（机械设计及理论专业论文）太阳光线双轴智能跟踪系统研究.pdf

摘要 随着光伏发电技术的迅速发展，提高发电效率一直是国内外研究的热点。太 阳光线跟踪是提高发电效率的有效途径之一。太阳能跟踪系统已从过去单轴跟踪 系统向着双轴跟踪、自动化、智能化方向发展。为满足当前光伏发电技术发展的 需要，本课题开发出一套技术经济性好的太阳光线跟踪系统。主要研究内容如下： ( 1 ) 总体方案设计研究：根据跟踪装置的性能指标和要求，分析跟踪系统的组 成，介绍其工作原理；通过对跟踪装置的传动方案、电机类型、控制器等性能对 比确定了系统的总体设计方案；根据设计方案对装置进行总体布局，详细说明其 组成部分和工作过程，并提出设计的创新点。 ( 2 ) 机械结构设计研究：根据装置总体布局，重点设计了太阳能电池板框架、 支架、支座及其它零部件，对关键零部件进行计算和选型；通过动力学分析确定 电机型号；基于s o l i d w o r k s 软件平台，对太阳光线跟踪装置进行三维建模和组 装，以验证各零部件装配的可行性。 ( 3 ) 机械结构分析：采用弹性力学基本理论、有限元方法和优化理论，利用 a n s y s 分析软件对装置整体模型进行静态分析、模态分析和轻量化；通过结果评 定，验证设计结构的可行性，为样机试制奠定基础。 ( 4 ) 控制系统设计研究：根据跟踪系统所要实现的功能，对控制系统的硬件和 软件进行设计，并通过实验证明系统具有良好的控制性能和机械性能。 关键词：光伏发电，太阳能，双轴跟踪，有限元，静态分析 i i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n t e c h n o l o g y ， i m p r o v i n gp o w e re f f i c i e n c y i sa l w a y st h er e s e a r c hh o t s p o ta th o m ea n da b r o a d d e v e l o p i n gs u nr a yt r a c k i n gs y s t e mi so n e o ft h em o s te f f e c t i v ew a y so fi m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c yi ne le c t r i cp o w e rg e n e r a t i o n s u nr a yt r a c k i n gs y s t e mh a sb e e nf r o mt h ep a s t u n i a x i a lt r a c k i n gs y s t e mt o w a r dt h et r e n do fd u a l - a x i a lt r a c k i n g ，a u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n c e i nt h i sp a p e r , as e to ft h es u nr a yt r a c k i n gs y s t e mw i t hg o o dt e c h n i c a l e c o n o m yw a sd e v e l o p e df o rm e e t i n gt h ec u r r e n t n e e d so ft h ep h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o v e r a l ls c h e m ed e s i g nr e s e a r c h ：a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ei n d e xa n dt h e d e s i g nc r i t e r i ao ft h et r a c k i n gd e v i c e ，t h ec o m p o n e n t so f t h es y s t e mw e r ea n a l y z e da n d i t sw o r k i n gp r i n c i p l ew a si n t r o d u c e d t h eo v e r a l ls c h e m ed e s ig nw a sd e t e r m i n e db y c o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft r a c k i n gd e v i c es u c ha st h e t r a n s m i s s i o ns c h e m e ，m o t o r t y p e ，c o n t r o l l e r ，a n ds oo n i nt h ee n d ，b a s e do nt h eo v e r a l ls c h e m ed e s i g n ，t h eg e n e r a l l a y o u to ft h ed e v i c ew