 38页标接受器上，图 1 射 光 线 反 射 光 线线 性 吸 收 器镜 板 12 地 平 线南 镜 板 13 镜 板 1 镜 板 1 镜 板 2 镜 板 3二 维平 面示 意图 可 以 看 成 是 抛 物 槽 式 反 射 镜 的 线 性 分 段 离 散 化 4， 其 线 性 简 化 过 程 如 图1 。 其 依 据 是 1882年 法 国 物 理 学 家 的 一 个 假 设 ： 光学表面的曲率 是影响其光学成像的主要因素 ， 因此将连续光学表面进行分割后 ， 依然具有相同的光学特性，当每段分割的足够小时，每段近似相当于一个平面。线 性 分 割镜 面 移 到 同一 水 平 面图 1菲 涅尔 聚光 的演 化用于产生中高温，但与抛物型槽式不同的是，它不必保证抛物面的形状 ， 因 此 结 构 更 加 简 单 ， 并 且 它 的 制 作 、 运 行 成 本 低 且 抗 风 性 能 优 良 ， 这 也 决 定 了 与槽式相比 ， 通过具 有 跟 踪 太 阳 运 动 装 置 的 主 反 射 镜 列 将 太 阳 光 反 射 聚 集 到 具 有 二 次 曲 面 的 二 级 反 射镜和线性接收器上 ， 接收器将光能转化为热能 ， 并加热接收器内的高温高压水使其部分汽化 ， 汽水混合物经过汽液分离器将高温高压的水蒸气分离出来 ， 高温高压的水蒸本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3页 共 38页气推动汽轮发电机发电 。 在 几乎不产生任何污染 ， 符合目前环保的主流观念。 有较高的研究意义。 题研究现状 课题研究现状 20世纪 80年代之后，美国、以色列、西班牙等国相继建立不同形式的太阳能热发电示范装置及电站 5。线 性 菲 涅 尔 的 名 称 源 于 法 国 物 理 学 家 19世 纪 ， 个 小块后， 其 聚焦 效果 几乎一样 。 上世纪 60年代， 用到 了 反射镜上， 并 制成了 世界上第一个 光聚集系统， 其后他将 这种 聚光 技术 正式命名 为线性菲涅尔反射聚光技术 6。上 世 纪 70年 代 ， 系 统 的 设 计 与 研 究 开 始 进 入 科 研 工 作 者 得 视 线 ， 此 时的 研究主要集中于理论分析，只有一小部分能够达到应用水平。 其 中 ， 美国 000 但该设计由于经费不足最终流产 ， 仅停留于设计阶段 7。上世纪 90年代 ，与其它太阳能应用技术的研究相比，各国对 其中以色列的科学家对 以色列的 具有二次反射镜的 行了详细设计 8。 之后 其科学家又对使用真空管接收器的跟踪型 热系统进行了实验研究 9。 90年代末 ， 未解决阴影遮蔽的问题，澳大利亚悉尼大学的 简称 阳能聚光系统概念10。 其后 被进一步发展。 本 世纪之后 ， 对 这一趋势从迅速增长的研究论文数量 ， 以 及 逐 渐 增 多 的 电 站 中 可 以 得 到 反 映 。 2005年 ， 日 本 与 澳 大 利 亚 的 学者 对 中 新 型 高 熔 点 材 料 的 应 用 进 行 了 合 作 研 究 1。 2009年 ， 设了世界上第一座商业化运行 的 简称 12； 而 012年底投入了试运行 。 2010年 ， 线 型 菲 涅 尔 技 术 在 太 阳 能 吸 收 式 制 冷 系 统 上 的 可 行 性 进 行 了 数 值 模 拟 分 析13。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4页 共 38页2012年 分 析 了 梯 形 腔 在 中 的 应 用 14。 随 着 世界各国纷纷将 其中大多数为示范工程 ， 但其中有一小部分已实现商业化 ， 目前全世界范围内 的15。