太阳能电池板转向机构设计毕业设计

1、别 ：(1) 班 2012机械与电子工程系年 别 ：(1) 班 2012机械与电子工程系年 4 月 27 日太阳能电池板转向机构设计系专业（班级）： 08 级机械设计制造及其自动化作者（学号）：指 导 教 师 ：完 成 日 期 ：录. 录. 转向机 构的 设计 131314141578214558323637123351010216太阳高度角和方位角的确中文摘要英文摘要1 概述1.1 能源与环保太阳能的特点1.3 国内外太阳能应用的现状1.4 太阳能跟踪技术现状2 实现转向机构的理论基础2.1 地球围绕太阳的运行规律2信 1 03转向机构的整体设计步进电机步进电机的概述步进电机的选择3.3 太

2、阳能自动跟踪方位角部份的设计3. 步进电机的转速的计算3.3.2 齿轮的设计计算3.3.3 蜗轮蜗杆的选择3.4 太阳能自动跟踪高度角部份的设计3.4.1 步进电机的转速的计算3.4.2 蜗轮蜗杆的选择3.4.3 齿轮的设计计算3.4.4 凸轮的设计计算3.5 本章小结结论3839谢辞3839参考文献二维驱动，二维跟踪”的机械系太阳能电池板转向机构设计二维驱动，二维跟踪”的机械系摘 要：太阳能作为一种干净的能源，既是一次能源，又是可再生能源，有着化石能源无法比拟的优越性。但太阳能利用效率低这一问题一直阻碍和阻碍着太阳能技术的普及。太阳自动跟踪装置的利用是提高太阳能利用率的一个重要途径。研究精准

3、的太阳跟踪装置，可使太阳能采光板的热同意率大大提高，从而可提高太阳能的利用效率，拓宽太阳能的利用领域。在太阳能发电中，电池板受光面与太阳光线的角度是决定太阳能发电效率的关键因素。为找到一种价钱低廉、跟踪精度高的太阳跟踪方式，本论文提出了“统方案。本论文第一分析了两种太阳跟踪方式，即单轴跟踪和双轴跟踪。然后尝试设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能电池的光 -电转化率。该系统是以凸轮机构和蜗轮蜗杆为核心，利用太阳轨道公式进行太阳高度角及方位角计算，并借助两个步进电机同时工作来实现双轴跟踪系统，使太阳能电池板始终垂直于太阳入射光线，从而提高太阳能的吸生效率。由于时刻及目前

4、的知识限制，跟踪系统只是进行粗略的角度跟踪，有较大误差，尔后如有机遇再进行改良。关键字：太阳自动跟踪；太阳照射角；凸轮机构；蜗轮蜗杆；步进电机The solar energy is one kind of clean sources of energy, energy, regenerative However, the is always affecting approach which can improve solarThe solar energy is one kind of clean sources of energy, energy, regenerative However,

5、 the is always affecting approach which can improve solar energy ratio. efficiency In solar power generation, the angle of the battery of solar power generation. To find a sun-tracking light The system is based on cam mechanism and worm gear, the sun elevation energy, has a lot problem and blocking

6、the popularization The development of exact auto-solar of sunlight, way - electricity angle formula using the sun and of unique that tracker then can conversion low utilization PanelAbstract: primary advantages. efficiency of heliotechnics. The development of auto-solar tracker is a king of importan

7、t utilization can improve the receiving improve the receiving efficiency of sunlight, then can improve solar energy utilization and broaden the field of solar energy utilization. plate facing sun and sunlight is a key factor determining the efficiency with little cost and high precision, this thesis

8、 proposes a mechanical system, with two-dimension driving and two-dimension tracking. This paper firstly analyzes the two kinds of solar tracking method, namely single axis tracking and dual-axis tracking. Next , we try to design an automatic tracking system with Biaxial in order to enhance solar ef

9、ficiency. orbit calculating azimuth and take two step motors work together at solar Track; Sun Angle; Cam Mechanism; Worm Gear; Step 述the same time driven Dual-axis tracking system, make the solar solar Track; Sun Angle; Cam Mechanism; Worm Gear; Step 述panels perpendicular to the solar incidence lin

10、e, to improve the absorption efficiency of solar energy. Because of the time and the current limitations of the knowledge ,the tracking system to track the point of view is rough , there are many errors , if the opportunity arised the design will be improved in the future.Keywords: Auto-Motor太阳能电池板转

11、向机构设计1 概能源与环保随着时期的前进， 人类社会和经济的进展速度日趋增加， 可是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。 能源是国民经济和社会进展的基础， 社会经济进展得越快，人类对能源的需求就越大， 利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的要紧能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积存而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述缘故， 世界能源问题日趋严峻，表此刻如下方面：1.1.1 能源欠缺世界上大部份国家能源供给不足， 据统计近 10 年内化石燃料 (煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近 20倍，估量尔后十年化石燃料的用量将翻一番，但全2050年，天然气也只能延续