a s m a d e ( 2 ) m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g nr e s e a r c h ：a c c o r d i n gt o t h eg e n e r a ll a y o u t ，t h e s t r u c t u r eo fs o l a rp a n e lf r a m e ，b r a c k e t ，s u p p o r ta n do t h e rc o m p o n e n t sw e r ed e s i g n e di n d e t a i l t h ek e yc o m p o n e n t so ft h ed e v i c ew e r ec a l c u l a t e da n d s e l e c t e d t h em o t o r m o d e lw a si d e n t i f i e db yd y n a m i c sa n a l y s i s i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h e a s s e m b l yo ft h ec o m p o n e n t ，t h e3 dm o d e lo ft h et r a c k i n gd e v i c ew a se s t a b l i s h e da n d a s s e m b l e di ns o l i d w o r k ss o f t w a r e ( 3 ) m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n a l y s i s ：b a s e do nt h ee l a s t i cm e c h a n i c st h e o r y ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o da n dt h eo p t i m i z a t i o nt h e o r y , s t a t i ca n a l y s i s ，m o d e la n a l y s i s a n d l i g h t w e i g h tw a sm a d ei na n s y ss o f t w a r ef o rt h et r a c k i n gd e v i c e t h ee v a l u a t i o no f a n a l y s i sp r o v e st h a tt h es t r u c t u r ed e s i g no f t h ed e v i c ei sf e a s i b l e ，a n dt h er e s u l t so ft h e a n a l y s i sc a nl a yt h ef o u n d a t i o nf o rp r o t o t y p et e s to ft h ed e v i c e ( 4 ) c o n t r o ls y s t e md e s i g nr e s e a r c h ：a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nw h i c ht h et r a c k i n g s y s t e mw i l la c h i e v e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d p r o t o t y p et r a c k i n ge x p e r i m e n t d e m o n s t r a t e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t ya r eg o o d k e y w o r d s ：p v , s o l a r ，d u a l - a x i st r a c k i n g ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t a t i ca n a l y s i s 张善文：太阳光线双轴智能跟踪系统研究 1 1 课题背景 第一章绪论 随着全球矿物燃料的日益枯竭和人类生存环境的不断恶化，世界能源问题日 益严峻，主要表现在能源短缺、环境污染、温室效应三个方面【l 吒】。相对于日益枯 竭的化石能源来说，太阳能是未来社会能源的希望所在p j ，它具有储量的“无限性”、 存在的普遍性、生产的清洁性和经济性四大特点。因此，太阳能是理想的替代能 源之一，太阳能的开发利用是解决能源短缺问题、实现可持续发展的有效途径之 一。 太阳能是可再生能源家族中资源量最大，分布最普遍的能源。全球权威能源 机构预测，到本世纪中期太阳能将成为人类能源构成中的重要组成部分，而到本 世纪末太阳能将成为人类能源构成的主要部分。将太阳能直接转换为电能这一能 源高端产品的光伏发电技术已取得突破，有望在3 0 年左右的时段内成为重要的电 力能源之一【4 1 。 