表 1情 况地 点 名 称 完 成时 间 工 质 集 热单 元 数量 集 热管 参 数 占 地面 积 蒸 汽参 数 所 属公 司 备 注信 息比利时 001年 水 1个 长 100m，外径 均效 率10%12%， 峰值功率 为1MW/一阶段 2004年 水 1个 长 第二阶段 3个 长 300 20个 长 300007年 水 1个 长 100美国 加州 008年 水 3个 长 385200个反射镜成 25列 排布西班牙木耳西亚 2个 长 一所商业化运 行的 3020002m 已知最大 的 且多集中于理论研究，这一点从各种期刊和学位论文中可以得到反应 。 其中如山东大学对线性菲涅尔菲涅尔反射式 16， 北京工业大学提出了 17。需要指出的是，皇明太阳能公司对 为 深入的研究 ， 并建立了 阳能热发电示范工程18。阳能跟踪系统研究现状分析 太阳能跟踪系统研究现状分析 太阳能跟踪系统研究现状分析通过分析国内外的研究工作可以发现：国外对 甚至已经出现了商业化运作的发电站 。 国内对于太阳能利用的研究主要集中于 “ 光伏 ”产业以及槽式太阳能聚光分析。 前各公司的太阳能项目在传动部分纷纷采取了不同的方式 。 这些传动方式各有优缺点 ， 在精确与经济之间也都有各自的取 舍 ， 通 过 文 献 18， 对 目 前 主 要 的 传 动 方 式 进 行 总 结 ， 如 表 1 。 表 中 列 出 了各个传动方式的优缺点。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5页 共 38页表 1主 要传 动方 式传 动 方 式 优 点 缺 点 所 属公 司涡轮 蜗杆 传动 制作 方便 预先 调整 好的 初始 位置 的反 射镜 组 ， 由于 传动 回差等 因素 会造 成初 始定 位偏 差 ， 且这 种误 差会 累加 ， 从而 影响 跟踪 精度 ； 需要 定期 调试 ， 调试 维护困 难。 动 结构 简单 ，制 作费 用低 反射 镜组 只能 在一 定的 角度 范围 内旋 转跟 踪 ； 无法实 现任 意角 度翻 转 ， 不利 于镜 面清 理 ； 聚光 效率低 。 传 动 精度 较高 电动 马达 和控 制器 等数 量增 加， 制作 成本 高 传 动 精度 较高 整 个 镜 场 的 传 动 跟 踪 系 统 需 要 同 组 成 镜 场 的 反射镜 组同 等数 量的 传动 跟踪 装置 组成 ， 制作 成本高。 多集中于热学性能的或光学性能的理论计算 ， 而文献 19提到的跟踪方式多应用于跟踪面需正对太阳的光伏系统或透射聚光系统，并不适合于 影 和 遮 蔽 问 题 一 直 是 影 响 太 阳 利 用 率 的 主 要 因 素 ， 这 一 点 在 文 献 8中进行了详细的阐述，后来的文献中也都有提及。 其次，由文献 8、文献 16可知当太阳光线通过主反射镜场汇聚到集热管时 ， 有一部分光线会无法触碰到集热管 壁而直接浪费掉 。 现有文献及各个项目的解决办法均为设置二次反射系统 ， 通过二次反射重新汇集错失的光线。 课题主要研究内容 本课题主要研究内容 本课题主要研究内容根据 定本课题主要对 踪系统主要分为机械传动及系统控制两个方面，本课题的研究内容主要分为以下几步： （ 1）确定跟踪方法，并对跟踪倾角进行设计计算；（ 2） 针 对 目 前 系 统 及 传 动 装 置 精 度 不 高 或 运 行 成 本 较 高 的 缺 点 ， 本 课题在尽量节约成本的前提下 ， 设计出一套能够满足 并且做出实物模型，进行传动调试； （ 3）对软件控制部分进行详细设计，利用单片机作为控制核心，设计电路图 ， 并编写程序，控制系统最终能够匹配所设计的机械传动系统，对太阳进行准确追踪 ， 并进行实物仿真。