12、到 2040年左右，即便引发全世界气候转变。一次能源的石不可再生的。21世纪30年代中期，核聚变在2050年前没有实现新能其中太阳能应用技术以其独特的2050年，天然气也只能延续到 2040年左右，即便引发全世界气候转变。一次能源的石不可再生的。21世纪30年代中期，核聚变在2050年前没有实现新能其中太阳能应用技术以其独特的1全。储量丰硕的煤炭资源也只能维持二三百年。环境污染由于燃烧煤、石油等化石燃料，每一年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境受到严峻污染， 直接阻碍居民的躯体健康和生活质量， 局部地域形成酸雨，严峻污染水土。1.1.3 温室效应化石能源的利用产生大量的温室气体而致使温

13、室效应，这一问题己提到全世界的议事日程， 有关国际组织己召开多次会议， 限制各国 COZ等温室气体的排放量。 能源问题关系到经济是不是能够可持续进展。日趋枯竭，已引发全世界的极大关注。 此刻人们经常使用的一次能源有煤炭，油，原子能等。占人们能源消费的大部份的煤炭和石油都是有限的，据有关资料显示 :石油储量的综合估算，可支配的化学能源的极限大约为11801510亿吨，以 1995年世界石油的年开采量 32亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭； 天然气储蓄估量在立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在 57一65年内枯竭 ;煤的储量约为 5600亿吨，199

14、5年煤炭开采量为3亿吨，能够供给 169年；铀的年开采量目前为每一年 6万吨，依照 1993年世界能源委员会的估量可维持到的希望。能源欠缺的形势很严峻， 当前世界多数国家对能源问题都很重视。源技术及节能技术活着界范围内迅速进展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们刻画出希望。优势在全世界蓬勃进展，令人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰太阳能的特点太阳是一个庞大的能源， 万物生长都要依托太阳， 地球上绝大部份能源归根究底是来自太阳的。 煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。世界人们一年所用的各类能量之和也只有抵达地球表面的太阳能的数万分之一，:2110 kW

15、。在抵达地球表面的太阳1.7 10 kW，相当于目前全世界太阳的寿命至少尚有 40可当场取用。能够随地取用；:2110 kW。在抵达地球表面的太阳1.7 10 kW，相当于目前全世界太阳的寿命至少尚有 40可当场取用。能够随地取用；二是在目前的技术进展21.73 10 kW，1313。11似乎是以后社会能源的希望所在。太阳辐射能与煤炭，石油，核能相较较。有如下的优势1.2.1 储量的“无穷性”太阳能是取之不尽的可再生能源， 可利用能量庞大。 太阳放射的总辐射能量大约是3.75 X 10 k，极为庞大的。其中抵达地球的能量高达穿过大气层抵达地球表面的太阳辐射能大约为辐射能中，抵达地球陆地表面的辐

16、射能大约为一年内消耗的各类能源所产生的总能量的三万五千多倍。亿年，相关于人类历史来讲，太阳可源源不断供给地球能源的时刻能够是无穷的。相关于常规能源的有限性， 太阳能具有储量的“无穷性”， 取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。1.2.2 存在的普遍性尽管由于纬度的不同、 气候条件的不同造成了太阳能辐射的不均匀但相关于其他能源来讲，太阳能关于地球上绝大多数地域具有存在的普遍性，这就为常规能源缺乏的国家和地域解决能源问题提供了美好前景。1.2.3 利用的清洁性太阳能像风能、潮汐能等干净能源一样， 其开发利历时几乎不产生任何污染，加上其储量的无穷性，

17、是人类理想的替代能源。1.2.4 利用的经济性能够从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，水平下，有些太阳能利用己具经济性。 随着科技的进展和人类开发利用太阳能的技术冲破，太阳能利用的经济性将会更明显1.3 国内外太阳能利用的现状?a)，中值为5852MJ/（m?a）。2200h，21999年的201MW增加到2005年的1100MW。目前以2020年光伏发电装机容量达到 3GW。美国10%左右。预测以后10年仍将维持 10%或稍高的进?a)，中值为5852MJ/（m?a）。2200h，21999年的201MW增加到2005年的1100

18、MW。目前以2020年光伏发电装机容量达到 3GW。美国10%左右。预测以后10年仍将维持 10%或稍高的进1415GW。随着国家西部开发政策的推行太阳能光伏发电技术取得了较快进展。目前我国已建成的2南至北，自西至东，距离都在 5000km以上，总面积达 960万平方千米，占世界陆地总面积的 7%，居世界第三位。 在我国广漠富裕的土地上， 有着十分丰硕的太阳能资源。全国各地太阳能辐射量为 3340 8400MJ/(m2我国太阳能资源丰硕和比较丰硕的、类地域，年日照时数大于太阳辐射总量高于 50165852MJ/（?a），面积约占全国总面积的 2/3以上。太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。