各国科研机构对光伏发电技术进行了深入研究，理论上已趋于成熟。目前， 该技术己在世界范围内得到推广。随着光伏发电技术的不断进步，光伏发电成本 的不断降低，各国纷纷出台各种政策支持，使得光伏发电成为最近几年发展最迅 速的产业。美国、欧盟各国、日本、韩国和新加坡等国家都将太阳能发电作为自 己的支柱产业，纷纷建设了大规模的光伏发电电站。各国政府采用的措施如高价 或平价购买太阳能发电系统所发的电力、补助金、减免税和r p s 制度等，r p s 制 度是政府规定电力公司有义务购买可再生能源的制度。据国际能源组织最新公布 的统计数据显示，2 0 0 7 年其2 7 个成员国的太阳能发电的总发电量为2 2 6 亿瓦， 其中德国太阳能发电的发电量在世界首次达到10 亿瓦，以此为标志，全球太阳能 发电进入了1o 亿瓦时代【5 】。预计到2 0 3 0 年太阳能发电将占世界电力供应的10 以上，2 0 5 0 年达到2 0 以上。大规模的开发和利用使太阳能在整个能源供应中将 占有一席之地【6 1 。 我国有丰富的日照资源，太阳能源丰富，据估算，我国陆地表面每年接受的 太阳辐射能约为5 1 0 1 9 千焦，约相当于17 0 0 亿吨标准煤。全国各地太阳能辐射总 量达( 3 3 5 8 3 7 ) 1 0 6 千焦米2 年，中值为5 8 6 1 0 6 千焦米2 年，全国约三分之二 的地区辐射总量高于此中值。这给光伏发电技术提供了条件【7 】。我国从19 5 8 年开 始研制光伏电池，19 7 1 年用于人造卫星，19 7 3 年开始地面应用。8 0 年代引进了7 条生产线，初步建立了自己的光伏产业。进入21 世纪以来，光伏发电工业发展迅 速，并被列入国家重大科技攻关计划和国家重大工程建设计划，如原国家计委的“光 明工程”、“送电到乡工程”，电力部的“西藏无电县建设”计划，林业部的“森林防火 通讯工程”，邮电部的“光缆工程”和广电部的“村村通工程”等，进一步促进了光伏 2 扬州大学硕士学位论文 发电技术发展和产业形成。目前，全国共有4 0 多家生产、安装和销售企业，从业 人员近万人，2 0 0 4 年生产光伏电池3 6m w p ，光伏组件1 0 0m w p ，电池效率达到 13 15 ，组件价格下降到2 6 - - 一，2 8 元w p ，直接年产值约4 5 亿元，呈现出良好的 发展前景。 目前在光伏发电技术中，由于太阳的光照方向和强度随时间不断变化，因此， 如何提高太阳能的利用率成为国内外学者研究的热点。解决这一问题主要从两方 面入手，一是提高电池的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能 量转换领域，还有待研究，而后者利用现有技术则可解决。太阳跟踪系统为解决 这一问题提供了可能。太阳跟踪指的是在太阳照射过程中受光面跟太阳光线始终 趋于垂直，以在有限的使用面积内收集更多的太阳能，除了提高太阳光电池本身 的转换效率和蓄电池充放电效率外，太阳跟踪是太阳光伏发电系统中另一种提高 转换效率的有效手段。科研人员在英国伦敦进行太阳跟踪与非跟踪试验表明：对 于完全相同的平板，与太阳辐射方向垂直的表面和朝南方向固定的表面，两者相 比较得出接收到的太阳辐射的比值大约是3 ：l 。理论分析表明：太阳的跟踪与非跟 踪，能量接收率相差3 7 7 。可见太阳跟踪可使太阳能的接收效率大大提高，进而 提高太阳能的利用率。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 太阳跟踪系统的研究最早起源于国外，是随着太阳能的利用发展起来的。太 阳跟踪系统最早应用于太阳能热水器，之后随着光伏发电技术的迅速发展及不断 进步，开始被运用到光伏发电系统中。为提高光伏发电的发电效率，太阳跟踪系 统成为国内外科研院所研究的热点。 1 2 1 国外研究现状 19 9 4 年，自动跟踪式太阳能厨房在德国北部格鲁斯堡被安装使用。该厨房设 置了太阳自动跟踪系统，系统设计中采用一个机械式太阳方位自动跟踪器，该跟 踪器可带动抛物型镜面旋转，使其始终处于最佳日照状态【8 l 。1 9 9 6 年，塞浦路斯 的s a k a l o g i r o u 研究出一种装有三个感光电阻器的单轴跟踪系统，第一个电阻检 测采光是否收集，第二个确定是否有云层覆盖，第三个判断是白天或黑夜。产生 的信号输入到电子控制系统，直流电机通过减速器驱动轴带动装置跟踪太阳【9 】。 19 9 7 年，美国学者b l a c k a c e 研制出一种单轴跟踪器，该装置采用太阳方位角自由 度自动跟踪，高度角自由度手动调节，接收器的热接收率提高了15 。19 9 8 年， 美国加州研究出一种a t m 两轴跟踪器，使热接收率进一步提高。2 0 0 2 年，美国亚 利桑那大学研制出一种新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采 用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻【1 0 】。2 0 0 4 年，由智利的p r o t h 、a g e o r g i e v 和巴西的h b o u d i n o v 在瓦尔帕莱索研制出一种跟踪太阳的机电系统。