太阳能电池板转向机构设计毕业设计

毕业设计 论文 太阳能电池板转向机构设计系 别 机械与电子工程系专 业 （ 班 级 ） 08 级机械设计制造及其自动化 1 班作 者 （ 学 号 ） 指 导 教 师 完 成 日 期 2012 年 4 月 27 日目 录中文摘要 1英文摘要 2 1 概述 3 1.1 能源与环保 31.2 太阳能的特点 41.3 国内外太阳能应用的现状 5 1.4 太阳能跟踪技术现状 62 实现转向机构的理论基础 10 2.1 地球围绕太阳的运行规律 10 2.2 太阳高度角和方位角的确定 10 3 转向 机构 的 设计 13 3.1 转向机构的整体设计 13 3.2 步进电机 14 3.2.1 步进电机的概述 14 3.2.2 步进电机的选择 15 3.3 太阳能自动跟踪方位角部分的设计 16 3.3.1 步进电机的转速的计算 1 7 3.3.2 齿轮的设计计算 1 8 3.3.3 蜗轮蜗杆的选择 21 3.4 太阳能自动跟踪高度角部分的设计 2 4 3.4.1 步进电机的转速的计算 2 5 3.4.2 蜗轮蜗杆的选择 2 5 3.4.3 齿轮的设计计算 2 8 3.4.4 凸轮的设计计算 32 3.5 本章小结 36 结论 37 谢辞 38 参考文献 39 蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 1 - 太阳能电池板转向机构设计摘 要 太阳能作为一种洁净的能源，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影响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。研究精确的太阳跟踪装置，可使太阳能采光板的热接受率大大提高，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。为找到一种价格低廉、跟踪精度高的太阳跟踪方法，本论文提出了“ 二维驱动，二维跟踪”的机械系统方案。本论文首先分析了两种太阳跟踪方法，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收效率。由于时间及目前的知识限制，跟踪系统只是进行粗略的角度跟踪，有较大误差，今后如有机会再进行改进。关键字 太阳自动跟踪；太阳照射角；凸轮机构；蜗轮蜗杆；步进电机蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 2 - Design of Steering Mechanism for Solar Panel Abstract The solar energy is one kind of clean sources of energy, primary energy, regenerative energy, has a lot of unique advantages. However, the problem that low utilization efficiency is always affecting and blocking the popularization of heliotechnics. The development of auto-solar tracker is a king of important approach which can improve solar energy utilization ratio. The development of exact auto-solar tracker can improve the receiving efficiency of sunlight, then can improve the receiving efficiency of sunlight, then can improve solar energy utilization and broaden the field of solar energy utilization. In solar power generation, the angle of the battery plate facing sun and sunlight is a key factor determining the efficiency of solar power generation. To find a sun-tracking way with little cost and high precision, this thesis 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 light - electricity conversion efficiency. The system is based on cam mechanism and worm gear, orbit the sun elevation angle formula using the sun and calculating azimuth and take two step motors work together at the same time driven Dual-axis tracking system, make the solar panels perpendicular to the solar incidence line, 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- solar Track; Sun Angle; Cam Mechanism; Worm Gear; Step Motor 蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 3 - 太阳能电池板转向机构设计1 概 述1.1 能源与环保随着时代的前进， 人类社会和经济的发展速度日益增加， 但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发展的基础， 社会经济发展得越快， 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。 目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源， 如煤炭、 石油、 天然气等。 正是由于上述原因， 世界能源问题日益严峻，表现在如下方面1.1.1 能源短缺世界上大部分国家能源供应不足， 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，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番，但全球己探明的石油储量只能用到 2050年， 天然气也只能延续到 2040年左右， 即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。1.1.2 环境污染由于燃烧煤、 石油等化石燃料， 每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空， 使大气环境遭到严重污染， 直接影响居民的身体健康和生活质量， 局部地区形成酸雨，严重污染水土。