【《太阳能跟踪系统的机械结构设计案例》2900字】

太阳能跟踪系统的机械结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u6838太阳能跟踪系统的机械结构设计案例 1193471.1机械机构及方案设计 1112431.1.1结构要求及实现原理 144271.1.2旋转机构的设计 2287771.1.4太阳能电池板尺寸选择及受力分析 3322591.2步进电机原理 426311.2.1步进电机的特点及型号选择 4257151.3电动推杆原理及型号选择 5159841.4涡轮蜗杆设计选择及轴承选择 517061.5机构旋转方案实现 6随着太阳能发电系统的成熟，对于太阳能跟踪系统的要求也在提高。许多高校和公司都按照自己的理解发明了各式各样的太阳能跟踪系统。这些太阳能跟踪系统有着不同的设计可以应用在不同的场合。有些是用螺杆驱动机构追踪太阳能，有些是基用液压机构追踪太阳能，有些则由不同的机构组成。每种机构地设计都有其自身的很多优势和很多不足，本文的设计充分考虑了跟踪控制系统机械结构的设计要求研究了很多机构的设计与不足，例如：其机械结构简单，成本要低，跟踪效果强。该系统的机械机构是圆柱式机构。旋转机构在两个旋转方向上具有两个轴和两个自由度。仰角驱动机构由电位器的电动推杆进行驱动，方位角控制机构一般是由一台步进电机进行驱动。机械结构的具体基本设计思路如下：1.1机械机构及方案设计1.1.1结构要求及实现原理当前有许多用于室外太阳能跟踪控制器的设计，根据不同的太阳能电池板放置方法将其分为直线型和叠加型。考虑到机械结构的设计应具有较强的抵抗力和小巧紧凑的特点机械结构示意图如图3-1所示。该系统是由两个可以自由旋转的机构组成的这样可以多角度的追踪太阳光，一个上框架和一个立柱组成。考虑到上框架的材料应该具备好的强度所以上框架选用轻质的铝合金，上框架可以用来连接两个太阳能电池板，水平轴经左右两个深沟球轴承连接至上框架的角铁。上部的框架是可以围绕着水平轴旋转的。电动推杆将太阳能电池板连接到顶部框架，然后电动推杆推动顶部框架让太阳能电池板围绕水平轴旋转。步进电机连接到蜗杆，垂直轴移动以其让它在水平面中旋转，以实现对太阳位置的跟踪。本文档中开发的跟踪设备具有两个轴和两个自由度。为了使太阳能电池板从0°-180°旋转，它可以跟踪太阳。方位角和仰角可以从10°旋转到90°，并且可以跟踪太阳的仰角。具有两个自由度，图3-1机械结构示意图可以在任何方向上跟随太阳。图3-1机械结构示意图1.1.2旋转机构的设计旋转机构是跟踪装置的核心，为了实现两个自由度，设计简单实用，方位跟踪由步进电机和蜗杆驱动，高度角跟踪由带电位器的电动推杆完成。跟踪机构水平旋转机构如图3-1，跟踪机构俯仰机构如图3-1.水平旋转机构由一个水平面板支撑，由带有两个滚动轴承的支架支撑涡轮蜗杆，用一个水平支架支撑垂直轴。联轴器的一端的蜗杆相连，一端与步进电机相连，步进电机的旋转可以带动涡轮蜗杆旋转从而使机构在水平方向运动电动推杆与垂直轴相连，电动推杆用直流电机驱动。电动推杆与一个轴相连，通过一个电动推杆可以使机构在俯仰方向运动。此系统中，在跟踪器的东西方向上分别安装了两个小型驱动器的开关。驱动器的开关类似于鼠标上的微动开关。微动开关主要有两个开关，一个常开，另一个常闭。当旋转机构在达到太阳升起或太阳落下时，将接通开关，并断开驱动开关。旋转机构停止它的旋转。电机可以按照实际需要沿着电机相反的转动方向进行转动。电动推杆可以通过直流电机去驱动一个俯仰轴。该传动系统中所需要采用的电动推杆都有自己的驱动开关和控制器。通过检测电位器两端电阻的电压来限制电动推杆运动的电位器。本文开发的跟踪设备配备了水平和垂直限制设备，大大提高了跟踪设备的可靠性和稳定性。1.1.4太阳能电池板尺寸选择及受力分析太阳能电池板的安装分为直线型和叠加型。