线性菲涅尔太阳跟踪装置的设计-毕业设计说明书

南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书(论文) 作作者者: : : :张泽群学学 号号：0901500253 学院学院( ( ( (系系) ) ) ): : : :机械工程学院 专专业业: : : :机械工程及自动化 题题目目: : : :线性菲涅尔太阳跟踪装置的设计 指导者：指导者： (姓 名)(专业技术职务) 评阅者：评阅者： (姓 名)(专业技术职务) 2013 年 6 月 黄新燕副教授 副教授郭钢 南 京 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语 学生姓名：张 泽 群班级、 学号： 09015002、 0901500253 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（Linear Fresnel Reflector，简称 LFR）太阳能集热追踪系统进行研究。本课题根据 LFR 系统的特 点，使用三维设计软件对机械传动系统进行结构设计。以 Atmega128 为控制核心 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 要毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要 TitleTitleTitleTitleThe Design of Linear Fresnel Reflector Solar Tracking System AbstractAbstractAbstractAbstract Solar energy is a kind of new energy with great development potential.With the fossil energy exhausting and the greenhouse effect intensifying,solar energyhasbeenanidealalternativeenergysource.Currentsolar utilization is not efficient.Proved by theory analysis,that the rate of the energy receiving can be increased by adopting the solar tracking technology.The linear Fresnel reflector(referred to as the LFR)solar tracking system is mainly researched by this study.In this study,the 3-D software is used to design the machine driven system.To meet the requirement of the control system,Atmega128 is chosen as the CPU.The control circuits and relevant software programs are designed.Mechanical installation was completed and the system was debugged in this study.The goal of solar tracking is achieved in the end. KeywordsKeywordsKeywordsKeywords solar energyliner Fresnel reflectortracking systemSCM control 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 I 页 共 I 页 目次 1绪论.1 1.1课题研究背景及意义.1 1.2课题研究现状.3 1.3太阳能跟踪系统研究现状分析.4 1.4本课题主要研究内容.5 2线性菲涅尔太阳跟踪系统总体设计.6 2.1跟踪方法的确定.6 2.2太阳光相对地面位置计算.6 2.3镜元倾角分析计算.8 3跟踪系统机械传动结构设计.12 3.1跟踪系统机械传动方案设计.12 3.2方案的比较选择.15 3.3可靠性分析.17 3.4实际机构的构建.20 4线性菲涅尔太阳跟踪控制系统设计.21 4.1控制模块划分.21 4.2单片机及外围电路的选择.21 4.3显示及键盘输入模块设计.24 4.4时钟模块设计.27 4.5步进电机驱动模块设计.27 4.6控制系统软件设计.29 4.7实物仿真.33 结论.35 致谢.36 参 考 文 献.37 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 1 页 共 38 页 1 1 1 1绪论绪论绪论绪论 1.1课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 ()amKJ 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 4000m 的青藏高原地区，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 4 104 . 2亿吨标准煤 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 1-2。 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（Linear Fresnel Reflector，简称 LFR）系统通过光热转换 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出 37.7，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。 LFR 属于太阳反射聚光技术，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 LFR 式。LFR 系统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）本科毕业设计说明书（论文）第 2 页 共 38 页 标接受器上，图 1-1 为 LFR 的二维平面示意图。 入 射 光 线 反 射 光 线 线 性 吸 收 器 镜 板 1 2 地 平 线 南 镜 板 1 3 镜 板 1 1 镜 板1 镜 板2镜 板3 H 图 1-1LFR 系统二维平面示意图 LFR 系统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 1-2 所示。