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6页 共 38页2线性 菲涅 尔太 阳跟 踪系 统总 体设 计 线性 菲涅 尔太 阳跟 踪系 统总 体设 计 线性 菲涅 尔太 阳跟 踪系 统总 体设 计 线性 菲涅 尔太 阳跟 踪系 统总 体设 踪方法的确定 跟踪方法的确定 跟踪方法的确定本课题在进行分析设计之前，需要首先确定太阳的跟踪方法。太阳的跟踪方法一般分为光电跟踪法和视日运动轨迹跟踪法两种 21。（ 1） 光 电 跟 踪 法 ： 使 用 光 电 传 感 器 。 感 应 光 线 的 照 射 强 度 ， 产 生 偏 差 信 号 ， 经放大器放大，最后通过软件分析出光线的入射方向，依此调整镜片倾角。（ 2） 视 日 运 动 轨 迹 跟 踪 法 ： 太 阳 光 相 对 于 测 试 点 的 位 置 通 过 相 关 的 公 式 计 算 获得。因此，可直接通过程序得到阳光的入射方向，并依据计算结果调整跟踪系统 。 国外已建成的电站多采用此种方法 21。与视日运动轨迹跟踪法相比，光电跟踪更加灵敏，调节更加方便，但是光电跟踪法在户外应用时最大的缺陷为 ： 在阴雨天气和多云天气中 ， 光电跟踪几乎无法判断出太阳光线的入射方位。 在 “ 光伏 ” 产业中常采用将两者结合起来的跟踪方法 19。 但是 ， 适合于大规模应用 。 如图 2 为 大规模的使用中 电跟踪法的使用意义不大 。因此 ， 本课题选用了视日运动轨迹跟踪法 。 在实际应用中 ， 可以考虑辅助采用光电跟踪法校验倾角位置，防止累积误差。图 2的 线性 菲涅 尔项 阳光相对地面位置计算 太阳光相对地面位置计算 太阳光相对地面位置计算在 如图 1 由于本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7页 共 38页本课题采用 视日运动轨迹跟踪法 ， 需要通过计算获得太阳 光线的入射方位 。 本课题采用天球坐标系 ， 应用 太阳高度角 阳方位角 进而确定光线入射方向。太阳高度角 由下列公式求得： +=s （ 1）式中 为当地纬度角， 为时角， 为太阳赤尾角。为时角，即用角度来表示时间，现实中的钟表时间是假设太阳作匀速运动的平太阳时 ， 而实际上 ， 太阳的运动很复杂 ， 在工程计算中需要采用真太阳时 。 平太阳时与真太阳时之差为 E。 0 （ 2）式中 0北京时间表示某一经度地区的平太阳时，可以用下式表示： ( )15/120= （ 3）则： ( ) 60/15/1200 = （ 4）式中 位为度， t与 位 为 小 时 ， 差 ，以分钟为单位。 确数值需要通过查表得到，一般工程应用中也可以通过近似计算求得，方法如下： ()1=B （ 5）= （ 6）式中 为地球 每 24小时自转一周 ， 所以 每 15 为 1小时 ， 且正午时 0=， 上午 0，下午 0， 计算方法如下： ( )01215t= （ 7）为太阳赤尾角，计算方法如下：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8页 共 38页( ) += 8）由公式（ 8）可知，春分和秋分时0=，夏至时 ，冬至时 。太阳方位角 指 当地子午线 与太阳光线竖直投影向量 之间的夹角 17。 太阳方位角的计算方法如式 （ 9） ： = 9）该计算公式得出的太阳方位角以正南方向为 0 ，顺时针旋转，对于中国地区来说，下午的太阳方位角在 0180 之间，上午的太阳方位角在 180360 之间。利用 算出的范围通常为1800之间 。 因此 ， 上午的太阳方位角需要变换 ， 也可以直接将所得值作为太阳光线在地面上的投影与正南方向的夹角。 