该系统可自 动测量太阳的辐射，由闭环伺服系统控制跟踪装置自动运行。该装置经测试证明 张善文：太阳光线双轴智能跟踪系统研究 3 了一个简单而廉价有效地工作机制，可适用于太阳能电池板装置、集热器等j 。 同年，约旦应用科技大学s a l a ha b d a l l a h 和s a l e mn i j m e h 共同研发出一种基于 p l c 控制的机电一体的双轴太阳跟踪系统，该系统采用开环控制系统，用可编程 逻辑控制器来控制装置运动跟踪太阳。实验结果表明与固定式相比，采用双轴跟 踪最多收集的能量提高4 1 3 4 【1 2 】。2 0 0 6 年，希腊学者g c b a k o s 通过实验研究得 出相比朝南4 0 度倾斜固定太阳光收集器，采用双轴跟踪能够使太阳光接收率显著 提高( 高达4 6 6 ) ，该跟踪装置的太阳光收集器采用了抛物面槽型结构，一端由 金属桁架支撑，另一端由桥塔支撑，桥塔上的蜗轮蜗杆减速器、链传动及空中吊 运车可实现高度角的调整，太阳光收集器中间的主轴可在东西方向转动，实现方 位角跟踪【l3 1 。 1 2 1 国内研究现状 国内不少高等院校、科研机构及公司企业也开展了这方面的研究。19 9 2 年， 辽宁发电厂李秀实提出一种利用太阳能的太阳灶自动跟踪系统，它利用灶面上偏 离光的热量使水汽化，利用蒸汽作动力推动太阳灶转动，该系统不需要外力和其 他能源，跟踪过程不用人管理，可免除繁琐的劳动，且其具有结构简单，易于加 工制作的特点【l4 1 。19 9 4 年，陆利生和张勇超设计出一种液压传动的单轴太阳自动 跟踪器，该跟踪器通过低沸点液体在常温下汽化产生的饱和蒸汽压驱动液压缸运 动，从而达到跟踪目的【l5 1 。1 9 9 6 年，一种步进式太阳能自动跟踪装置在内蒙古自 治区固阳县投入使用，用来带动3 0 k g 重的低倍聚光太阳电池方阵。该装置采用单 轴步进式半自动跟踪方案，具有积累误差小，抗干扰能力强，自耗电率小，造价 低廉等优点，但存在机械晃量、电机寿命及单轴跟踪的缺点【l6 1 。2 0 0 3 年太阳能 学报介绍了一种智能型全自动太阳跟踪装置。2 0 0 8 年，中国气象局气象探测中 心研制出一种全自动太阳跟踪器，能实现高精度的全天候太阳自动跟踪。该系统 是一套计算机控制的光、机、电一体化的自动太阳跟踪系统，具有太阳运行轨迹跟 踪方式和传感器跟踪方式两种可自行平滑切换的工作模式【l 7 1 。江苏东升光伏发电 设备有限公司自主研发出一种单轴自动跟踪光伏支架，采用连杆驱动，最大风速 为4 2m s ，保护风速为3 0m s ，跟踪范围为6 0 度n 6 0 度，系统具有远程群控、远程 监视、自动保护和夜间休眠等功能。中国专利c n 2 0 10 39 0 3 8 公开了一种用于光伏发 电的自适应对日跟踪装置，无需控制和驱动电机用的电子元器件，结构简单、使 用寿命长、可靠性高、成本低、耐气候性好。中国专利c n 2 0 15l8 4 6 1 u 公开了一种 双回转驱动太阳能双轴跟踪机构，包括支架、电池组件支架、设置在电池组件支 架上的电池组件板，支架上设有第一回转驱动器可使电池组件实现方位角跟踪， 电池组件支架上设有第二回转驱动器，可使电池组件实现高度角跟踪，当飓风来 临时，该装置能做出调整，避免对发电系统造成损害，具有较强的抗自然灾害能 力。 4 扬州大学硕士学位论文 1 2 3 发展趋势 从国内外对太阳跟踪系统的研究情况来看，太阳光线跟踪按照跟踪方式不同 分为单轴和双轴两种。单轴太阳跟踪装置结构简单，制造费用低，相对于固定式 装置来说，太阳光接收率有较大提高。由于单轴跟踪装置一般只能实现东西方向 的太阳跟踪，而不能对太阳的南北方向的倾角变化进行自动跟踪，因此太阳光接 收率相对来说仍较低。双轴太阳跟踪装置结构比单轴的复杂，实现跟踪的机构形 式也多样，但其可对太阳进行精密跟踪，能最大限度提高太阳光的接收率，因此 很受国内外学者的关注。随着科学技术的不断发展和进步，光伏转换效率的提高， 太阳跟踪装置的研究会朝着全自动太阳跟踪的方向发展。全自动太阳跟踪装置是 高抗风结构，大范围跟踪，根据地平坐标系、双轴跟踪原理，采用光、机、电一 体化技术，通过对太阳光强弱的检测，实现对太阳的全自动跟踪，能做到同步无 偏差地跟踪太阳，大大提高太阳光的接收率。 1 3 课题研究意义和研究内容 1 3 1 课题的研究意义 随着光伏发电技术在太阳能利用领域的迅速发展，太阳能跟踪系统日益向着 自动化、智能化方向发展，单轴跟踪系统己不能满足光伏发电的新要求。研究太 阳光线双轴智能跟踪系统，可对太阳光线进行精密自动跟踪，提高太阳光的接收 效率，进而提高太阳能的利用率，减少人工干预，降低光伏发电的成本。通过对 太阳光线的跟踪实现太阳能电池发电功率最大化，使发电效率增加。随着石油资 源的日益紧张，太阳能在光伏发电中的高效利用将具有明显的社会和经济效益。 在光伏发电系统中，跟踪装置的结构刚度低，装置就容易发生变形，引起太 阳能电池不能正对太阳光，太阳光接收率下降，从而导致整个光伏发电系统的能 量转换效率下降。同时，为防止自然灾害，主要是大风天气，装置的机械结构应 具有较强的抗风能力，在强风的作用下不会发生破坏和大变形，所以装置的机械 结构应作合理的设计。