定日鏡跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、定日鏡跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定日鏡在電站中不僅數(shù)量最多、占據(jù)場(chǎng)地最大，而且是工程投資的重頭。定日鏡的跟蹤效果嚴(yán)重影響著太陽(yáng)能的利用效率。研究表明：對(duì)日跟蹤與不跟蹤，能量的接受效率相差37.7%，精確地跟蹤太陽(yáng)可使接收器的熱效率大大提高，進(jìn)而提高整個(gè)裝置的太陽(yáng)能利用率，從而拓寬太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域。 一、跟蹤系統(tǒng)的組成跟蹤系統(tǒng)主要構(gòu)成一般為：（1）太陽(yáng)能采集裝置；（2）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；（3）控制部分；（4）貯能裝置；（5）逆變器。系統(tǒng)組成如圖2.1所示?？刂撇糠洲D(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)太陽(yáng)能采集裝置直流負(fù)載交流負(fù)載逆變器貯能裝置圖2.1 跟蹤系統(tǒng)的基本構(gòu)成控制器1.太陽(yáng)能采集裝置本光伏發(fā)電系統(tǒng)的目的即是對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行有效的吸收，從

2、而盡可能多的把太陽(yáng)能量轉(zhuǎn)化為可用電能，提供給耗電負(fù)載使用，起到節(jié)省能源的目的。但是太陽(yáng)能電池本身容易破碎、易被腐蝕，若直接暴露在大氣的環(huán)境中，光電轉(zhuǎn)化的效率就會(huì)由于環(huán)境潮濕、灰塵、酸雨等影響而下降，最后以至于破碎失效。不能滿足本系統(tǒng)經(jīng)久耐用的研發(fā)要求。因此，太陽(yáng)能電池需要通過(guò)膠封、層壓等方式封裝成平板式結(jié)構(gòu)才能投入使用，如層壓的封裝方式，即將太陽(yáng)能電池片的正面和背面各用一層透明、耐老化、黏結(jié)性好的熱熔性膠膜封裝，并采用透明度高、耐沖擊的低鐵鋼化玻璃做為蓋板，用耐濕抗酸的復(fù)合薄膜或者玻璃等其他材料做背板，通過(guò)真空層壓工藝將電池片、正面蓋板和背板薪合為一個(gè)整體，從而構(gòu)成一個(gè)使用的太陽(yáng)能電池發(fā)電器件

3、，稱為太陽(yáng)能電池組件2.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 用來(lái)跟蹤太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置, 主要由底座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)構(gòu)、電池板固定框架等構(gòu)成。底座主要由普通的鋼材加工而成，便于拆卸和移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)，此種電機(jī)性能可靠，對(duì)于角度量轉(zhuǎn)向控制精確。連軸器選用的是普遍使用的彈性聯(lián)軸器，耐沖擊，經(jīng)久耐用。由于研發(fā)要求系統(tǒng)要結(jié)構(gòu)緊湊，電機(jī)選取的為小型步進(jìn)電機(jī)，輸出扭矩達(dá)不到轉(zhuǎn)向要求，因此要選用減速機(jī)構(gòu)來(lái)提升輸出扭矩，在本光伏系統(tǒng)中，選取的是小型渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu);并且，太陽(yáng)的角度控制要求精確，要合理的選取渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的傳動(dòng)比為50:1即可達(dá)到要求。電池板固定架用來(lái)對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行固

4、定，要求設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定。3.控制部分要根據(jù)即時(shí)時(shí)間進(jìn)行太陽(yáng)角度的運(yùn)算，調(diào)整系統(tǒng)精確轉(zhuǎn)向，因此要合理選用控制芯片完成此功能。4.貯能裝置本系統(tǒng)的制造目的是對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行采集，并加以利用，因此需要將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，用于其他耗電場(chǎng)合.5.逆變器采用逆變器將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為普通用電器可以使用的交流電。6.控制器為了最大限度地利用蓄電池的性能和延長(zhǎng)使用壽命，必須對(duì)它的充電條件加以規(guī)定和控制。 二、太陽(yáng)高度角和方位角的確定1、太陽(yáng)角的定義如下圖所示，指向太陽(yáng)的向量與天頂Z的夾角定義為天頂角，用表示；向量與地平面的夾角定義為太陽(yáng)高度角，用h表示；在地面上的投影線與南北方向線之間的夾角為太