其依据是 1882 年法国物理学家 Augustin Jean Fresnel 提出的一个假设：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 1-2 线性菲涅尔聚光的演化 LFR 系统可用于产生中高温，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 LFR 更加适合于商业化。与槽式相比，LFR 系统也有着自己的聚光热发电原理：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）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 LFR 系统的热发电过程中，几乎不产生任何污染，符合目 前环保的主流观念。 LFR 系统这种更加适合商业化以及符合环保理念的特性使得其应用前景广阔，具 有较高的研究意义。 1.2课题研究现状课题研究现状课题研究现状课题研究现状 1.2.1国外研究现状 国外对太阳能的热利用很早就开始了，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 Augustin Jean Fresnel，19 世纪，Fresnel 发 现透镜在被分成多个小块后，其聚焦效果几乎一样。上世纪 60 年代，Giorgio Francia 将 Fresnel 发现的原理应用到了反射镜上，并制成了世界上第一个 LFR 太阳聚光聚集 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，LFR 聚光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 FMC 公 司的 Di Canio 等人详细设计了 10MW 和 100MW 的 LFR 式太阳能热发电站，将 LFR 技术首次应用于了大型化项目之中，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 LFR 技术的研究投 入稍显逊色， 其中以色列的科学家对 LFR 技术的研究兴趣最大。 以色列的 Paz 公司对 具有二次反射镜的 LFR 聚光系统进行了详细设计8。 之后其科学家又对使用真空管接 收器的跟踪型 LFR 聚光集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 D. R. Mills 和 G. L. Morrison 首次提出了紧凑型线性菲涅尔 式(Compact Linear Fresnel Reflector ， 简称 CLFR )太阳能聚光系统概念10。 其后 CLFR 受到了科研工作者们越来越多的关注，并被进一步发展。 本世纪之后，对 LFR 的研究呈现井喷式增长，这一趋势从迅速增长的研究论文数 量，以及逐渐增多的 LFR 型发电站中可以得到反映。2005 年，日本与澳大利亚的学 者对 LFR 系统中新型高熔点材料的应用进行了合作研究11。2009 年，Novatec Solar 公司建设了世界上第一座商业化运行的LFR式太阳能高温热发电站Puerto Errado1 （简 称 PE1）12；而 Puerto Errado 2 也在 2012 年底投入了试运行。2010 年，N. Velzquez 等对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）本科毕业设计说明书（论文）第 4 页 共 38 页 2012 年 Sudhansu S. Sahoo 等人分析了梯形腔在 LFR 系统中的应用14。随着 LFR 系 统理论的完善以及更进一步的深入研究， 世界各国纷纷将 LFR 系统投入到实际的应用 中，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 LFR 主要应用情况如表 1-1 所示15。 表 1-1LFR 应用情况 地点地点名称名称 完成完成 时间时间 工工 质质 集热单集热单 元数量元数量 集热管集热管 参数参数 占地面积占地面积蒸汽参数蒸汽参数所属公司所属公司备注信息备注信息 比利时 Solarmundo 实 验示范工程 2001 年水1 个 长 100m， 外径 0.18m 2500 2 m Solarmundo公司 年均效率 10%12%，峰值 功率为 111MW/km2 澳大利亚 新南威尔士 第一阶段2004 年 水 1 个长 62m 1350 2 m 6.9MPa 285 摄氏度 Liddell燃煤电站 第二阶段3 个长 300m 20000 2 m 第三阶段20 个长 300m 135000 2 m 西班牙 阿尔梅里亚 MAN Ferrostaal Power Industry 示范工程 2007 年水1 个长 100m 2100 2 m 11MPa 450 摄氏度 MAN Ferrostaal PowerIndustry 美国加州 Kim berlina 示范电站 2008 年水3 个长 385m 26000 2 m 7MPa 354 摄氏度 AREVASolar 公 司 1200 个反射镜 成 25 列排布 西班牙 木耳西亚 Puerto Errado12009 年 水 2 个长 860m 1866 2 m 5.5MPa 270 摄氏度 NOVATEC Solar 公司 第一所商业化运 行的 LFR 发电 站 Puerto Errado22012 年 302000 2 m 已知最大的 LFR 发电站 1.2.2国内研究现状 国内针对LFR太阳能集热系统研究尚属于起步阶段，并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CPC腔型集热系统进行研究16，北京工业大学提出了LFR太阳能聚光系统跟踪倾 角的矢量算法17。需要指出的是，皇明太阳能公司对LFR进行了较为深入的研究，并 建立了2.5MW的LFR式太阳能热发电示范工程18。 1.3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 LFR 系统的研究远远领先于国内， 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。 LFR 精确跟踪太阳的基础是它的传动机构，当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 1-2 所示。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）本科毕业设计说明书（论文）第 5 页 共 38 页 表 1-2 当前主要传动方式 传动传动方式方式优点优点缺点缺点所属公司所属公司 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。 PSA 连杆传动结构简单，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。 