19、太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。 光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能， 使之转化成电能的直接发电形式， 光伏发电是现今太阳能发电的主流。世界光伏产业从32.1%的年平均增加率高速进展，位于世界能源发电市场增加率的首位。日本通产省(MITI) 第二次新能源分委会宣布了光伏、 风能和太阳热利用打算， 2020年光伏发电装机容量达到 5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏进展的里程碑，总目标是能源部制定了从 2000年1月1日开始的5年国家光伏打算和 20202030年的长期计划，以实现美国能源、环境、社会进展和维持光伏产

20、业世界领导地位的战略目标。依照估量的进展速度， 2020 年美国光伏销售达到。进展中国家的光伏产业近几年一直维持世界光伏组件产量的展水平，达到1.5GW(约10.6%)。其中印度近几年进展迅速， 居进展中国家领先地位，目前光伏系统的年生产量约 10MW，累计安装量 4050MW。因此，到2020年世界光伏系统累计安装容量将达到太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式，及光明工程的实施，较大的光伏电站有西藏双湖 25千瓦光伏电站，西藏安多 100千瓦光伏电站和目前中国最大的新疆北塔山牧场 150千瓦太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充沛，地理位置偏僻， 电网不能抵达的地域。 近来一些几瓦到几百瓦的

21、中小型光伏发电应用系统也出此刻生活中， 如太阳能交通警示灯， 高速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。 2005年我国系统累计装机容量为 70MW，中华人民共和国可再生能源法，许诺 2020年太阳能光伏累计装机容量 450MW。从国家发改委制定可是离大规模的应用推行还3单轴跟踪的。的中长期计划看， 2006-2020年每一年的平均装机容量约 60MW。可是离大规模的应用推行还3单轴跟踪的。尽管我国太阳能发电水平有了相当程度的提高，有专门大的距离， 光伏产业还处于成长期。 随着技术的进步， 光伏系统的本钱会愈来愈低，性能会愈来愈好，应用的领域会愈来愈宽广1.4 太阳能跟踪技术现状现时期国内外已经

22、有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。(1) 单轴跟踪一样采纳：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理大体相似。图1-1是第3种跟踪方式的原理， 跟踪系统的转轴 (或焦线)东西向布置，依照事前计算的太阳方位的转变， 太阳能设备的能量转换部份绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采纳这种跟踪方式， 一天当中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，现在太阳能接收率最大， 而在早上或下午太阳光线都是斜射。优势是结构简单，可是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部份的主光轴平行，接收太阳能的成效并非睬想

23、。图1-1 单轴焦线东西水平布置（南北跟踪） (2) 双轴跟踪又能够分为两种方式 :极轴式全跟踪和高度一方位角式全跟其转速的设定与地球自:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动极轴支承装置的设计比较困其原理如图 1-3另一根轴与方位轴垂这种跟踪系统4。踪。极轴式全跟踪原理如其转速的设定与地球自:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动极轴支承装置的设计比较困其原理如图 1-3另一根轴与方位轴垂这种跟踪系统4。球北极，即与地球自转轴相平行， 故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时太阳能设备的能量转换部份所在平面绕极轴运转，转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角是为了适应太阳高度角的转变， 通常依照季节的转变

24、按期调整。 这种跟踪方式并非复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，难。图1-2 极轴式跟踪高度角-方位角式太阳跟踪方式又称为地平坐标系双轴跟踪，所示。太阳能设备的能量转换部份的方位轴垂直于地平面，直，称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换部份依照太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部份的倾斜角，从而使能量转换部份所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。的特点是跟踪精度高， 而且太阳能设备的能量转换部份的重量维持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易 ( 或称为太阳跟踪器 )的研究有，美国15%。1998年美国使热收率进一步提 Jo研制了活动以

25、提高夏日1929 年推出了太535%。 ( 或称为太阳跟踪器 )的研究有，美国15%。1998年美国使热收率进一步提 Jo研制了活动以提高夏日1929 年推出了太535%。目前，国外关于太阳能技术跟踪装置Blackace，在1997年研制了单轴太阳跟踪器， 完成了东西方向的自动跟踪， 而南北方向那么通过手动调剂，接收器对太阳能的热接收率提高了加州成功的研究了八 JM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，如此可以使小块的太阳能面板硅搜集更多能量，太阳能方位跟踪装置， 该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，那个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗

26、体，窗体上面是圆顶结构， 成排的太阳能搜集器能够从东到西跟踪太阳，能量的获取率。 2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用操纵电机完成跟踪，采纳铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。 1994年在德国北部， 太阳能厨房投入利用， 该厨房也采纳了单轴太阳能跟踪装置 1321。捷克科学院物理研究所那么以形状经历合金调剂器为基础，通过日照温度的转变实现了单轴被动式太阳跟踪。近几年来国内很多专家学者也接踵开展了这方面的研究。阳灶自动跟踪系统。 1994年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单轴跟踪，国家气象局计量站在 1990 年研制了FST型全