该项目的设计采用直板型。安装太阳能电池板时，必须考虑诸如风阻等环境因素。太阳能电池板参数：长-1578mm、宽-806mm、厚-34mm、质量-15.4kg、面积-1274252mm2。首先，太阳能电池板装置的材料是由自身的重量和风压的大小决定的。考虑到最大风阻为25m/s的要求，计算如下：在指定标准压强下(气压为1013hPa，温度为15°C)，纬度为45°处的重力对自由下落的物体产生的加速度g=9.8[m/s2]，某种物质每单位体积的重量r=0.01227[kN/mP=0.5×ρ×c×v2P为一个垂直于一定气流方向的平面所可能受到的风的压力[kN/m2],ρ为一定的温度和压力下，单位体积空气所可能具有的气体质量[kg/m3],v2为风速[m/s],c为风作用在一个建筑物表面上所可能引起的实际的压力与来自风的速度压的比值，空气密度ρ和重度(r)的关系为r=ρ×g,因此有p=r/g。得到：P=0.5×c×r×v2所以每块太阳能电池板所受力：F=S×P (3-3)其中S为太阳能电池板的面积。太阳能电池板自重：G=M×g (3-4)1.2步进电机原理步进电机因为是一种直接采用开环控制的电动机故又被人们称为脉冲电动机。它被认为是现代数字程序管理控制系统中最重要的一个执行程序。步进电机包括两个大部分：定子和转子。这些转子都是永磁体。根据电动机中转子的基本结构，步进电动机按照电机机构一般可以分为三种类型：永磁式（转矩体积较小），反应式（一般为三相）和混合式（具有反应式和永磁式的优点）。本文考虑到机构设计的合理性使用混合式步进电机。它分为2相，3相和5相。本文使用两相步进电机。这种类型的步进电机是最常见的。1.2.1步进电机的特点及型号选择（1）通常步进电机的工作精度一般为步进角的3-5％它的转速取决于脉冲频率，并且这个角度不会有任何参数累积。（2）步进电机外表允许的最高温度。（3）步进电动机的转矩随着速度的增加而减小。（4）步进电机虽然可以保证在低速下正常频率工作，但如果它的速度高于一定速度，它将不能保证正常的工作，并伴有啸叫声。表3-18表3-186BYGH202电机技术参数步距角（°）机身长（mm）自身重量（g）引线数（num）静力距（N*m）转动惯量（g/cm1.8802110电动推杆原理及型号选择电动推杆可用于各种简单的工艺中，以达到自动控制，远程控制和中央控制的目的。电动推杆中使用的电动机是工作电压为12-24V的直流电动机它具有良好的调速性能。电动执行器是一种辅助驱动装置，广泛用于机械，电力，运输，冶金，石油，矿山，起重机械，化工，建筑等行业。这主要是因为它具有相同的推拉力，并且对环境有益。适应性强和许多其他优点。本文选用的电动推杆型号为TG-301D,表3-2是该推杆的性能参数表3-2TG-301D性能参数行程(mm)最大推力(N)速度(mm/s)电压(v)安装尺寸（mm）20110006243411.4涡轮蜗杆设计选择及轴承选择一块电池板的尺寸为1578mm×806mm，共装有两块电池板，一块电池板的质量为14kg考虑到框架和其它配件，所以装置的质量在41kg左右。由电池板的尺寸，考虑到设计的合理性可以把涡轮蜗杆的模数选择为m=7mm.考虑到设计的合理性可以把蜗杆的轴直径系数选择为16mm。设计轴承的主要目的是使蜗杆和涡轮转动。本设计中主要用到两类轴承：垂直上轴和垂直下轴用推力球轴承，水平轴考虑到设计的合理性用深沟球轴承。考虑到水平轴所受的力为上框架的重力，深沟球轴承是应用最广泛的一种滚动轴承选择61804，内径为20mm,外径为32mm，厚度7mm。垂直轴要承受的力为电池板的力，所以推力球轴承选择51107，内径35mm，外径52mm，厚度12mm。1.5机构旋转方案实现根据以上分析，步进电机驱动方位角轴跟踪太阳的方位角，对