太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计[1]

太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计[1

第4期(总第161期)

2010年8月机械工程与自动化

MECHANICAL　ENGINEERING　&　AUTOMATIONNo.4Aug.

文章编号:1672-6413(2010)04-0091-03

太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计

张善文,张剑峰,陈思栋

(扬州大学机械工程学院,江苏　扬州　225127)

摘要:针对太阳光线跟踪问题,设计了基于天文学参数的闭环控制系统。检测传感器采用太阳能电池片作为太阳光线的感光器件,调整太阳光线与电池板的垂直偏差。在太阳光线双轴跟踪装置的性能分析及机械系统参数计算的基础上,设计了太阳光线双轴跟踪系统的结构,并对系统关键部件进行了计算和选型。关键词:光线跟踪;太阳能;机械系统中图分类号:TK513.4　　　文献标识码:A

0　引言

太阳能作为一种可再生无污染的一次能源,能有效解决我们日益增长的能源需求问题。研究太阳光线跟踪系统,能提高太阳能的利用效率,促进太阳能的普及应用,改善能源利用的结构。本文根据太阳光线跟踪装置的工作原理及性能分析对其机械系统进行了详细设计。

1　太阳光线智能跟踪装置工作原理及性能分析

太阳光线智能跟踪系统采用基于天文学参数的闭环控制系统。系统跟踪原理是:先根据太阳运行规律计算出一天内某时刻太阳高度角 和方位角 的理论值,驱动器根据理论值和跟踪检测的误差补偿值驱动电机,电机带动执行机构工作,从而调整太阳能电池板的角度,完成对太阳的跟踪。跟踪装置工作原理如图1所示[1,2]。

图1　跟踪装置工作原理图

太阳光线智能控制跟踪装置需要满足以下要求:

o

(1)方位角跟踪范围:0～200;高度角跟踪范围:0～90o。同时要避免极限位置锁死,不跟踪时装置具有锁紧功能。

(2)为防止跟踪角加速度过大,引起附加载荷过大,取平均跟踪角速度为0.2o/s。

收稿日期:2009-11-16;修回日期:2010-02-26

(,,,(3)跟踪精度为±1o。太阳的平均角速度为o

0.25/min,即每隔4min太阳能电池板与太阳光线就有1o的偏差。因此,最多每隔4min就要调整一次太阳能电池板的角度。

(4)跟踪能耗不能超过1W。

(5)装置的刚度和强度能满足该装置最大抗风150km/h的要求,可实现9级风自动放平功能。

(6)在满足以上性能的同时,尽量简化结构和加工工艺,进一步提高技术经济性,降低成本[3]。2　跟踪装置机械系统设计

2.1　传动方案与双轴系统方案

传动机构通常有蜗轮蜗杆传动机构、普通齿轮传动机构、行星齿轮传动机构和谐波减速机构等。行星齿轮传动具有重量轻、体积小、传动效率高、传动比大、传动功率范围大等优点,但其价格比较贵,成本上不合算。谐波传动具有结构简单、重量轻、体积小、传动比范围大、承载能力高、损耗小、效率高、运动平稳无冲击等优点,但不能自锁。蜗轮蜗杆传动具有传动比大、降速快、能自锁的优点。齿轮传动具有传动比准确、传递扭矩大的优点。所以本装置选择蜗轮蜗杆和普通齿轮二级传动方案,如图2所示。

该跟踪装置设有两根轴,具有两个转动自由度,竖直轴(垂直于地平面的传动轴)可实现方位角跟踪,水平轴(平行于地平面的传动轴)可实现高度角跟踪。该装置采用无刷直流电机驱动的智能控制,不需手动调整,而且能够根据太阳的运动轨迹发出跟踪信号对跟踪装置进行自动控制。通过双轴跟踪,使太阳能电池

[4,5]

板保持与太阳光线垂直,最大效率地使用太阳能。

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　机械工程与自动化　　　　　　　　　　　　　　　2010年第4期　

2.2　太阳能电池板托架结构设计

太阳能跟踪装置所受的风载荷需根据太阳能电池板的布置来确定,太阳能电池板布置的方式有很多,如直板式、叠加式等,综合考虑其高抗风能力和结构紧凑性,本文采用直板式。太阳能电池板结构参数见表1。在对该装置机械结构设计以前,先对太阳能电池板

托架进行结构设计。

不能太大,所以选取电机工作转速n′=200r/min,则总传动比为i=6000。取齿轮传动比为i1=z4/z3=2(受结构尺寸所限不易取大),则蜗轮蜗杆减速器的传动比为i2=z2/z1=3000。所选传动齿轮齿数分别为z3=14,

选RV30/40型双z4=28,模数m=5,齿宽b=40mm。

级蜗轮蜗杆减速器,具体参数见表2。

图3　太阳能电池板托架整体三维结构图

1—太阳能电池板框架;2—水平轴;3—水平轴承;

4—水平齿轮传动;5—水平蜗轮蜗杆减速器;6—水平无刷直流电机;

7—支架;8—竖直齿轮传动;9—竖直蜗轮蜗杆减速器;

10—竖直无刷直流电机;11—竖直轴;12—竖直轴承;13—整体支座

图4　传动机构简图

表2　RV30/40型双级蜗轮蜗杆减速器参数

参数名称

数值0.0614000.5385.60.33633000

输入功率(kW)输入转速(r/min)输出转速(r/min)输出转矩(N m)

传动效率传动比

图2　跟踪装置传动方案示意图表1　太阳能电池板结构参数

功率(W)180

组件尺寸(mm)1580×810×46

[6]

重量(kg)15.5

块数6

　　首先根据经验公式计算风压,再根据风压大小确定太阳能电池板装置框架选材及其结构外形。根据最大抗风150km/h的要求,计算得到的风压q=1064.4N/m2。该装置要求太阳能电池板托架具有较大的刚度和强度,而可供选择的材料有角钢、方钢和槽钢等。根据太阳能电池板厚度为46mm,综合考虑其

[7]

成本,托架材料选用60×30×3.0冷弯等边槽钢。

托架采用桁架设计,考虑到托架与水平空心轴的连接稳定性,在与水平空心轴的连接处采用钢板结构,通过增加与水平轴相交处局部钢板厚度和在4个角落焊接4个三角钢板支撑块,可降低局部应力,提高整体强度[8,9],从而提高抗风能力。电池板安装托架整体三维结构如图3所示。2.3　机械系统参数设计2.3.1　传动比的确定

本装置高度角和方位角的跟踪机构拟采用同样的传动原理,其传动机构简图见图4。

由于太阳能电池板相对太阳光线转动角度很小,,　　根据蜗轮蜗杆减速器的输入功率,选无刷直流电机的功率为P=60W,转速为n=500r/min,转动惯量为JM=1.0×10-5kg m2。

2.3.2　电机轴上等效负载转动惯量计算

各传动件的转动惯量计算时,忽略蜗轮蜗杆减速器的转动惯量。根据齿轮结构可计算得到大、小齿轮

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的转动惯量分别为:Jz4=757.2×10kg m,Jz3=74.3×10-5kg m2。

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