27、自动太阳跟踪器， 成功的应用于太阳辐射观测 。太阳的跟踪方式普遍采纳双向跟踪， 且都是采纳两个动力源驱动同时跟踪太阳的方位和高度两个角度方向， 有效的太阳跟踪装置可太阳能利用效率提高机械跟踪类、 还有GPS 追踪类。机械类跟机械跟踪类、 还有GPS 追踪类。机械类跟用较为踪系统体积庞大而又笨重，运输、安装或维修都比较麻烦，且存在积存误差，其它两种属于精准跟踪系统， 存在的不足的地方是本钱高， 消耗电能，无益于移植在民用的太阳能装置上。 本文采纳的跟踪方式是视日轨迹跟踪操纵策略，简单的凸轮推杆机构实现“二维驱动， 双向跟踪”。该系统相关于单轴太阳跟踪装置，精度明显提高，还可实现全天候自动操纵。在

28、小型光伏发电、太阳能热利用装置、农村小型民用太阳能灶等方面， 采纳此装置不仅方便有效、 能量转换效率明显提高，而且跟踪系统自身的功耗相对双轴驱动时将明显减少。2 实现转向机构的理论基础(黄道)上运行，称为(黄道面)法线倾斜90 (黄道)上运行，称为(黄道面)法线倾斜90 - ? ( ?为观看者本地的地理纬(12月2日)，太阳正午高度达最小值 90(3-众所周知 ，地球天天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一日夜， 一日夜又分为 24h，因此地球每一个小时自转 15。地球除自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道“公转”，其周期为一年。 地球的自转轴与公转运行的轨

29、道面成2327的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，老是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时， 阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的转变。假设观看者位于地球北半球中纬度地域， 咱们能够对太阳在天球上的周年视运动情形做如下描述。每一年的春分日 (3月12日)，太阳从赤道以南抵达赤道 (太阳的赤纬占 =0)，地球北半球的天文春天开始。 在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于度)。春分事后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时刻增加，黑夜时刻缩短，正午时太阳的高度逐日增加。夏至日(6月2日)，太阳正午高度达到最大值 90 - ? + 2

30、327，白昼最长，这时地球北半球天文夏日开始。 夏至事后，太阳正午高度逐日降低， 同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。秋分日(9月23日)，太阳又从赤道以北抵达赤道 (太阳的赤纬 = 0)，地球北半球的天文秋季开始。 在周日视运动中， 太阳多出于正东而没于正西， 白昼和黑夜等长。秋分事后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时刻缩短，黑夜时刻增加，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日? + 2327，黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。冬至事后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增加，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日月21日)太阳从赤道以南抵达赤道。2327的范围。夏天最大转变到夏至日的S与

31、天顶S与地平面的夹角概念为太阳高度角，用h表示；S在地面上的投影线与南2.2 太阳高度角和方位角的确信2327的范围。夏天最大转变到夏至日的S与天顶S与地平面的夹角概念为太阳高度角，用h表示；S在地面上的投影线与南2.2.1 Coper 方程太阳光线与地球赤道面的交角确实是太阳的赤纬角，以占表示。在一年中，太阳赤纬天天都在转变，但不超过士+2327;冬季最小转变到冬至日的 -2327。太阳赤纬随季节转变， 依照Coper方程，计算： = 23.45sin (360(284+ n)?365) (2-1)式中，n为一年中的天数，如 :在春分，n=81，那么=0，自春分日起的第 d天的太阳赤纬为 :

32、 = 23.45sin 2?36 (2-2)2.2.2 太阳角的计算如图2-1所示，指向太阳的向量 Z的夹角概念为天顶角， 用Z表示；向量北方向线之间的夹角为太阳方位角， 用表示。太阳的时角用表示， 它概念为:在正午时 =0，每隔一个小时增加 15，上午为正，下午为负。图2-1 太阳角的概念（2-3）（2-4），取sin h= sin 90- (? - )（2-5）（2-3）（2-4），取sin h= sin 90- (? - )（2-5）=，从而= 90。hsin - sin ?coscossin ?cos= 0。假设不考虑地表曲率及大-1(-后，日出日没时刻用hcosh;负为日出时角。关于

33、?15求出。 (2-6)计算太阳高度角的表达式为：sin h= sin ? sin + cos? cos cos式中，?沪为地理纬度；占为太阳赤纬；口为太阳时角。正午时 ， = 0，cos = 1，(2-3) 式能够简化为：sin h= sin ? sin + cos? cos = cos(? - )因为，cos(? - ) = sin 90(? - )，因此：sin h= sin 90(? - )正午时，假设太阳在天顶以南，即？从而有:h= 90+ ? - 在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，那么有？(2) 太阳方位角太阳方位角按下式计算 :cos=sin也可用下式计算 :sin = (