1.1.3 温室效应化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程， 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否能够可持续发展。 一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。 占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的， 不可再生的。 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蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 4 - 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； 天然气储备估计在 13180152900兆立方米， 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， 1995年煤炭开采量为 3亿吨，可以供应 169年； 铀的年开采量目前为每年 6万吨， 根据 1993年世界能源委员会的估计可维持到 21世纪 30年代中期， 核聚变在 2050年前没有实现的希望。 能源短缺的形势很严峻， 当前世界多数国家对能源问题都很重视。 新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。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描绘出希望。 其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰 [1] 。1.2 太阳能的特点太阳是一个巨大的能源， 万物生长都要依靠太阳， 地球上绝大部分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。 全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一，因此利用太阳能的潜力是十分大的。 而相对于日益枯竭的化石能源来说， 太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。太阳辐射能与煤炭，石油，核能相比较。有如下的优点 1.2.1 储量的“无限性”太阳能是取之不尽的可再生能源， 可利用能量巨大。 太阳放射的总辐射能量大约是 3.75 X 1021 kW ，极其巨大的。其中到达地球的能量高达 1.73 1011kW，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为 8.1 1013kW。 在到达地球表面的太阳辐射能中， 到达地球陆地表面的辐射能大约为 1.7 1013kW， 相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。 太阳的寿命至少尚有40亿年， 相对于人类历史来说， 太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，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 存在的普遍性虽然由于纬度的不同、 气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 5 - 其他能源来说， 太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性， 可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区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、 潮汐能等洁净能源一样， 其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。1.2.4 利用的经济性可以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”， 可以随地取用； 二是在目前的技术发展水平下， 有些太阳能利用己具经济性。 随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显 [2] 。1.3 国内外太阳能利用的现状我国地处北半球欧亚大陆的东部， 土地辽阔， 幅员广大。 我国的国土跨度从南至北，自西至东，距离都在 5000km以上，总面积达 960万平方公里，占世界陆地总面积的 7，居世界第三位。在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。 全国各地太阳能辐射量为 3340 8400MJ/m2 a， 中值为 5852MJ/（ m2a） 。我国太阳能资源丰富和比较丰富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类地区，年日照时数大于 2200h，太阳辐射总量高于 50165852MJ/（ m2a），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。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， 光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业从 1999年的 201MW增加到 2005年的 1100MW。目前以 32.1的年平均增长率高速发展，位于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省 MITI 第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划， 2010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”是驱动欧洲光伏发展的里程碑，总目标是 2010年光伏发电装机容量达到3GW。美国能源部制定了从 2000年 1月 1日开始的 5年国家光伏计划和 2020～ 2030年的长期规划， 以实现美国能源、 环境、 社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的发展速度， 2010 年美国光伏销售达到 4.7GW。发展中蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 6 - 国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的 10左右。 预测未来 10年仍将保持 10或稍高的发展水平， 达到 1.5GW约 10.6。 其中印度近几年发展迅速，居发展中国家领先地位，目前光伏系统的年生产量约 10MW ，累计安装量 40～50MW 。因此，到 2010年世界光伏系统累计安装容量将达到 14～ 15GW。太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式， 随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施， 太阳能光伏发电技术取得了较快发展。