太阳能自动跟踪系统设计论文(4)

[26]
太阳光线与透镜光轴的夹角超过一
定的角度范围，由于镜筒结构的限制，透镜聚焦的光斑无法被光电池捕捉到这时跟踪装置 便无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。因而该种跟踪装置只能在一定的角度范围 内实现高精度跟踪，其跟踪范围跟镜筒结构有关。
2.3.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合
由上述讨论可知，[27]开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精 确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟 踪装置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟 踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪 费和部件的额外磨损。 如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。在视日运动轨迹跟踪的基 础上加两个高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定 位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修
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正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。 这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。但 计算过程十分复杂，高精度角度传感器成本也很高，
对于需要降低成本的小型太阳能利用 装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。
2.3.4 本设计的跟踪方案
光敏电阻光强比较法。 本设计的光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两 个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光垂直照 射太

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阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动 机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少， 驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。
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3
机械设计部分
3.1 太阳能自动跟踪系统机械设计方案
图 3-1 自动跟踪系统机械设计方案
机构结构：步进电机 1 固定在支架上，步进电机 1 的输出轴连接小齿轮 1，小齿轮 1 与大齿轮啮合。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)，步进 电机 2 安装在主轴前端的一块板上，步进电机 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步进 电机 1 带动小齿轮 1 转动，小齿轮 1 带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动步进电机 2 带动小齿轮 2，小齿轮 2 带动齿圈和太阳能板转动，通过步进电机 1、步进电机 2 的共同 工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。
3.2 第一齿轮转动计算
3.2.1 材料的选择
齿圈及齿轮的材料选用渗碳钢，热处理为渗碳淬火。
3.2.2 确定尺寸计算
初选模数 m=4mm,中心距 a=260，转动比 i=4。 一般 Z1=25， β =8 到 15 度 （ β 为分度圆螺旋角） 。 初选 Z1=25， β =10 度，则 Z2=iZ1=4×25=100。 分度圆直径： 小齿轮直径 大齿轮直径 mz1 4 × 25 = = 101.54 ， 取 d1=100mm。 cos β cos10 mz 2 4 × 100 d2 = = = 406 ， d2=405mm。 取 cos β cos10 d1 = b= d =1.2×100=120
式 （3.1）
取齿宽系数 =1.2
则取大齿轮宽度 b2=120,小齿轮宽度 b1=125。
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齿顶高
ha1 = ha × m = 1× 4 = 4 ha 2 = (ha - ha )m = 3.7
式（3.2）
齿根高
hf = (ha + c)m = (1 + 0.25) × 4 = 5
式（3.3）
齿高
h1 = ha1 + hf = 9 h 2 = ha 2 + hf = 8.7
式 （3.4）
3.2.3 校核计算
查文献[28]表 12.9 得使用系数 KA＝1.35。 查文献[28] 图 12.9 得动载系数 KV=1.1。 查文献[28]表 12.10 得齿间载荷分配系数 KHa 。 Ft = 2 T1 2 × 2 ×104 = = 400 N d1 100 式（3.5）
k A Ft 1 .3 5 × 4 0 0 = = 405 N < 100 N mm mm b 120 1 1 ε = [1 . 8 8 3 . 2 ( + )] c o s β Z1 Z2 = [1 . 8 8 3 . 2 × ( = 1 .7 2 Zε = K
H
1 1 + )] co s 1 0 25 100
4 ε 4 1 .7 2 = = 0 .8 7 3 3 1 1 = = = 1 .3 2 2 Z ε 0 .8 7 2
式中 Ft --圆周力；
ε --端面重合度；
Zε --重合度系数。 载荷系数 K K = K
A KV K H K H β
= 1.35 × 1.1× 1.32 × 1.45 = 2.84
式（3.6）
查文献[28]表 12.12 得弹性系数 189.8。 查文献[28]图 12.16 得节点区域系数 2.5 。 查文献[28]表 12.1

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4 得接触最小安全系数为 1.25。 总工作时间 Th=10×360×2=7200h。
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应力循环次数 N L
107 ≤ N L ≤ 109
N L1 = 60 ri ∑ ni thi (
i =1
n
Ti m ) Tmax
式（3.7）
= 60 rn1th ∑ (
i =1
n
Ti 8.87 thi ) Tmax th
= 60 × 1 × 1000 × 7200 × (18.78 × 0.2 + 0.58.78 × 0.5 + 0.2 8.78 × 0.3) = 8.685 × 10 7
原估计应力循环次数正确。 NL 2 = NL1 / i = 2.17125 × 10 7 接触寿命系数 ZN:查文献[28]图 12.18 得 Z N 1 =1.2 ， Z N 2 =1.3 。 许用接触应力 [σ H ]
式(3.8)
[σ [σ
H 1
] = ] =
σ σ
H lim 1
Z Z
N 1
S S
= =
H m in N 2
7 1 0 × 1 .2 = 68 1M P 1 .2 5 5 8 0 × 1 .2 5 = 604M P 1 .2
式(3.9)
H lim 2
H 2
H m in
验算许用接触应力 [σ H ]
[σ
H
] = ZEZ
H
Zε
2 K T1 u + 1 × b d 12 u 2 × 2 .8 4 × 2 × 1 0 4 4 +1 × 2 120 × 100 4
式(3.10)
= 1 8 9 . 8 × 2 . 5 × 0 .8 7 × = 1 4 1M P a < 6 0 4 M P a
计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。
3.2.4 齿根弯曲疲劳强度验算
重合度系数
Y ε = 0.25 + 0.75 = 0.25 + 0.75 = 0.686 1.72
ε
齿间载荷分配系数 K F
K F = 1/ Yε = 1/ 0.686 = 1.48
式(3.11)
b/h1=120/9=13.33
则 载荷系数 K
K = K A KV K F K F β K F β =1.3
= 1.35 × 1.1× 1.48 × 1.3 = 2.857
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式(3.12)
齿型系数 YFa:查文献[28]图 12.21 得： YFa1 =2.38 YFa=22.09 应力修正系数 Ysa:查文献[28]图 12.22 得： Ysa1=1.7 Ysa2=1.85 弯曲疲劳极限 σ F lim :查文献[28]图 12.23c 得 σ F lim 1=600MPa , σ F lim 2=450MPa 。 查文献[28]表 12.14 得弯曲最小安全系数 SFlim1=1.6 。 应力循环次数 N L
107 ≤ N L ≤ 109
N L1 = 60 ri ∑ ni thi (
i =1
n
Ti m ) Tmax
式(3.13)
= 60 rn1th ∑ (
i =1
n
Ti 8.87 thi ) Tmax th
= 60 × 1 × 1000 × 7200 × (18.78 × 0.2 + 0.58.78 × 0.5 + 0.2 8.78 × 0.3) = 8.685 × 10 7
原估计应力循环次数正确
N L 2 = N L 1 /i= 2 .1 7 1 …… 此处隐藏：3391字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……