34、2-7)依照地里纬度，太阳赤纬和观测时刻， 利用式(2-6) 或式(2-7) 中的任意一个能够求出任何地域，任何季节某一时刻的太阳方位角。(3) 日照时刻太阳在地平线的出没刹时，其太阳高度角气折射的阻碍，依照式 (2-3) ，可得出日出日没时角表达式cos = - tan ? tan (2-8)式中 日出或日没时角，以度表示，正为日没时角北半球，当 - 1- tan ? tan 1，解析式 (2-8) ，有 = cos- tan ? tan ) (2-9)求出时角 =一天中可能的日照时刻由下式给出2156使太阳能板自动准确的跟踪在实际的运行进程中， 太阳因此，需要两个如此，跟踪装置就能保从而达

35、到提高太阳能利布局合理，选件不7最终取得的结构如1(-。，再在几种比较（2-10）N= cos- tan ?2156使太阳能板自动准确的跟踪在实际的运行进程中， 太阳因此，需要两个如此，跟踪装置就能保从而达到提高太阳能利布局合理，选件不7最终取得的结构如1(-。，再在几种比较（2-10）利用太阳高度角和方位角的数学模型， 就能够够在固定纬度， 固按时段计算出太阳在此条件下的方位。 从而能够通过操纵使光伏系统朝向太阳位置对其进行有效跟踪，提高系统的发电效率3 转向机构的设计3.1 转向机构的整体设计转向机构的设计是为实现对太阳的全自动跟踪，太阳运动，这就必需使太阳能板装置具有跟踪功能。的运动是一

36、个沿着方位方向和高度方向两个方向的非线性运动，步进电机别离进行操纵。 这两个步进电动机的作用是驱动跟踪装置能够沿方位方向和高度方向转动， 从而带动驱动装置沿这两个方向运动。够够在步进电动机的带动下在整个太阳运动进程中光线始终垂直于太阳能板，证了太阳能的有效利用。本设计中通过用两个步进电机驱动东西向的方位角跟踪和南北向的高度角的跟踪，达到使太阳能电池板能够始终正对太阳照射角，用率的目的。同时，此跟踪系统的设计还必需本着造价低廉、靠得住性高、结构简练的原那么进行。 机械转向机构在结构上要做到结构紧凑、能过大臃肿，在一样条件下，尽可能选用小型的构件。通过对目前多种太阳能采集装置的机械结构的收集和对比

37、合适的结构的基础上进行一些修改以加倍符合本设计的要求，图3-1所示。此结构在东西向和南北向都有专门大的转动空间，而且结构简单，耗材较少，比较适合小型的太阳能跟踪发电系统。如图3-1，本机械转向机构大体组成要紧有：底座、基层平台、上层平台、步进电机、减速装置、电池板固定框架等。在转向机构的组成中，底座要紧由一;而且，太阳的角度操纵要电池板固定架用来对太阳能步进电机的概述在数而且，它的转子依照每一个输入步进指般的钢材加工而成， 便于拆卸和移动。 驱动电机选用的是步进电机， 此种电机性;而且，太阳的角度操纵要电池板固定架用来对太阳能步进电机的概述在数而且，它的转子依照每一个输入步进指能靠得住，关于角

38、气宇转向操纵精准。连轴器选用的是普遍利用的弹性联轴器，耐冲击，经久耐用。由于研发要求系统要结构紧凑， 电机选取的为小型步进电机，输出扭矩达不到转向要求， 因此要选用减速机构来提升输出扭矩， 在本光伏系统中，选取的是小型涡轮蜗杆及直齿圆柱齿轮减速机构求精准，要合理的选取涡轮蜗杆减速机构的传动比。电池板进行固定，要求设计合理，稳固。在介绍步进电机电路设计之前，先讨论一下步进电机的特性。1-下平台； 2-底座；3、11-减速箱； 4-主轴；5-转台；6-支承轴； 7-轴销；8-电池板支架； 9-螺钉；10-凸轮推杆； 12-滚子。图3-1 机械转向机构整体设计图3.2 步进电机 3.2.1 步进电动

39、机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的操纵电机。字操纵系统中， 步进电动机作为执行元件， 每输入一个脉冲， 电动机就转动一个角度或前进一步。 因此，步进电动机又称为脉冲电动机。 步进电动机在任何一个方向的任意机械位置都能够启动和停止，(VR)、永磁步进电机的相数是指产生不同对极或指电机转过一个电机转子转过的角机械要素是指负载1和2(1:80:令以准确的角度运动和停止。 这种精准的角度运动可随每一个输入步进指令重复，(VR)、永磁步进电机的相数是指产生不同对极或指电机转过一个电机转子转过的角机械要素是指负载1和2(1:80:从而使其转子可在任一方向上精准定位。步进电动机具有结构简单、保护方