5、陽(yáng)方位角，用表示。太陽(yáng)的時(shí)角用表示，它定義為:在正午時(shí)=0，每隔一個(gè)小時(shí)增加15°，上午為正，下午為負(fù)。 根據(jù)Coper方程可得：=23.45sin，（其中為太陽(yáng)赤緯，d為自春分日起的第d天，春分為3月21日）1）太陽(yáng)高度角計(jì)算太陽(yáng)高度角的表達(dá)式為sinh=sinsin+coscoscos （1.3）式中， 滬為地理緯度；占為太陽(yáng)赤緯；口為太陽(yáng)時(shí)角。2）太陽(yáng)方位角太陽(yáng)方位角按下式計(jì)算，cos= (1.6)也可用下式計(jì)算：sin=3）日照時(shí)間太陽(yáng)在地平線的出沒(méi)瞬間，其太陽(yáng)高度角h=0。若不考慮地表曲率及大氣折射的影響，根據(jù)式(4.3)，可得出日出日沒(méi)時(shí)角表達(dá)式cos=-tantan (

6、1.8)式中-日出或日沒(méi)時(shí)角，以度表示，正為日沒(méi)時(shí)角;負(fù)為日出時(shí)角。對(duì)于北半球，當(dāng)-1- tantan+1，解式(1.8)，有=arccos(-tantan) (1.9)求出時(shí)角后，日出日沒(méi)時(shí)間用t=求出。一天中可能的日照時(shí)間由下式給出: N=arccos(-tantan)三、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)（一）減速裝置的選型在發(fā)電系統(tǒng)的研制中，要求結(jié)構(gòu)緊湊，因此要選用的電機(jī)體積不能太大，由于結(jié)構(gòu)的限制，電機(jī)的功率和扭矩也不會(huì)很大，不能直接帶動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)做跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)。因此要選用合適的減速機(jī)構(gòu)來(lái)提高扭矩，使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了滿足整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的要求，在本機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中可以選用的減速器有以下三

7、種:渦輪蝸桿減速器、諧波減速器和行星減速器。這三種減速器的性能比較如表。這三種減速器各自的特點(diǎn)如下:（1）蝸輪蝸桿減速器的主要特點(diǎn)是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積較大，傳動(dòng)效率不高。（2 )諧波減速器的諧波傳動(dòng)是利用柔性元件可控的彈性變形來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，體積不大、精度很高，但缺點(diǎn)是柔輪壽命有限、不耐沖擊，剛性與金屬件相比較差。輸入轉(zhuǎn)速不能太高。（3 ) 行星減速器其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長(zhǎng)，額定輸出扭矩可以做的很大。但價(jià)格略貴。本系統(tǒng)由于起停比較頻繁，沖擊較大，因此不適合選用諧波減速器。行星減

8、速器雖然精度較高，但價(jià)格昂貴，也不能滿足本太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷。因此在本雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)中，選取渦輪蝸桿減速器是較為合適的。表3.1 減速器性能比較表類型渦輪蝸桿減速器諧波減速器行星減速器 體積 中 小 小 剛性 高 中 低 壽命 中 短 長(zhǎng) 效率 低 高 高 輸入轉(zhuǎn)速 3000以上 2000以下 2000以下在本設(shè)計(jì)中具體選用的渦輪蝸桿減速器為渦輪蝸桿減速箱，此減速機(jī)的結(jié)構(gòu)小巧而緊湊、外形美觀、體積小，箱體的各個(gè)面上都有安裝孔位，可以適應(yīng)各種安裝方式。（二）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型本太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)要求能夠比較準(zhǔn)確的跟蹤太陽(yáng)位置，因此要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠準(zhǔn)確的把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)軸上的角位移。