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖 25千瓦光伏电站，西藏安多 100千瓦光伏电站以及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足， 地理位置偏僻， 电网不能到达的地区。 近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电应用系统也出现在生活中， 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，承诺 2010年太阳能光伏累计装机容量 450MW。从国家发改委制定的中长期规划看， 2006-2020年每年的平均装机容量约 60MW 。虽然我国太阳能发电水平有了相当程度的提高， 但是离大规模的应用推广还有很大的距离， 光伏产业还处于成长期。 随着技术的进步， 光伏系统的成本会越来越低，性能会越来越好，应用的领域会越来越宽广 [3] 。1.4 太阳能跟踪技术现状现阶段国内外已经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 单轴跟踪一般采用 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，工作原理基本相似。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， 根据事先计算的太阳方位的变化， 太阳能设备的能量转换部分绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。 采用这种跟踪方式， 一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直， 此时太阳能接收率最大， 而在早上或下午太阳光线都是斜射。 单轴跟踪的优点是结构简单， 但是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部分的主光轴平行，接收太阳能的效果并不理想。蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 7 - 图 1-1 单轴焦线东西水平布置（南北跟踪）2 双轴跟踪又可以分为两种方式 极轴式全跟踪和高度一方位角式全跟踪。极轴式全跟踪原理如图 1-2 所示，太阳能设备的能量转换部分的一轴指向天球北极， 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分所在平面绕极轴运转， 其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角 反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化， 通常根据季节的变化定期调整。 这种跟踪方式并不复杂， 但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线， 极轴支承装置的设计比较困难。图 1-2 极轴式跟踪高度角 - 方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪， 其原理如图 1-3所示。 太阳能设备的能量转换部分的方位轴垂直于地平面， 另一根轴与方位轴垂直， 称为俯仰轴。 工作时太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 8 - 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分的倾斜角， 从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。 这种跟踪系统的特点是跟踪精度高， 而且太阳能设备的能量转换部分的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易 [4] 。图 1-3 高度 - 方位角式全跟踪目前，国外对于太阳能技术跟踪装置 或称为太阳跟踪器 的研究有，美国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， 而南北方向则通过手动调节，接收器对太阳能的热接收率提高了 15。 1998年美国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，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多能量， 使热收率进一步提 JoeLH.Godman研制了活动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， 这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体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏季能量的获取率。 2002年 2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置， 该装置利用控制电机完成跟踪， 采用铝型材框架结构， 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， 太阳能厨房投入使用， 该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置 1321。 捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪。近几年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究。 1929 年推出了太阳灶自动跟踪系统。 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型全自动太阳跟踪器， 成功的应用于太阳辐射观测 [5] 。蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 9 - 太阳的跟踪方式普遍采用双向跟踪， 且都是采用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 35。目前太阳跟踪装置主要有电子跟踪类、机械跟踪类、还有 GPS 追踪类。机械类跟踪系统体积庞大而又笨重， 运输、 安装或者维修都比较麻烦， 且存在积累误差，其它两种属于精确跟踪系统， 存在的不足之处是成本高， 消耗电能， 不利于移植在民用的太阳能装置上。 本文采用的跟踪方式是视日轨迹跟踪控制策略， 用较为简单的凸轮推杆机构实现“二维驱动， 双向跟踪”。 该系统相对于单轴太阳跟踪装置，精度明显提高，还可实现全天候自动控制。在小型光伏发电、太阳能热利用装置、 农村小型民用太阳能灶等方面， 采用此装置不仅方便实用、 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。蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 10 - 2 实现转向机构的理论基础2.1 地球围绕太阳的运动规律众所周知 ，地球每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。