此外，如果跟踪控制系统不能保证正常运行，光电转化效 率将会大大降低。控制系统的稳定性、精度等性能的好坏直接关系到整个光伏发 电系统的优劣，其中跟踪的控制精度对整个光伏发电系统的效率会产生很大影响。 因此，设计一种太阳光线双轴跟踪装置，使其具有高抗风能力，大跟踪范围，结 构紧凑，商品化关键零部件，高精度，低价格的特点，并尽快将这一技术转化为 生产力，形成技术含量高，生产批量大，使用维护方便的产品，推动太阳能的普 及利用，拓宽太阳能的利用领域，具有重要意义。 1 3 2 课题的研究内容 本文根据太阳光线双轴智能跟踪系统的性能指标，在分析其体系结构的基础 上，提出总体设计方案；根据性能指标及要求，对机械结构进行详细设计，对关 张善文：太阳光线双轴智能跟踪系统研究 5 键零部件进行计算和选型；采用弹性力学理论、有限元方法及优化原理，运用 a n s y s 分析软件对机械装置进行静态分析和轻量化；根据跟踪系统性能指标及要 求，对控制系统的硬件和软件进行设计，并通过控制系统与样机的跟踪试验，验 证了系统的控制性能与机械性能。主要研究内容如下： ( 1 ) 总体方案设计研究：根据跟踪装置的性能指标和设计要求，分析跟踪系 统的组成及工作原理，通过跟踪装置的传动方案、电机类型、控制器等性能对比 确定系统的总体设计方案，并根据设计方案对装置进行总体布局； ( 2 ) 机械结构设计研究：根据装置总体布局，详细设计太阳能电池板框架、 支架、支座及其它零部件，在结构设计的基础上，对关键零部件进行计算和选型。 通过动力学分析确定电机型号，并计算出工作能耗。在s o l i d w o r k s 中对太阳能 跟踪装置进行三维建模和装配，验证各零部件装配的可行性，为结构分析提供几 何模型： ( 3 ) 机械结构分析：采用弹性力学基本理论、有限元方法和优化理论，利用 a n s y s 分析软件对装置整体模型进行静态分析、模态分析和轻量化，并根据强度 和刚度评定准则对分析结果进行评定，验证设计结构的可行性，为样机试制奠定 基础； ( 4 ) 控制系统设计研究：详细设计了太阳能跟踪装置的控制系统。根据跟踪 装置的性能指标及要求，设计太阳跟踪装置的硬件和软件部分，其中硬件设计包 括微处理器控制单元、电源电路、串行通讯电路、光电检测单元、电机驱动单元、 接近开关及其相应外围电路，并给出相应的实际电路；软件设计包括主程序，t l 中断子程序和t 2 中断子程序。最后通过实验证明系统具有良好的控制性能和机械 性能。 6 扬州大学硕士学位论文 第二章太阳光线双轴智能跟踪系统总体设计研究 2 1 太阳光线跟踪装置设计指标 ( 1 ) 能托载6 组太阳能电池板，每组太阳能电池板功率为18 0w ，组件尺寸 为1 5 8 0 x 8 1 0 x 4 6m m ，重量1 5 5k g ； ( 2 ) 为保证太阳能电池板正对太阳，装置可在方位角和高度角方向进行跟踪， 方位角跟踪范围：o 2 0 0 0 , 高度角跟踪范围：o 9 0 0 ； ( 3 ) 为使装置在暴风下不发生破坏，必须有一定的抗风能力，最大抗风可达 1 5 0k m h ，最大工作风速9 级； ( 4 ) 为保证跟踪装置正对太阳时不受大风影响，装置必须有锁紧或自锁功能； ( 5 ) 跟踪精度为士1 0 ，合理选择电机，以实现精密跟踪； ( 6 ) 跟踪能耗冬1w ，缩短工作时间，以减小发电成本。 在满足以上要求的前提下，应使装置的重量轻，材料选择合适，成本低，尽 量简化结构和工艺，便于安装、拆卸、调试和维修。为使装置成为一个有机整体， 还需考虑电源，控制电路，传感器及相关零部件的布置，装置的外形封装等，使 整个系统结构简单紧凑，性能可靠【l8 l 。 2 2 系统总体设计要求及准则 2 2 1 设计要求 ( 1 ) 工况要求 系统总体设计首先必须保证装置的特定工作要求，例如：保证执行跟踪功能 的零部件能顺利运转，装置的外形或内部结构不致有阻碍运动件通过的突起；设 置执行方位角和高度角跟踪所必需的工作平台；此外还需考虑环境方面的要求， 在沙漠环境下应能防尘，便于太阳能电池板的清洗。 ( 2 ) 刚度要求 在保证特定外形的条件下，对太阳跟踪装置的主要要求是刚度。在不同工况 下，装置的刚度直接影响到其对太阳光线的接收率。比如，钢结构的刚度评判按 照钢结构设计规范进行，受弯构件的许用挠度不超过1 2 5 0 ，其中l 为受弯构 件的跨度( 对悬臂梁和伸臂梁为悬伸长度的2 倍) 。 ( 3 ) 强度要求 对于跟踪装置，刚度达到要求，同时也能满足强度要求。但对于强风下的跟 踪装置，能否具有抵抗1 2 级风的能力，仍需进一步计算校核。其准则是装置在1 2 级风压下，装置上任何点的应力都不得大于许用应力。 ( 4 ) 控制要求 张善文：太阳光线双轴智能跟踪系统研究 7 所选电机、光电传感器、单片机等原器件的性能应可靠、工作稳定、性价比 高，设计的电路应简单可靠、稳定性强，控制系统应能满足稳定性、可靠性、跟 踪精度、跟踪能耗等要求，保证跟踪装置的正常运行。 ( 5 ) 美观 跟踪系统在能满足系统功能的前提下，还要使外形美观。 ( 6 ) 其他 质量轻，结构简单紧凑等要求【1 9 】。 2 2 2 设计准则 太阳光线双轴智能跟踪系统设计准则主要包括机械设计准则和电气设计准则 两部分。 ( 1 ) 机械设计准则 太阳能跟踪装置的机械结构设计，必须具备一定的抗风能力，在大风下不发 生破坏和大变形，并考虑与装配过程有关的约束及其许用误差。太阳跟踪装置在 工作时受到的主要载荷有自重、风载荷等。 在设计过程中根据力学理论对构件的强度和刚度进行分析是必不可少的，需 要引用到以下准则： 1 ) 等强度准则：构件设计中的强度要求是通过结构中最大工作应力等于或小 于材料许用应力来满足的，这样最大工作应力截面以外的地方的应力都未达到许 用值，材料未得到充分利用，造成材料的浪费。最理想的构件设计是应力处处相 等，同时达到材料的许用值，此即为等强度准则。 2 ) 刚度准则：构件设计中的刚度要求是通过一些准则来满足的，这些准则包 括：用构件受拉、压替代受弯曲准则；合理布置受弯曲零件的支承，避免对刚度 不利的受载形式准则；合理设计受弯曲零件的断面形状，尽可能大的断面惯性矩 准则；正确采用肋板以加强刚度，尽可能使肋板受压准则；用预变形( 由预应力 产生的) 抵消工作时的载荷变形准则。 ( 2 ) 电气设计准则 电气布线时，导线不应跨过活动的设备、部件或紧固件，且不应拉得过紧， 以防止在连接器、接头、线夹上和导线上加上应力。电气线路设计应尽可能简单， 电路设计应可靠。控制器应实时性强，运算速度快，编程简单，性价比高。所选 电机、传感器等电气原器件应可靠性高、成本低。 2 3 系统总体设计 2 3 1 太阳光线跟踪控制方法 常用的太阳光线跟踪控制方法主要有以下三种： ( 1 ) 光电传感器跟踪 太阳位置改变时，采用光电传感器将太阳光照强度的变化转化为电信号的改 8 扬少1 1 大学硕士学位论文 变，将电信号的变化进行分析、判断、处理，用以驱动电机运转以带动调整机构， 从而改变跟踪装置位置，实现太阳光线的跟踪。其特点是：靠光电传感器与太阳 运行方位间的信息相互作用实现太阳跟踪，光电传感器实时采集太阳的方位信息， 控制器分析比较太阳的光强变化，从而驱动跟踪装置实现追踪太阳。该方式不受 太阳跟踪装置安装的地理位置及其冬夏时差的影响与限制，装置使用方便、灵活， 跟踪精度高，控制成本低，控制系统适应性强。 ( 2 ) 以地球为参照系，根据时间、位置( 经度、纬度) 来控制 此方法是跟踪太阳的高度角和方位角。在地平坐标系下，太阳的位置是由太 阳高度角和方位角确定的。太阳高度角和方位角随时间不断变化，而装置所安装 的地理位置( 经度、纬度) 是固定不变的，因此可以控制时间来实现对太阳光线 的跟踪。当太阳刚升起时，太阳能电池板将太阳光照产生的电信号发送给控制器， 控制器开始定时发送驱动信号，驱动电机调整装置位置，以适应太阳高度角和方 位角的变化。当太阳下山后，装置因没有光信号而停止工作。这种控制方法的特 点是：以地球坐标系为参照系，跟踪装置的地理位置不变，按跟踪装置所在地当 前时日的固有运行轨迹进行定时跟踪。该方式在太阳光线较弱时也能跟踪太阳， 装置使用方便、简单，但是在移动载体上的应用受到限制，如车、船等。地理位 置不同，对应的太阳光线与时间之间的关系不一样，控制系统适应性差。 ( 3 ) 以太阳为参照系，根据星系公转、自转规律来控制 此方法是在赤道坐标系下，跟踪装置设两个跟踪自由度，将跟踪装置的一轴 指向天球北极，即与地球自转轴相平行，称为极轴，另有一轴与极轴垂直，称为 赤纬轴。工作时，装置绕极轴运转，其转速设定与地球自转角速度大小相同方向 相反用以跟踪太阳的视日运动；装置围绕赤纬轴作俯仰转动调整赤纬角。这种跟 踪方式类似与第二种跟踪方式，但在结构上装置的重量不通过极轴轴线，极轴支 承装置的设计比较困难。 由于本课题所研究的太阳跟踪装置是固定地点安装的，跟踪范围是固定的， 综合考虑成本、跟踪精度和控制系统的适应性等因素，本课题采用第一种跟踪控 制方法：基于地平坐标系，光电传感器定时跟踪的控制方法。晚上，装置不工作； 白天每隔一个间隔时间段由光电传感器将光照强度的变化转化为电信号，电信号 通过驱动电机，调整太阳的方位角和高度角偏差，精确跟踪太阳。 2 3 2 系统组成及其工作原理 根据系统的设计指标、要求及所采用的控制方法，跟踪装置应能在方位角和 高度角方向进行跟踪，并保证两个方向的跟踪范围，实现一定的跟踪精度。跟踪 装置在地球坐标系下具有六个自由度，三个移动自由度和三个转动自由度。由于 装置为固定地点安装，三个移动自由度被约束。要实现方位角和高度角方向的跟 踪，这两个方向的转动自由度不能约束。为保证跟踪准确，第三个转动自由度被 约束。因此，本课题将采用双转动自由度跟踪机构，每个转动自由度采用一个独 立的动力源，每个动力源带动对应的调整机构，从而调整太阳能电池板与太阳光 张善文：太阳光线双轴智能跟踪系统研究 9 线的垂直偏差，实现高度角和方位角的跟踪。为使装置工作稳定可靠、跟踪精度 高，还需要选择合适的传感器、控制器以及设置相应的动作开关。 在上述分析基础上，提出太阳能跟踪装置的工作原理框架如图2 1 所示。该系 统为双轴跟踪系统，可同时在方位角和高度角两个方向上跟踪，由传感器、控制 器、方位角和高度角电机、方位角和高度角调整机构以及极限开关等组成【2 0 2 1 1 。 控 制 器 传感器 高度角电机卜叫高度角调整机构 方位角电机卜_ 叫方位角调整机构 高度角极限开关 方位角极限开关 太 阳 能 电 池 板 图2 1 跟踪装置工作原理图 跟踪系统采用的控制方法是：基于地平坐标系，光电传感器定时跟踪的控制 模式。 