太阳能自动跟踪系统设计论文(3)

5
2 太阳能自动追踪系统总体设计
2.1 太阳运行的规律
由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这 种变化是周期性和可以预测的。[18]地球极轴和黄道天球极轴存在的一个 27 度的夹角，引 起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为 23 度 27 分，然后逐渐增大，到春分时 变为 0 并继续增大，夏至时赤纬角最大为 23 度 27 分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变 为 0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。
2.2 跟踪器机械执行部分比较选择
根据分析以前的跟踪器机械执行部分的问题，以及成本等各个方面考虑，有以下几种 跟踪器。
2.2.1 立柱转动式跟踪器
图 2-1 立柱转动式跟踪器
跟踪器的结构：[19]大齿轮固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相 对于底座可以转动)，小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮连接马达 1 的输出轴。马达 1 固定在 转动架上，转动架以及支架固定安装
在主轴上，接收器、马达 2 安装在支架上面(接收器 相对于支架可以转动)，马达 2 的输出轴连接在接收器上。 跟踪器实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱 动马达 1 带动小齿轮转动，由于大齿轮固定。使得小齿轮自转的同时围绕大齿轮转动，因 此带动转动架以及固

太阳能自动跟踪系统设计论文

定在转动架上的主轴、支架以及接收器转动；同时控制信号驱动马达 2 带动接收器相对与支架转动，通过马达 1、马达 2 的共同工作实现对太阳方位角和高度 角的跟踪。系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。对于方位角的跟踪，利用齿轮副传 动，能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能 源成本和制造成本。整个跟踪器的结构紧凑，刚度较高。传动装置设置在转动架下。受到
6
了较好的保护，提高了传动装置的寿命。
2.2.2 陀螺仪式跟踪器
图 2-2 陀螺仪式跟踪器
跟踪器的结构：
[20]
传动箱 1 固定安装在支架上，马达 1 安装在传动箱 1 上，传动箱 1
的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达 1 的输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上 面(环形支架相对于支架可以转动)，传动箱 1 的输出轴连接环形支架，传动箱 2 固定安装 在环形支架上，马达 2 安装在传动箱 2 上，传动箱 2 内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。 马达 2 的输出轴连接蜗杆， 接收器安装在环形支架上面(接收器相对于环形支架可以转动)， 传动箱 2 的输出轴连接接收器。 该跟踪器可以选择不同朝向安装，当按照上图的朝向进行安装时，跟踪器跟踪的实现 原理如下： 当太阳光线发生偏移时， 控制部分发出信号驱动马达 2 带动传动箱 2 中的蜗杆、 蜗轮转动，再输出带动接收器相对于环形支架转动，跟踪太阳由东向西的运动；同时控制 部分也发出信号驱动由马达 1 带动传动箱 1 中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动环形支架和 接收器转动，跟踪太阳南北方向的运动，由此来实现对太阳的两个方向的跟踪。 系统优点：该跟踪机构结构简单。对于两个方向的跟踪，都利用蜗杆、蜗轮副传动， 在紧凑的结构下得到很大的传动比，能使用功率很小的马达同时传递足够的动力，使用功 率小的马达降低了其能源成本和制造成本；蜗杆、蜗轮副的自锁性能好，能防风防雨。结 构紧凑，运动空间大。传动装置设置在传动箱内，受到了较好的保护，提高了装置的寿命。
2.2.3 齿圈转动式跟踪器
机构结构：[21]马达 1 固定在支架上，马达 1 的输出轴连接小齿轮 1，小齿轮 1 与齿圈 1 啮合。齿圈 1 连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对
于支架可以转动)，马达 2 安 装在主轴前端的一块板上，马达 2 的输出轴连接小齿轮 2，小齿轮 2 与齿圈 2 啮合，齿圈 2 连接着转动架，转动架安装在主轴上(转动架相对于主轴可以转动)。 机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达 1 带动小齿轮 1

太阳能自动跟踪系统设计论文

转动，小齿轮带动齿圈 1 和主轴转动；同时控制信号驱动马达 2 带动小齿 轮 2。小齿轮 2 带动齿圈 2 和转动架转动，通过马达 1、马达 2 的共同工作实现对太阳方
7
位角和高度角的跟踪。
图 2-3 齿圈转动跟踪器
系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动力， 能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成 本和制造成本；由于使用半个齿圈，能在紧凑的结构下得到较大的传动比。结构紧凑，运 动空间大。
2.2.4 本课题的机械设计方案
图 2-4 本课题的机械设计方案
机构结构：马达 1 固定在支架上，马达 1 的输出轴连接小齿轮 1，小齿轮 1 与大齿轮 啮合。把齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架上(主轴相对于支架可以转动)，马达 2 安装 在主轴前端的一块板上，马达 2 的输出轴连接小齿轮 2，小齿轮 2 与齿圈啮合，齿圈连接 着太阳能板，转动架安装在主轴上。 机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达 1 带动小齿轮 1 转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动马达 2 带动小齿 轮 2。小齿轮 2 带动齿圈和太阳能板转动，通过马达 1、马达 2 的共同工作实现对太阳方 位角和高度角的跟踪。
2.3 跟踪方案的比较选择
目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式: [22] (1)视日运动轨迹
8
跟踪；(2)光电跟踪；(3)视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做 一个简要的介绍和比较。
2.3.1 视日运动轨迹跟踪
不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的， 通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。 太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有 具体公式可用的问题。[23]而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的 具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文 三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。 根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。
在 应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统 则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高 准确性和高可靠性。 在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的 高度角和方位角。然后控制

太阳能自动跟踪系统设计论文

系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪 装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回 到基准零点。 参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法[24]:算法 l，采用 中国国家气象局气象辐射观测方法；算法 2，采用世界气象组织气象和观测方法。 由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增 大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为 了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安 装是否正确关系极为密切。 工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高 …… 此处隐藏：2800字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……