元倾角分析计算 镜元倾角分析计算 镜元倾角分析计算收器呈直线状，为能够使表达更清楚，将平行于吸收器的方向定义为 “ 列 ” ， 垂直于吸收器的方向定义为 “ 行 ” ， 并将一面反射镜定为一个 “ 镜元 ” ，如图 2 收 器 镜 元列 行图 2的 行和 列示 意及 镜元 定义用单轴跟踪，镜 元 可以东西水平布置或南北水平布置。 本课题采用视日运动轨迹跟踪 ， 镜元需转动正确倾角 ， 将本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9页 共 38页光线准确的反射至固定的线性吸收装置上。 由图 1 主镜场中 ， 镜元的旋转轴处在同一水平面内 ， 且在任意时刻 ，不同列的镜元的倾角 并不相同 。 通过公式 （ 1） （ 9） 可以计算出任意时刻该位置上太阳的高度角及方位角，由太阳方位可以进一步推算出某列镜元的跟踪旋转角。 镜面 的布置方向分为南北水平布置和东西水平布置两种 ， 理论研究表明 2，东西水平布置 时 在地面覆盖率上略 高于 南北水平布置 时 。 因此 ， 本课题研究东西水平布置，南北跟踪的 实现太阳追踪 ， 需要知道每个镜元不同时刻的倾角 ， 可以通过矢量法进行求解 。当镜场安装完毕后，吸收器位置固定，镜元与吸收器南北方向上的距离也固定不变 ，镜元宽度为 w，假设一束太阳光线通过反射镜反射到吸收器上，如图 2反射镜面西南角为 射光线为 射光线为 A 器BB O 投 影 上 的太 阳光 线反 射如图 2 对太阳光线进行矢量分解 ， 分为 a， 本课题中的 假设镜元东西方向足够长 ， 在计算时可以暂时忽略太阳光线东西方向的分量，因此为简化分析，可以将入射光线与反射光线进行投影到当地的子午平面 ， 即图 2南 影后的示意图如图 2 吸 收 器 反 射 镜 图 2面 上太 阳光 线反 射轨 迹的 投影本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10页 共 38页在 北南 反射光线为 水平面的夹角为 ， 水平面的夹角为 。 =2 （ 10）图 2收器距离水平面的高度 此，反射光线 量方向永远不变， 保持不变。 （ 1）可以通过图 2。= 12）由图 2以发现 13） （ 14）通过式（ 12） 、式（ 13） 、式（ 14）可推出：= 15）将式（ 1） 、式（ 15）带入式（ 10） ，将得到： += 2 （ 16）太阳光线从任何位置入射，都可以投影到当地子午线平面，为了便于计算，我们可 以 将 图 2 方 位 角 成 太 阳 光 线 在 水 平 面 上 的 投 影 与 正 南 方 向 的 夹 角 ， 值 不会改变，此时 与 计算出的结果相同，为软件设计提供了方便。 公式 （ 16） 计算的是吸收器北边的镜元 ， 当镜元处于吸收器南边时 ， 倾角 的计算公式需要作出改变，如图 2中 倾角值 以镜面朝北为正。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1页 共 38页北 器图 2处 于吸 收器 南面 时的计算公式和公式 （ 10） 相同 ， 的计算公式与式 （ 1） 相同 ， 的计算公式需要作出改变： = 17）将公式（ 17）和（ 1）代入（ 10）中，得： 2+= （ 18）由此可见，在程序设计时，需对吸收器南面和北面的镜元加以区分。