方位角跟踪工作原理：晚上，太阳能电池因接收不到太阳光线，不产生任何 信号，整个系统不工作。阴天，由于光照强度不够，传感器给控制器发送停止工 作的信号，整个系统也不工作。白天，当一天刚开始时，首先由控制器中的时钟 信号发出工作信号，通知控制器的计时器开始计时。当计时器达到预定间隔调整 时间时，光电传感器通过太阳光线与太阳能电池板的方位角垂直偏差产生电信号， 控制器通过接收电信号向方位角电机发送跟踪信号，由方位角电机带动方位角调 整机构，改变太阳能电池板位置，实现方位角的精确跟踪。当太阳下山时，控制 器的时钟信号发出回转信号驱动电机反转，在调整机构的带动下，太阳能电池板 回转至初始极限位置，停止工作，等待第二天的到来。 高度角跟踪工作原理：高度角跟踪原理与方位角跟踪类似，不同的是，高度 角跟踪时，预定的跟踪时间间隔较长，跟踪调整的次数少。 2 3 3 传动方案选择 太阳跟踪装置是固定地点安装的，跟踪范围是固定的，方位角跟踪范围为：0 2 0 0 0 ，高度角跟踪范围为：0 9 0 0 。为使装置在暴风下不发生破坏，跟踪装置必须 有一定的抗风能力，最大抗风可达1 5 0k m h ，最大工作风速9 级。为使跟踪装置 正对太阳时不受大风影响，保证一定的跟踪精度，装置必须有锁紧或自锁功能。 为保证太阳能电池板的接收率，跟踪装置的机械零部件不能遮挡太阳能电池板所 接收的光线，且太阳能电池板之间也不能相互遮挡。所以对于跟踪装置的执行机 l o 扬州大学硕士学位论文 构，除了一定的跟踪范围、动作准确、效率高、能耗低、工作可靠等基本要求外， 最重要的要求是：成本低、性价比高、结构应具有较强的抗风能力、不应遮光。 在众多传动结构中，齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和螺旋传动均属于最简单的、应用 最为广泛、性价比最高的传动结构。齿轮传动具有传动比准确、传递扭矩大的特 点，使用功率较小的电机就能降低其能源成本。特别是利用蜗轮蜗杆传动，其传 动比大、降速快、能自锁，在使用小功率电机传递足够大的动力时还满足了自锁 要求。螺旋传动中的传力螺旋以传递动力为主，它用较小的转矩可以产生较大的 轴向推力，一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁。所以，采用齿 轮传动或者螺旋传动对于降低系统成本、提高性价比很重要，蜗轮蜗杆传动或螺 旋传动比较适合防风性场合的需求。 从跟踪范围方面考虑，采用齿轮传动跟踪范围较大，很适合跟踪范围较大的 方位角太阳跟踪，而螺旋传动受连杆机构极限位置的限制，跟踪范围较小，适合 跟踪范围较小的高度角太阳跟踪。 从防风方面考虑，方位角跟踪采用齿轮传动能实现大范围跟踪，但其传动比 小，不能自锁，满足不了跟踪需要，因此，可在其前加一级蜗轮蜗杆传动，蜗轮 蜗杆能自锁且结构紧凑，体积小，传动比大，可传递更大扭矩。它与齿轮传动进 行组合，有利于结构的灵活布置，同时也便于选择商品化的蜗轮蜗杆减速器。高 度角跟踪采用螺旋传动，但实际应用中，它不单独使用，而是与齿轮传动或蜗轮 蜗杆传动联合使用，其中应用比较广泛的是蜗轮丝杆升降机，它将蜗轮减速器和 丝杠螺母副等巧妙地结合在一起组成的一个运动组合单元，既可以单独使用，又 可以象拼积木似地通过联接件快捷组合，实现物体的升降、往复、翻转等运动。 蜗轮丝杠升降机作为一种功能部件已被广泛应用于各行各业，具有结构紧凑、体 积小、重量轻、能自锁、安装方便等优点。 综上所述，方位角跟踪减速器采用蜗轮蜗杆和齿轮传动双级传动，高度角跟 踪减速器采用蜗轮丝杆升降机。 由于方位角和高度角跟踪是在不同的自由度上跟踪太阳，因此在设计传动方 案时应考虑它们的组合关系。太阳能跟踪装置对传动机构的要求是刚度高，稳定 性好，抗风能力强。根据这些要求，现提出以下两种组合形式，如图2 2 、图2 3 所示。 如图2 2 所示，该双轴跟踪装置支架的结构特征为：支柱6 上铰接轴承支架3 ， 方位角跟踪减速器2 的输出轴l 上安装太阳能电池板支架，支柱6 上的横支架一 端铰接高度角跟踪减速器5 ，丝杆4 的一端与轴承支架3 铰接。该跟踪机构通过方 位角跟踪减速器2 带动输出轴1 实现对太阳方位角a 的跟踪，丝杆4 和高度角跟 踪减速器5 共同实现对太阳高度角b 的跟踪，具有结构简单、精度高等特点。 如图2 3 所示，该双轴跟踪装置支架的结构特征为：支架4 与太阳能电池板支 架l 铰接，支架4 的横支架一端铰接高度角跟踪减速器3 ，丝杆2 的一端与太阳能 电池板支架l 铰接，支架4 通过方位角跟踪减速器5 与支座6 连接。该双轴跟踪 机构通过方位角跟踪减速器5 驱动支架4 实现对太阳方位角a 的跟踪，丝杆2 和 张善文：太阳光线双轴智能跟踪系统研究 高度角跟踪减速器3 共同实现对太阳高度角p 的精确跟踪，具有结构简单紧凑、 跟踪精确度高等特点。 x 1 输出轴2 方位角跟踪减速器3 轴承支架4 丝杆 5 高度角跟踪减速器6 支柱 图2 - 2 传动方案( 1 ) x 1 太阳能电池板支架2 丝杆3 高度角跟踪减速器 4 支架5 方位角跟踪减速器6 支座 图2 3 传动方案( 2 ) 从工作性能方面考虑，方案( 1 ) 中在高度角的跟踪过程中机构主体的重心处于 不断变化中，丝杆的受力不均匀，机构的稳定性不够好。