40、便、精准度高、调速范围大、起动、制动反映灵敏等特点。而且若是停机后某些相仍维持通电状态，那么步进电动机还具有自锁能力。 步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步， 由于具有这些优势， 步进电动机普遍应用于数字操纵系统中。从广义上讲，步进电动机的类型分为机械式、 电磁式和组合式三大类型， 电磁式步进电机最为常见。 电磁式步进电机一样又分为反映式步进电机式步进电机 (PM)和混合式步进电机 (HB)三种。反映式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组，它结构简单本钱低，步距角能够很小，但动态性能较差。永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身确实是一个磁源，它输出转距大，动态性

41、能好， 但步距角一样专门大。 混合式步进电机那么是综合了反映式和永磁式二者的优势， 即不仅定子和转子上开了很多小槽， 同时其磁路内含有永久磁钢，这使得混合式步进电机不仅能够像反映式步进电机那样小步距的转动，也具有永磁式操纵功率小动态性能好的特点。N、S 磁场的激磁线圈对数，常见的步进电机有两相、四相和五相。步进电机的运行拍数指完成一个磁场周期性转变所需脉冲数或导电状态，齿距角所需脉冲数。 步进电机的步距角指对应一个脉冲信号，位移7。选择步进电机时第一要明白机械和时刻二个方面的要素。转矩t和负载惯量 J。时刻要素是指加速时刻 即从1开始加速到2)，运行时刻 t。在节中介绍了跟踪装置的机械执行机构

42、。在实际应用中，考虑到步进电机驱动的细分功能， 咱们在俯仰轴与电机 19的输出轴之间采纳了减速比为装置。在方位轴与电机 18之间采纳了减速比为 1:64 的减速装置。然后要计算需要的运行转矩。电动机带载运行所需要的转矩为+ Ta驱动物体的惯量980.7= 0，采光板的惯量为 0。操纵系统对步进电机的转速要求不高，因此设定输310cm，框架底部长 40cm，两壁高 20cm，其:+ Ta驱动物体的惯量980.7= 0，采光板的惯量为 0。操纵系统对步进电机的转速要求不高，因此设定输310cm，框架底部长 40cm，两壁高 20cm，其: 3.1432(D 32164= 0.028.535kg?c

43、m0.836N?m170.6 3.140.045 100980.7 18加速时间(图 3-2) ，采4 41 2213.3 3.140.045 100980.7 183式中：T一需要的运行转矩， kg?m;Ti一负载转矩， kg ?m;Ta一惯性体的加速转矩， kg?m。负载转矩由实测取得或用相关计算式估算。惯性体的加速转矩可按下式计算。T 3.14步距角18 电机希望的脉冲频率在设计中，考虑到装置的摩擦很小， 采光板的质量相对转动架很小， 且在后面利用求圆柱体的惯量公式近似估算转动架的惯量时已有专门大的冗余，因此设定Ti入电机的脉冲频率为 100HZ，加速时刻为秒。在参考了步进电机厂家的相关

44、资料后，决定选用细分后步距角为 .045的步进电机。方位角带动的转动架采纳铁（ = 7.910- kg?cm3）作为原材料，转动架为一长方形的框架纳厚 2cm的铁板，双侧壁、底部宽为惯量经计算圆柱体的惯量公式近似计算得J = - D ) = 7.910- 20(404 - 364) 13649kg?cm2折算到电机 18输出轴上的惯量为：J1 = J 213.3kg?cm2电机 18输出轴上的加速转矩为 :Ta1由于电机 18和电机 19的输入脉冲信号频率和加速时刻一致， 因此采纳相同的方式能够估算出。电机 19输出轴上的惯量为 :J2 170.6kg?cm2电机 19输出轴的加速转矩为：Ta

45、2 = 0.026.828kg?cm0.669N?m.52倍的余量。因此本系统选用3-1 列出两电机的7步距角（）2281718相电流（A）460260保持转矩（?m）1565654转动惯量（g?cm2）565676重量(kg)外形尺寸（mm）因此电机 .52倍的余量。因此本系统选用3-1 列出两电机的7步距角（）2281718相电流（A）460260保持转矩（?m）1565654转动惯量（g?cm2）565676重量(kg)外形尺寸（mm）在查阅了步进电机生产厂家的产品参数资料后，而且考虑到第一次设计的装置，所选用的电机和驱动器的特性，通常留有56BYG250D-0241、56BYG250C

46、-0241两相混合式步进电机。表相关要紧参数 。表 3-1 步进电机要紧参数相型号数56BYG250D-024156BYG250C-0241太阳能自动跟踪系统方位角部份的设计下图3-2为太阳能自动跟踪系统跟踪方位角的机械部份的设计的俯视图。跟踪方位角即东西方向的跟踪， 在减速箱体 3内安装由电机 1八、齿轮12和13、蜗轮1六、蜗杆17组成的传动机构 。齿轮13固定在连接轴 14中部，连接轴通过轴承安装在减速箱体上，蜗轮 16固定在主轴 4上，主轴的中部通过轴承安装一个减速箱体，主轴的下端固定在支座 2上，支柱6的下端固定在上平台上，支柱 6的上端通过销轴 7与电池板支架连接。 电机18通过齿