Novatec 单轴带传动精度较高电动马达和控制器等数量增加，制作成本高Aursa 单轴链传动 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。 PSE 国内在介绍 LFR 系统的文献中很少有提及到其控制系统设计的部分， 多集中于热 学性能的或光学性能的理论计算，而文献19-20中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 LFR 系统。 阴影和遮蔽问题一直是影响 LFR 系统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。 1.4本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本课题主要研究内容 根据 1.3 中的分析，确定本课题主要对 LFR 的跟踪系统进行设计研究。跟踪系统 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 LFR 跟踪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 LFR 精度需求的传动装置， 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）本科毕业设计说明书（论文）第 6 页 共 38 页 2 2 2 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计 2.1跟踪方法的确定跟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，LFR 系统是槽式 聚光系统的线性简化， 适合于大规模应用。 如图 2-1 所示， 为 Novatec Solar 公司的 PE1 项目截图，在大规模的使用中 LFR 通常使用单轴跟踪，光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 2-1 Novatec 公司的线性菲涅尔项目 2.2太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太阳光相对地面位置计算 在 LFR 系统中主镜场要能够将光线准确地反射至吸收器处，如图 1-1 所示。由于 本科毕业设计说明书（论文）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 s 和太阳方位角 s 来确定太阳所处位置，进而确定光 线入射方向。 太阳高度角 s 指太阳光线与地表水平面之间的夹角，可由下列公式求得： coscoscossinsinsin+= 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。 ttE= 0 （2） 式中 0 t为真太阳时，t为平太阳时。 用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 locbj Ltt=（3） 则： ()60/15/120 0 ELtt locbj +=（4） 式中Lloc为当地经度，单位为度， bj t指北京时间，t与t0的单位为小时，E为时差， 以分钟为单位。 E的精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： ()1n 365 360 =B（5） BBBEsin5 . 1cos53. 72sin87. 9=（6） 式中 n 为日期在一年中的天数。 因为地球每 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： () 0 1215t=（7） 为太阳赤尾角，计算方法如下： 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 8 页 共 38 页 () +=n284 365 360 sin5.423（8） 由公式（8）可知，春分和秋分时 0=，夏至时 5.423=，冬至时 5.423-=。 太阳方位角 s ，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） ： coscos sinsinsin cos = s s s （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 C 语 言或 BASIC 语言中的反余弦函数计算出的范围通常为 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。 2.3镜元倾角分析计算镜元倾角分析计算镜元倾角分析计算镜元倾角分析计算 LFR 聚光集热系统采用线聚焦方式，吸收器呈直线状，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 2-2 所示。 吸 收 器 镜 元 列 行 图 2-2 镜场的行和列示意及镜元定义 LFR 系统一般应用于于大规模太阳能光热系统中，采用单轴跟踪，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）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 1-1 可以看出，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。LFR 系统中，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22， 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 LFR 系统。 为实现太阳追踪， 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 2-3 所示，以反 射镜面西南角为 O 点，入射光线为 sasasasa，反射光线为 abababab。 S A A 吸 收 器 B B O 投 影 N北 S南 W西 E东 s s C w 图 2-3LFR 系统上的太阳光线反射 如图 2-3 所示，对太阳光线进行矢量分解，分为 sasasasa 和 a a a a a a a a，本课题中的 LFR 系统 为单轴跟踪，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 2-3 中的 北南ON S平面，投影后的示意图如图 2-4 所示。 H d 吸 收 器 反 射 镜 S A B 图 2-4 子午面上太阳光线反射轨迹的投影 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 10 页 共 38 页 在 北南ON S平面中入射光线为 sasasasa，反射光线为 abababab。 