方案( 2 ) 相对于方案( 1 ) 重 心低且变化小，机构的稳定性好。 从抗风方面考虑，方案( 1 ) 中的丝杆受到风力、太阳能电池板及方位角调整机 构的重力，相对来说方案( 2 ) 中的丝杆受到的重力小，抗风能力较强。 综上，从工作性能和抗风方面考虑选取方案( 2 ) 作为太阳能跟踪装置的传动方 案。 1 2 扬州大学硕士学位论文 2 3 4 电机类型的选择 太阳能跟踪装置对跟踪精度的要求是士1 0 ，选择合理的电机类型十分重要。太 阳能跟踪装置在带动太阳能电池跟踪太阳时，对动力的要求基本是随时要能启动 和停止，而且启动和停止的时间差会很短，电机必须具有快速响应的能力。此外， 电机还要满足维护方便和少维护的特点。目前太阳能跟踪器常用的动力单元为步 进电机，步进电机可以精确控制其转动角度，但是其输出力矩小，价格高，使得 整个系统的性价比下降。直流电机虽然无法精确控制其转角，但是其转速是可以 控制的，附加一个直流电机驱动电路是可以达到跟踪控制要求的，且成本很低。 直流电动机又分有刷直流电动机和无刷直流电动机，考虑到无刷电机的寿命长， 且价格也不贵，因此，本课题选用无刷直流电动机作为动力源。 2 3 5 控制器的选择 太阳能跟跟踪装置对控制器的要求是：工作稳定、实时性强、编程简单及性 价比高。针对这些要求，常用的p l c 控制器和单片机可供选择。p l c 控制器具有 可靠性高，抗干扰能力强，体积小，重量轻，能耗低等特点。单片机具有体积小、 功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，相对于p l c 控制器， 其性价比高，比较适合用于太阳能跟踪装置。 2 3 6 材料选择 选择机械结构的材料，主要考虑成本问题，在成本较低的材料中选择性能较 好的材料。太阳能跟踪装置的机械结构部分选材如下：基本的结构件选择4 5 钢， 降低成本；对于框架及支架结构选择q 2 35 板材弯折而成，提高刚性。选择材料后， 要制定合理的材料处理方式来提高机械部分的性能和寿命。 2 4 装置的总体布局 2 4 1 装置的总体布局 根据已确定的传动方案，考虑到跟踪装置的结构简单紧凑、零部件的合理布 局、装置的抗风性能等要求，设计的太阳能跟踪装置的总体布局如图2 4 所示。 该装置设计成双轴跟踪结构，即能同时在方位角和高度角两个方向上实现跟 踪，由太阳能电池板框架、支架、回转支承、支座、传动机构、电机等组成。支 座1 通过地角螺栓固定在地面上，其上与回转支承2 的外圈相连，回转支承2 的 内圈与支架3 的底座相连，单级蜗轮蜗杆减速器6 安装在支架3 上，其输入轴与 方位角无刷直流电机5 相连，输出轴与小齿轮7 相连，小齿轮7 与回转支承2 的 外圈轮齿啮合，支架3 一端通过销与太阳能电池板框架4 相连，另一端通过销与 升降机机座10 相连，升降机8 安装在升降机座1 0 上，其输入轴与高度角无刷直 流电机9 相连，输出轴通过销与太阳能电池板框架4 相连，控制柜11 安装在回转 支承2 下方。 张善文：太阳光线双轴智能跟踪系统研究 1 3 该装置的方位角跟踪减速器采用的是蜗轮蜗杆和齿轮传动双级传动机构，利 用较小功率的无刷直流电机驱动就能获得很大的扭矩，且蜗轮蜗杆能自锁；高度 角减速器为蜗轮丝杆升降机，这种升降机用较小的转矩可以产生较大的轴向推力， 且能自锁。双轴跟踪机构采用是上述所介绍的方案( 2 ) ，机构重心变化小，抗风能 力强。该装置结构紧凑简单，抗风能力强，工作可靠，特别是回转支承的使用， 它兼具齿轮和轴承的结构于一身，结构紧凑，很大程度上简化了结构的设计，可 承受轴向力、径向力，更重要的是能承受较大的倾翻力矩，对增强装置的抗风能 力有很大作用。 为保证跟踪装置的在跟踪太阳光线后，能保持准确的定位，不受大风影响， 因此，跟踪装置应具有一定的自锁能力。方位角方向采用的蜗轮蜗杆减速器和高 度角方向采用蜗轮丝杆升降机均能实现自锁。此外，方位角传动结构上也可实现 自锁功能，具体实现如下：当大风通过太阳能电池板框架带动支架有转动趋势时， 由于回转支承的内圈与支架固连，外圈与支座固连，其外圈上的轮齿固定不动， 支架只能通过安装在其上的蜗轮蜗杆减速器使小齿轮有相对回转支承外圈轮齿转 动的趋势，而小齿轮只能由蜗轮蜗杆减速器驱动，因此在结构上实现自锁，同时 提高保持方位角跟踪精度的能力。在跟踪装置中采用回转支承及自锁结构也是本 次设计的一个创新点。 1 支座2 回转支承3 支架4 太阳能电池板框架 5 方位角无刷直流电机6 单级蜗轮蜗杆减速器 7 ，j 、齿轮8 蜗轮丝杆升降机9 高度角无刷直流电机 1 0 升降机机座1 1 控制柜 图2 4 太阳光线双轴智能跟踪装置 2 4 2 装置的工作过程 跟踪装置采用基于地平坐标系，光电传感器定时跟踪的控制模式。具体工作 过程如下： 方位角调整机构工作时，控制部分定时发出控制信号驱动方位角电机5 带动 1 4 扬州大学硕士学位论文 单级蜗轮蜗杆减速器6 ，单级蜗轮蜗杆减速器6 带动小齿轮7 转动，由于回转支承 2 的外圈齿轮不动，在小齿轮的驱动下，回转支承以上零部件绕其轴向转动，实现 o 3 6 0 0 太阳方位角跟踪。 高度角调整机构工作时，控制部分发出控制信号驱动高度角电机9 带动蜗轮 丝杆升降机