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为 24h，所以地球每个小时自转 15。地球除了自转外， 还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道 黄道 上运行， 称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面 黄道面 法线倾斜成 23 27′的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。 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，形成地球四季的变化。假设观察者位于地球北半球中纬度地区， 我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。每年的春分日 3 月 12日 ，太阳从赤道以南到达赤道 太阳的赤纬占 δ 0 ，地球北半球的天文春季开始。 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 90 - 为观察者当地的地理纬度 。春分过后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，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 - 23 27′ ，白昼最长，这时候地球北半球天文夏季开始。 夏至过后， 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 ，太阳又从赤道以北到达赤道 太阳的赤纬 δ 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。秋分过后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日 12 月 2日 ，太阳正午高度达最小值90 - 23 27′ ，黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。冬至过后，太阳正午高度逐日升高， 同时白昼增长， 太阳的升落又趋向正东和正西， 直到春分日3 月 21日 太阳从赤道以南到达赤道。2.2 太阳高度角和方位角的确定蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 11 - 2.2.1 Coper 方程太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角， 以占表示。 在一年中， 太阳赤纬每天都在变化，但不超过士 23 27′ 的范围。夏天最大变化到夏至日的23 27′ ; 冬季最小变化到冬至日的 - 23 27′ 。太阳赤纬随季节变化，按照 Coper方程，计算δ 23.45 sin360 284 n 365 2-1 式中， n为一年中的天数，如 在春分， n81，则 δ 0，自春分日起的第 d天的太阳赤纬为 δ 23.45 sin 2π d 365 2-2 2.2.2 太阳角的计算如图 2-1 所示，指向太阳的向量 S 与天顶 Z的夹角定义为天顶角，用 θ Z表示；向量 S与地平面的夹角定义为太阳高度角，用 h表示； S在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用 γ 表示。太阳的时角用 ω 表示，它定义为 在正午时 ω 0，每隔一个小时增加 15，上午为正，下午为负。图 2-1 太阳角的定义1 太阳高度角计算太阳高度角的表达式为sin h sin sin δ cos cosδ cosω （ 2-3 ）式中， 沪为地理纬度； δ 占为太阳赤纬； ω 口为太阳时角。正午时 ， ω 0， cosω 1， 2-3 式可以简化为蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 12 - sin h sin sin δ cos cosδ cos - δ 因为， cos - δ sin[90 - δ ] ，所以sin h sin[90 - δ ] （ 2-4 ）正午时，若太阳在天顶以南，即 δ ，取 sin h sin[90 - - δ ]从而有 h 90 - δ （ 2-5）在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有 δ ，从而 h 90 。2 太阳方位角太阳方位角按下式计算 cosγ sin h sin δ - sin δ cosh cosδ 2-6 也可用下式计算 sin γ cosδ sin ω cosh 2-7 根据地里纬度， 太阳赤纬以及观测时间， 利用式 2-6 或者式 2-7 中的任意一个可以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。3 日照时间太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角 h 0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，根据式 2-3 ，可得出日出日没时角表达式cosω θ - tan tan δ 2-8 式中 ω θ - 日出或日没时角，以度表示，正为日没时角 ; 负为日出时角。对于北半球，当 - 1 ≤ - tan tan δ ≤ 1，解析式 2-8 ，有ω θ cos- 1 - tan tan δ 2-9 求出时角 ω θ 后，日出日没时间用 t ω 15 h求出。一天中可能的日照时间由下式给出N 215 cos- 1 - tan tan δ （ 2-10 ）利用太阳高度角和方位角的数学模型， 就可以在固定纬度， 固定时段计算出太阳在此条件下的方位。 从而可以通过控制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 [6] 。蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 13 - 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， 使太阳能板自动准确的跟踪太阳运动， 这就必须使太阳能板装置具有跟踪功能。 在实际的运行过程中， 太阳的运动是一个沿着方位方向和高度方向两个方向的非线性运动， 因此， 需要两个步进电机分别进行控制。 这两个步进电动机的作用是驱动跟踪装置可以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。 这样， 跟踪装置就可以在步进电动机的带动下在整个太阳运动过程中光线始终垂直于太阳能板， 保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， 从而达到提高太阳能利用率的目的。同时，此跟踪系统的设计还必须本着造价低廉、可靠性高、结构简洁的原则进行。 机械转向机构在结构上要做到结构紧凑、 布局合理， 选件不能过大臃肿，在同等条件下，尽量选用小型的构件。