sasasasa与水平面的夹角为，abababab 与水平面的夹角为。 = 2 （10） 图 2-4 中吸收器与镜元位置固定，吸收器距离水平面的高度 H 与镜元距离吸收器 的水平距离 d 不变，因此，反射光线 sasasasa 矢量方向永远不变，保持不变。 d H arctan=（11） 可以通过图 2-3 求解。 = arctan OA OS （12） 由图 2-3，可以发现 OA OS s =tan（13） OA OA s cos=（14） 通过式（12） 、式（13） 、式（14）可推出： = s s cos tan arctan（15） 将式（11） 、式（15）带入式（10） ，将得到： + = 2 cos tan arctanarctan 2 s s d H （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 2-2 中的方位角 s 定义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 s 正好与 C 或 BASIC 语言计算出的结果相同，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 2-5 所示，图中倾角值以镜面朝北为正。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 11 页 共 38 页 s A A s s S南 N北 W西 E东 吸 收 器 图 2-5 镜元处于吸收器南面时 的计算公式和公式（10）相同，的计算公式与式（11）相同，的计算公式需要 作出改变： = s s cos tan arctan（17） 将公式（17）和（11）代入（10）中，得： 2 cos tan arctanarctan + = s s d H （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 cos tan arctanarctan 2 cos tan arctanarctan - 2 s s s s d H d H （19） 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 12 页 共 38 页 3 3 3 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 LFR 跟 踪系统的机械传动结构的设计。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。 3.1跟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 Solidworks 2012 软件设计平台。Solidworks 2012是一款基于Windows系统的三维CAD设计平台， 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 Solidworks 2012 自带多种设计插件， 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。 3.1.1方案 1：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 3-1 所示。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 3-1 曲柄滑块机构 将图 3-1 的曲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 SolidWorks2012 进行三维图设计，结果如图 3-2 所 示。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）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 3-2 方案 1 三维概念图 3.1.2方案 2：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 3-3 所示，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 3-3 方案 2 三维设计图 3.1.3方案 3：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）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 3-4 所示。 滑 道 可 调 支 撑 万 象 球 T型 螺 杆 图 3-4 方案 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，T 型螺杆每正（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 p 与可调支撑位移 s 的关系为： 2 ps =（20） 由式（20）可知，导程越小，跟踪精度越高。 3.1.4方案 4：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 3-5 所示。 图 3-5 方案 4 三维造型 本科毕业设计说明书（论文）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 3-5 可知，传动方向需要作出 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 3-5 所示。 图 3-5 使用锥齿轮改变传动方向 3.2方案的比较选择方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。 3.2.1镜元能否准确定位 本课题镜元沿东西水平布置， 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 3-6 所示。通过图 3-6，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）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 3-6 影响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。 3.2.2零件加工难度比较 对于方案 2 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。 3.2.3成本花费比较 在满足上述两个条件的前提下，本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）本科毕业设计说明书（论文）第 17 页 共 38 页 3.2.4实施方案的设计 综上三个部分所述，本课题最终选择方案 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 追踪时的转速通常会很慢，近乎处于平衡状态，只需很小的力就可以驱动其转动。 