47、轮1二、13带动蜗杆 17转动，并带动减速箱体、电池板支架转动，完成东西方向的跟踪。AA1514161312111二、13-齿轮；14-连接轴； 16-蜗轮；17-蜗杆；18-步进电机8:00到下午16:00为日照强度高时960fb?360= = = 5.4008w按传动方案，选用直齿圆柱齿轮。工作机的速度不大，应选用 7级精度（GB10095-88）。8:00到下午16:00为日照强度高时960fb?360= = = 5.4008w按传动方案，选用直齿圆柱齿轮。工作机的速度不大，应选用 7级精度（GB10095-88）。材料选择。由机械设计选小齿轮齿数为1 = 12,大齿轮齿数2 = 3.2

48、12= 38.4,取2 = 39。知步进电机转速与脉冲频率的关系为= 601001.8 360= 30r/min2nT 23.14301.7260 6010( 第八版第十章)选择小齿轮材料为步进电动机转速的计算太阳从早上六点开始升起，到晚上六点下山，中间十二个小时为日照时刻。但考虑到对太阳能的利用率问题，太阳从上午段，因此为充分利用太阳能， 从早上6:00到8:00使步进电机空载， 不加任何脉冲频率；从8:00到16:00设定输入电机的脉冲频率为 100HZ；从16:00到18:00电动机继续空载。查阅机电控制技术n =步进电机的功率为Pd式中：n- 转速，单位 r/min ；f- 脉冲频率，

49、单位 HZ；b - 步距角，单位；Pd- 电机功率，单位 w；T- 转矩，单位 N?m3.3.2 齿轮的设计计算(1) 选定齿轮类型、精度品级、材料及齿数12340Cr(调质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为 45钢（调质），硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。431t确信公式内的各计算数值= 9.55106 = 95500005.400810 0.9930dEHlim1h2HN1KHN1lim1SKHN2lim2S计算31t确信公式内的各计算数值= 9.55106 = 95500005.400810 0.9930dEHlim1h2HN1KHN1lim1SKHN2lim2S计

50、算1t31tP1 Pd1n n1- 3= 1。= 600MPa;Hlim2 = 550MPa。= = 6.751062.32 ? (KT u1 ZE? u H)12.16103.2KT u1 ZE? u1d71d22H)由机械设计 (第八版第十章 )计算公式进行计算，即d 2.32 ? (11) 试选载荷系数t = 1.3。2) 计算小齿轮传递的转矩T1= 9550000 = 1702.06N?mm3) 由机械设计 (第八版第十章 )选取齿宽系数？14) 由机械设计(第八版第十章 )查得材料的弹性阻碍系数 = 189.8MPa2。5) 由机械设计 (第八版第十章 )按齿面硬度查得小齿轮的接触疲

51、劳强度极限6) 由机械设计 (第八版第十章 )算应力循环次数N1 = 60n1jL = 6030112000= 2.16107N7) 由机械设计 (第八版第十章 )取接触疲劳寿命系数 = 1.3；HN2=1.45。8) 计算接触疲劳许用应力。取失效概率为 1%，平安系数 S=1，由机械设计 (第八版第十章 )得H1 = = 1.3600MPa= 780MPaH2 = = 1.45550MPa= 797.5MPa21) 试算小齿轮分度圆直径 ，代入H中较小的值。d1.31702.06 4.2 189.81 3.2( 780n1601000db1.31702.06 4.2 189.81 3.2(

52、780n1601000dbh。mt = = = 1.075mm= = 5.333bh由机械设计 (第八版第K 1.40063K 1.313.226122mm= 12.901mm= 12.90130/(60 1000)=m/sd1t 12.901z 12= 5.333，H = 1.309查机械设计(第八版第3t1 ? )2) 计算圆周速度 v。V=1t3) 计算齿宽b。b=? ?d1t=112.901mm= 12.901mm4) 计算齿宽与齿高之比模数齿高t 1.075= 2.419mmb 12.901h 2.4195) 计算载荷系数。依照v=m/s,7级精度，由机械设计 (第八版第十章 )查得

53、载荷系数v = 1.07;直齿轮，H = KF = 1；由机械设计 (第八版第十章 )查得利用系数A= 1；由机械设计 (第八版第十章 )利用插值法查得 7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，H = 1.309。由十章)得F = 1.28；故载荷系数 K=KAKVKHKH = 11.0711.309= 1.400636) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，十章)得3d1 = d1t = 12.901 = 13.226mm7) 计算模数m。m=d1z = = 1.102mm.1(3) 按齿根弯曲强度设计由机械设计 (第八版第十章 )得弯曲强度的设计公式为3?确信公式内的各计算数值FE1FE