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 [7] ， 再在几种比较合适的结构的基础上进行一些修改以更加符合本设计的要求， 最终得到的结构如图 3-1 所示。此结构在东西向和南北向都有很大的转动空间，并且结构简单，耗材较少，比较适合小型的太阳能跟踪发电系统。如图 3-1 ，本机械转向机构基本组成主要有底座、下层平台、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，底座主要由普通的钢材加工而成， 便于拆卸和移动。 驱动电机选用的是步进电机， 此种电机性能可靠， 对于角度量转向控制精确。 连轴器选用的是普遍使用的弹性联轴器， 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 ; 并且，太阳的角度控制要求精确， 要合理的选取涡轮蜗杆减速机构的传动比。 电池板固定架用来对太阳能电池板进行固定，要求设计合理，稳定。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。蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 14 - 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 步进电机的概述步进电动机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的控制电机。 在数字控制系统中， 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可以启动和停止， 并且， 它的转子按照每一个输入步进指令以准确的角度运动和停止。 这种精确的角度运动可随每一个输入步进指令重复，从而使其转子可在任一方向上精确定位。步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、调速范围大、起动、制动反应灵敏等特点。而且如果停机后某些相仍保持通电状态， 则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， 由于具有这些优点， 步进电动机广泛应用于数字控制系统中。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。 电磁式步进电机一般又分为反应式步进电机 VR、 永磁式步进电机 PM和混合式步进电机 HB三种。 反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组，它结构简单成本低，步距角可以很小，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， 转子本身就是一个磁源， 它蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 15 - 输出转距大， 动态性能好， 但步距角一般很大。 混合式步进电机则是综合了反应式和永磁式两者的优点， 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可以像反应式步进电机那样小步距的转动，也具有永磁式控制功率小动态性能好的特点。 步进电机的相数是指产生不同对极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变化所需脉冲数或导电状态， 或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。 步进电机的步距角指对应一个脉冲信号， 电机转子转过的角位移 [7] 。3.2.2 步进电机的选择选择步进电机时首先要知道机械和时间二个方面的要素。 机械要素是指负载转矩 Tt和负载惯量 J。时间要素是指加速时间 t1和 t2 即从 t 1开始加速到 t2 ，运行时间 t。在 3.1 节中介绍了跟踪装置的机械执行机构。在实际应用中，考虑到步进电机驱动的细分功能，我们在俯仰轴与电机 19 的输出轴之间采用了减速比为180 装置。在方位轴与电机 18 之间采用了减速比为 164 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 T Ti Ta式中 T 一需要的运行转矩， kgm; Ti一负载转矩， kg m; Ta一惯性体的加速转矩， kg m。①负载转矩由实测得到或用相关计算式估算。②惯性体的加速转矩可按下式计算。T＝ 驱动物体的惯量 980.7 3.14 步距角18 电机希望的脉冲频率加速时间在设计中， 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很大的冗余，因此设定Ti 0，采光板的惯量为 0。控制系统对步进电机的转速要求不高，因此设定输入电机的脉冲频率为 100HZ，加速时间为 0.02s 秒。在参考了步进电机厂家的相关资料后，决定选用细分后步距角为 0.045 的步进电机。方位角带动的转动架采用铁 （ ρ 7.9 10- 3 kg cm3） 作为原材料， 转动架为一长方形的框架 图 3-2 ，采用厚 2cm 的铁板， 两侧壁、 底部宽为 10cm， 框架底部长 40cm， 两壁高 20cm，蚌埠学院本科毕业设计（论文）- 16 - 其惯量经计算圆柱体的惯量公式近似计算得 J π32 ρ l D1 4 - D24 3.1432 7.9 10- 3 20 40 4 - 364 ≈ 13649kg cm2折算到电机 18 输出轴上的惯量为J1 J 164 ≈ 213.3kg cm2电机 18 输出轴上的加速转矩为 Ta1 213.3980.7 3.14 0.04518 1000.02 ≈ 8.535kg cm ≈ 0.836N m由于电机 18 和电机 19 的输入脉冲信号频率和加速时间一致， 因此采用相同的方法可以估算出。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Ta2 170.6980.7 3.14 0.04518 1000.02 ≈ 6.828kg cm ≈ 0.669N m因 此 电 机 18 和 电机 19 带 载 运 行 所 需要 的 转 矩 分 别 为 0.836N m 和0.669N m。在查阅了步进电机生产厂家的产品参数资料后，并且考虑到首次设计的装置，所选用的电机和驱动器的特性，通常留有 1.52 倍的余量。所以本系统选用 56BYG250D-0241、 56BYG250C-0241 两相混合式步进电机。表 3-1 列出两电机的相关主要参数 [7] 。表 3-1 步进电机主要参数型号 相数 步距角（） 相电流 （ A） 保持转矩（ N m） 转动惯量（ gcm 2） 重量kg外形尺寸（ mm）56BYG250D-0241 2 1.8 2.4 1.72 460 1 56 56 7656BYG250C-0241 2 1.8 2.4 1.04 260 0.6 56 56 543.3 太阳能自动跟踪系统方位角部分的设计下图 3-2 为太阳能自动跟踪系统跟踪方位角的机械部分的设计的俯视图。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 18、齿轮 12和 13、蜗轮16、蜗杆 17构成的传动机构 [8] 。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