本课题最终选用步进电机进行驱动，步进电机型号及参数如表 3-1 所示，其中最 大静转矩为mN.82。 表 3-1 电机参数 型号型号 步距步距 角角 ( ) 机身长机身长 ()mm 电压电压 ( )V 电流电流 ( )A 电阻电阻 ( ) 电感电感 ()mH 静力矩静力矩 ()mN 定位力矩定位力矩 ()mN 转动惯量转动惯量 () 2 cgm 引线引线 数数 重量重量 ()gK 23H24301.81124.80.1280041.4 齿轮选用 1.5 模、25 齿的 45 钢锥齿轮，齿轮仅仅用来改变方向，传动比为 1，为 节约成本，齿轮不再进行加工，直接购买加工好的齿轮，购买时尽量选用已加工有键 槽的齿轮，参数详见表 3-2 所示；自制零件进行了详细设计，总装图及零件图详见附 录。 表 3-2 齿轮参数 材料材料 模数模数 ()mm 齿齿 数数 齿宽齿宽 ()mm 整体高度整体高度 ()mm 分度圆锥顶角分度圆锥顶角1 1 ( ) 齿宽系数齿宽系数R R 传动传动 比比 平均分度圆直径平均分度圆直径 dm ()mm 45 钢调制1.525约 1224450.451约 37.5 3.3可靠性分析可靠性分析可靠性分析可靠性分析 方案确定后需进行可靠性分析，并及时对方案进行修改。 3.3.1锥齿轮的可靠性分析 方案 4 中，用来改变传动方向的锥齿轮是保证传动精度的主要影响因素。由于镜 元在任何位置其两侧重力始终保持平衡，在电机不进行驱动的情况下，锥齿轮除了自 身重力，不受其它外力。在对锥齿轮的可靠性分析时可以假定成电机输出最大力矩， 即 2.8N，因为同时驱动两个镜元，每对齿轮的传递力矩为 1.4N，参考文献24，以及 表 3-2 中的齿轮参数，对此时的情况进行可靠性分析。 （1）齿根弯曲疲劳强度校核公式： 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 18 页 共 38 页 MPa bm YYKF F m SaFa F = t （21） 式中K指载荷系数， aF Y指齿形系数， aS Y指齿根应力修正系数，三者值，可由文献24 中查表得到，其中 K 值进行适量放大。9.512.625 aa = SF YYK；。b为齿宽，由表 3-2 得mmb12=。 t F为圆周力； m m为平局当量齿轮模数。 t F计算公式如下： m dTF/2 1 =（22） 式中 1 T为传递转矩，mNT=4 . 1 1 ， m d为平均分度圆直径， 由表 3-2 可得mmdm 5 . 37=， 带入公式NFt59.96=。 m m计算公式如下： () Rm mm5 . 01=（23） 式（23）中 R 为齿宽系数，由表 3-2 可得齿宽系数5.40= R ，则 m m的值为： ()mmmm Rm 16 . 1 )45 . 0 5 . 01 (5 . 15 . 01=。 将公式（22）和（23）代入（21）中，得到：a5.10MP F ，F为许用应力， 计算公式为： S limFFN F K =（24） 式中 FN K为寿命系数，S 为安全系数， limF 为极限弯曲应力。通过文献26，可以得 到 lim 5 . 11 FFN SK，=可取较小一点的值，本课题选用MPa400，代入公式（24）， 得到： MPa F 67.266=，远远大于 F 。 （2）齿面接触疲劳强度校核公式： () H RR EH KT Z = ud1 5 3 1 2 1 （25） 式中 1 d为齿根分度圆直径，mmnmd 5 . 37255 . 1 1 =， E Z为弹性模量，有文献26 中可得a.8189MPZE=，u为传动比，1=u。可求得a3.021MP H =。 H与 F求 法相同: S Hlim HN H K =（26） 取 KFN=1，S=1.5， limH 取较小值，为MPa350， a3.3233MP H =，远远大于 H 。 通过齿根弯曲疲劳强度校核和齿面接触疲劳强度校核，可知，选用的锥齿轮满足 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 19 页 共 38 页 本课题的要求，可靠性好。 3.3.2保持力矩的可靠性分析 因为模型运行环境为风力 3-4 级的环境，因此设计时未加“自锁机构” ，当电机通 电时，需要分析机构是否能够保持平衡，因为反射镜在任何位置都可以保持平衡，因 此只需要考虑平行四杆机构。 通电后，若电机不转动， 机构所受外力仅为重力，在 SolidWorks 中定义零件材质， 可以直接获得零件质量。做出四杆机构的受力分析图，如图 3-7 所示。 F1=0.2 1N F2=1.0 6N F3=0.2 1N F4=0.4 1N F5=0.1 5N L1m ax=0.5 7 5m L2m ax=0.3 7 5m L3m ax=0.1 7 5m L4m ax=0.1m L5m ax=0.0 2 5m 电 机 转 轴 图 3-7 四杆机构受力 通过图 3-7，可以将力换算成电机转轴上的力矩 gmax T，计算公式如下： m035.60 max55max44max33max22max11gmax =+=NLFLFLFLFLFT 电机通电后的保持力矩为其静转力矩，由表 3-1 可知静转力矩为mN.82，远大于 gmax T，可以保持平衡。 3.3.3基于 Solidworks Simulation 的可靠性分析 Solidworks Simulation 是 Solidworks 中自带的有限元分析插件， 可以利用它进行简 单的有限元分析。分析步骤如图 3-8 所示25。 创 建 算 例 添 加 应 用 材 料 添 加 约 束施 加 载 荷划 分 网 格分 析 运 行结 果 分 析 对 装 配 体：设 定 接 触 条 件 图 3-8 Simulation 的分析步骤 根据图 3-8 步骤，可以利用 Simulation 对危险点进行受力分析： （1）对平行四杆机构可靠性分析：假设电机输出最大转矩mN.82，平行四杆机 构因为外部原因卡住了，保持在了固定的位置，在 Simulation 中建立分析算例，施加 载荷，结果如图 3-8 所示。由图 3-9（a）可知最大应力为MPa8，小于材料的屈服应 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 20 页 共 38 页 力MPa4.155，图 3-9（b）中的最大位移为mm 3 10446. 8 ，在本课题可接受范围之 内。 (a) 应力分析（b）位移分析 图 3-9 四杆机构可靠性分析 （2）对悬臂梁部分建立有限元分析算例，结果如图 3-10 所示。两侧载荷分别为 反射镜框架及齿轮重力所施加，图中应力分析及位移分析结果显示最大应力为 Pa.1183957，小于材料的屈服应力，最大位移为mm 5- 1019.37，基本满足本课题要 求，因此悬臂结构的部分