将两边镜元倾角的 值的计算方法合并为： + +=为正吸收器南边，镜面朝北 为正吸收器北边，镜面朝南2 19）本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12页 共 38页3跟踪 系统 机械 传动 结构 设计 跟踪 系统 机械 传动 结构 设计 跟踪 系统 机械 传动 结构 设计 跟踪 系统 机械 传动 结构 设计本章将从方案的提出 、 方案筛选 、 可靠性分析 、 结构的制造四个方面探讨 本章的主要任务是完成一套简单的跟踪系统机械传动结构设计 ， 能够清晰的表达跟踪方案 ， 并能够和第 4章的控制系统配合起来完成整个跟踪系统的模拟试运行 。 在设计时 ， 对外界环境因素做了适当的简化 ， 确保在满足精度的条件下尽可能设计出经济、高效的传动系统方案。 踪系统机械传动方案设计 跟踪系统机械传动方案设计 跟踪系统机械传动方案设计本 课 题 在 进 行 机 械 部 分 设 计 时 采 用 了 设 计 平 台 。 三 维 可以 实现参数化 三维实体造型 ，能够简单而又高效的创建外形复杂的实体 23， 且 能够实现运动仿真 、 有限元分析 、 齿轮和轴承的可靠性计算等多种功能 ， 能够极好的辅助研究人员进行实体设计。 ：基于曲柄滑块的设计方案方 案 1的 思 路 来 源 于 四 连 杆 机 构 中 的 曲 柄 滑 块 机 构 ， 如 图 3 。 在 方 案 1的设计中将滑块作为动力源，滑块的水平移动为主运动，曲柄的转动设为从运动。图 3滑 块机 构将 图 3 柄 滑 块 机 构 进 行 演 化 ， 使 用 直 线 电 机 作 为 动 力 源 代 表 滑 块 ， 曲 柄 机构可以演化为反射镜元部分 ， 使用 结果如图 3 在使用曲柄滑块机构时 ， 需要克服 “ 死点 ” 问题 ， 在方案 1的设计中 ， 采用机构错列的排列方法 ， 即将两组机构组合在一起 ， 使各组机构的死点位置错开 ， 在本设计中 ， 镜元前后分别采用一套直线电机 ， 并错开死点位置 ， 保证运转的平稳性 。 镜元与镜元之间采用平行四杆机构进行传动。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13页 共 38页直 线 电 机 1直 线 电 机 2曲 柄 部 分 的演 化反 射 镜 元图 3 1三 维概 ：基于蜗轮蜗杆的设计方案方 案 2在 设 计 中 采 用 了 蜗 轮 蜗 杆 的 传 动 方 式 ， 其 三 维 造 型 如 图 3 ， 图 中 蜗杆与电机相连 ； 两个镜元之间可以通过联轴器将各自的蜗杆连接在一起 ， 负责传递动力 ； 涡轮通过联轴器与反射镜框相连 ， 这里的联轴器可以考虑使用电磁离合器来代替 ，在特殊情况下可以保证单个镜元的独立性。 因为仅仅是模型设计，这个传动系统的框架部分可以考虑所使用铝型材来完成。蜗轮蜗杆减速器、联轴器、电磁离合器可以直接购买市场上已有型号。联 轴 器 蜗 轮 蜗 杆可 用 电 磁 离 合 器 代 替 联 轴 器图 3 2三 维设 ：基于螺旋传动的方案设计方案 3的设计思路来源于螺旋传动机构。在方案 3中镜元倾角不再通过镜元中间本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14页 共 38页轴的转动来改变，而是通过可调支撑的改变来实现，方案的三维设计如图 3 道可 调 支 撑万 象 球 杆图 3 3三 维设 计图图中镜元一侧支撑固定，并通过铰链与反射镜框架相连接，一侧则通过可调支架进 行 支 撑 ， 可 调 支 架 实 际 上 是 一 个 螺 旋 机 构 ， 为 了 实 现 “ 自 锁 ” ， 在 方 案 3中 采 用 滑动式螺旋机构 ， 或负 ） 转动一圈 ， 可调支撑上升 （ 或下降 ） 一个螺旋导程。螺杆的转角 和导程 2（ 20）由式（ 20）可知，导程越小，跟踪精度越高。