54、2FN1KFN1FE1 500S 1.4KFN2FE2 380S 1.4YFa1YSa1YFaYSaF3?确信公式内的各计算数值FE1FE2FN1KFN1FE1 500S 1.4KFN2FE2 380S 1.4YFa1YSa1YFaYSaF= = 0.012= = 0.014设计计算1122m大于由齿根弯曲疲劳强度2KT1 YFaYSadz12= 380MPa;= 0.995，FN2= 2.65;YFa2 = 2.226。= 1.58;YSa2 = 1.764。0.014mm=( )F11) 由机械设计 (第八版第十章 )查得小齿轮弯曲疲劳强度极限500MPa;大齿轮弯曲疲劳强度极限2) 由机

55、械设计(第八版第十章 )取弯曲疲劳寿命系数1.0；3) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲平安疲劳系数，由机械设计 (第八版第十章 )得F1 = = 0.995 = 355.36MPaF2 = = 1.0 = 271.43MPa4) 计算载荷系数 K。K= KAKVKFKF = 11.1211.28= 1.43365) 查取齿形系数。由机械设计 (第八版第十章 )查得6) 查取应力校正系数。由机械设计 (第八版第十章 )查得7) 计算大、小齿轮的 并加以比较。YFa1YSa1 2.651.58F1 355.36YFa2YSa2 2.2261.764F2 271.43大齿轮的数值大23m21.43361

56、702.06 0.78mm对照计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数计算的模数，由于齿轮模数 m的大小要紧决定于弯曲强度所决定的承载能力，而仅与齿轮直径 （即模数与齿数的乘积） 有111d1 12.901m 1.25z2 = 3.仅与齿轮直径 （即模数与齿数的乘积） 有111d1 12.901m 1.25z2 = 3.211= 35.2,取2 = 36。计算分度圆直径计算中心距计算齿轮宽度 b=4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜(第八版第十一章 )查得，传动中心距1.102就近d1a=? = 115= 15mm= mz1 = 1.2512mm= 15mmd1+ 15+452 2dd1d2= =

57、30mm关，由机械原理 （第七版第十章）可取由弯曲强度算得的模数圆整为标准值 m=1.25mm，按接触强度算得的分度圆直径 = 12.901mm，算得小齿轮齿数1 = = 11;那么大齿轮齿数如此设计出的齿轮传动，既知足了齿面接触疲劳强度，又知足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，幸免浪费。(4) 几何尺寸计算1d2 = mz2 = 1.2536mm= 45mm23取2 = 15mm，1 = 20mm。3.3.3 蜗轮蜗杆的选择(1) 选择蜗杆传动类型依照GB/T10085-1998的推荐，采纳渐开线蜗杆（ ZI）。(2) 选择材料考虑到蜗杆传动功率不大， 速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望

58、效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为ZCuSn10P1,金属模铸造。为了节约珍贵的有色金属， 仅齿圈用青铜制造， 而轮芯用灰铸铁 HT100制造。(3) 按齿面接触疲劳强度进行设计依照闭式蜗杆传动的设计准那么，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由机械设计3aKT4(ZEZH)2确信作用在蜗轮上的转矩= 2,估取蜗轮蜗杆传动效率 = 0.8，联轴器、轴承传动效率别离为= 0.99，轴 = 0.98。大齿轮上的转矩2 = T1uT4 = 确信作用在蜗轮上的转矩= 2,估取蜗轮蜗杆传动效率 = 0.8，联轴器、轴承传动效率别离为= 0.99，轴 = 0.98。大齿

59、轮上的转矩2 = T1uT4 = T2?联轴蜗i = 5446.60.990.98确信载荷系数 K= 1.05;则= 1.1511.051.21确信弹性阻碍系数EE确信接触系数d33和传动中心距确信许用接触应力 HZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度，可从机械设计 (第八版第十一章 )，中查得蜗轮的大体许用应力84蜗34= 1；由机械设计 (第= 160MPa2a107按1联 = 1702.063.2= 5446.6N?mm。因此作用在蜗轮上的转矩0.820= 8.455104N?mm2因工作载荷较稳固，故取载荷散布不均匀系数八版第十一章 )，选取利用系数A= 1.15；由于转速不

60、高，冲击不大，可取动载荷vK= KAKKv31因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故4先假定蜗杆分度圆直径 a的比值 =0.35, 从机械设计 (第八版第十一章 )，中可查得 = 2.9。5依照蜗轮材料为铸锡磷青铜45?H = 268MPa。应力循环次数：N=60jn4Lh = 60130/3.220 12000= 0.03375107寿命系数：KHN= 0.03375107=1.527则 H= KHN?H=1.527268=MPa计算中心距1602.9409.355蜗杆= = 3.14154= 12.566mm;计算中心距1602.9409.355蜗杆= = 3.14154= 12.566