：基于平行四杆机构的方案设计方案 4的设计思路同样来源于四连杆机构，不过与方案 1不同的是，本方案采用的是 “ 平行四连杆 ” 机构，方案 4的三维设计图如图 3 3 4三 维造 型本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15页 共 38页方案 4在传动方向上不再是方案 1的横向传动，而改为纵向传动，即一列镜元的传动角度是相同的 。 一列镜元中 ， 相邻反射镜之间同样通过 “ 平行四连杆 ” 机构相连 ，保证一列镜元转动的角度是相同的。在方案 4的设计中还需要将平行四连杆机构的转动传递到镜元的转动上，通过 图3动方向需要作出 90 的转变，在这里，本课题使用较为常用的锥齿轮改变传动方向，如图 3 3锥 齿轮 改变 传动 案的比较选择 方案的比较选择 方案的比较选择需要对上述四种方案进行分析比较，选出最适合的设计方案，方案比较从以下几个方面进行：（ 1） 镜元能够准确定位；（ 2） 零件加工工艺性好，既可以进行方便的加工；（ 3） 成本相对低廉。 镜元倾角的计算如式 （ 19） 所示 ， 通过拆分公式 （ 19） ，对 吸 收 器 北 边 的 镜 元 倾 角 公 式 做 些 处 理 图 解 ， 如 图 3 。 通 过 图 3可 以 看 出尽管不同列的镜元倾角各时刻都不相同 ， 但是倾角的变化量仅与太阳高度角和方位角有关 ， 也就是说对于同一镜场而言 ， 当确定了镜元的初始倾角之后 ， 其后的镜元转角实际上是相同的，这是进行传动分析的前提条件。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16页 共 38页对 于 某 一 个 镜 元 来说 这 是 一 个 常 量 倾 角 变 化 的主 要 因 素图 3倾 角变 化量 的因 素分 析方案 1与方案 2都是横向传递，即同时驱动一行的反射镜元，虽然一行中不同镜元的倾角不同 ， 但只要各时刻的变化量相同就可以了 ， 方案 1中采用平行四杆机构进行镜元间传动 ， 显然满足条件 ， 方案 2中只要做到每个镜元前的蜗轮蜗杆传动比相同就可以了。 在方案 1中为了保证倾角的定位准确必须人为定好每个镜元倾角的初始位置，在运行过程中为了避免累积误差，需经常进行手工校验及调整，操作不方便。在方案 2中，蜗轮与镜元之间的联轴器可以采用电磁离合器来代替，在初始时刻可以依次单独控制镜元转动到相应的角度 ， 定好每个镜元的位置后再同时进行倾角改变操作，可以做到准确定位 方案 3和方案 4为纵向传递，即同时驱动一列镜元，对于一列镜元来说，倾角每时每刻都相同，在理论上都可以满足镜元的准确定位。 通过以上分析，方案 1因为定位难度较大，暂时舍弃。来说，蜗轮蜗杆减速器、联轴器、轴承、机架上用的铝型材都可以直接购买到，需要加工的零件仅包括方案中的一些轴和反射镜框架。 对于方案 3来说，除了需要单独加工轴和反射镜框架外，螺旋传动部分需要设计出适合的箱体，可调支撑架也需要进行单独加工。 方案 4与方案 2加工难度基本相同，只需要定制长度一定的连杆，加工轴以及反射镜框架。 通过以上分析，方案 3在加工难度上较大，暂时舍弃。课题尽量选择成本更低的方案设计，通过比较方案 2与方案 4，以及市场上的物价，可以发现，方案 2中的蜗轮蜗杆减速器、电磁离合器、联轴器需要花费大量的经费，不符合本课题节约成本的设想。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17页 共 课题最终选择方案 4对机械传动部分进行制作。方案 4中的机架部分使用铝型材进行搭建 ， 因为仅仅只是制作模型 ， 需要加工的零件选用质量较轻、易于加工的铝合金 6061作为零件材质。考虑到在无外界因素干扰的情况下，单个镜元会一直处于平衡状态；镜元在视日追踪时的转速通常