9、本系統(tǒng)選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個(gè)脈沖電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的移量或者線位移量S與脈沖數(shù)k成正比;它的轉(zhuǎn)速n，或者線速度v與脈沖頻率f成正比。在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化.因而可適用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速;能夠快速反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。它不需要變換可直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計(jì)算機(jī)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信

10、號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此作常適合于單片機(jī)控制。按勵(lì)磁方式分類，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為3大類：（1）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(anv baelelrcutance，簡(jiǎn)稱vR)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，.但動(dòng)態(tài)性能較差。（2）永磁式步進(jìn)電功機(jī)(Pemranentmanegt，簡(jiǎn)稱PM)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的.轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供給正負(fù)脈沖信號(hào)。（3） 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（hybir

11、d，簡(jiǎn)稱HB）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也稱為感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，步距角小。在本設(shè)計(jì)中，考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載較大，故選用了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)做為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)源。在對(duì)多種減速裝置和多種步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比后，確定了較適合本系統(tǒng)的渦輪蝸桿減速器和兩相混合式步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于本系統(tǒng)。 具體型號(hào)在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析后，根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)力需求進(jìn)行選取。 四、傳動(dòng)系統(tǒng)的受力分析和尺寸、角度的確定平面鏡0.6m 質(zhì)心在中心轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩 M= mglsin，隨著的減小而減小，方向?yàn)槟鏁r(shí)針； 考慮到平面鏡是從水平面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)的扭矩則 逆時(shí)針，則此時(shí)兩者作用在中心轉(zhuǎn)軸

12、上的扭矩之和為： M總= mglsin+ M風(fēng) 由圖可以看出，其中臨界角度比28.6°大，考慮到不發(fā)生干涉，當(dāng)為60°時(shí)風(fēng)的扭矩最大，此時(shí)要使絲桿受力最小，則最好是質(zhì)心產(chǎn)生的扭矩最小，則= 60°此時(shí)剛好絲桿的受力也幾乎在質(zhì)心距影響較大和風(fēng)扭矩情況下大致相同。a 圖中a為鉸動(dòng)連接搖桿的最短距離， a=L1/2 L1 假設(shè)初位置如圖所示，則在初位置 絲桿力矩：M=Fcos· L1sin(150°-) 60° 從圖中可以看出：當(dāng)=30°時(shí)，該式取得最大值，得出鉸連接搖桿的長(zhǎng)，與推桿力臂的長(zhǎng)度相同。絲桿從初始位置到中心轉(zhuǎn)軸垂線的距

13、離l1 = 0。L2 30° 此時(shí)絲桿終點(diǎn)距中心轉(zhuǎn)軸垂線距離 l2 =74.55 cm (其中那個(gè)鈍角算得157.3°，是一個(gè)定值，所以推桿力臂的長(zhǎng)度越大，則行程越大，又因前式得推桿力臂尺寸越大，受力越小，則初取L1=50cm)所以絲桿的行程l=l1+l2=74.55cm推桿力臂擺至右邊三十度時(shí)，L2至少89.76cm ，選95cm五、傳動(dòng)各部件的受力1、 推桿力臂 推桿力臂受轉(zhuǎn)軸對(duì)它的支撐力，鉸連接對(duì)它的拉力 2、 鉸連接 鉸連接受推桿力臂對(duì)它的拉力，絲桿對(duì)它的拉力3、 絲桿 絲桿受電動(dòng)機(jī)的扭矩，受鉸連接的拉力座駕力臂的支撐力 后來(lái)絲桿受壓力和座駕力臂的支撐力，和電動(dòng)機(jī)的扭矩4、 座駕力臂 座駕力臂受轉(zhuǎn)軸對(duì)它的支撐力，受絲桿對(duì)它的壓力 絲桿的受力 六、 電機(jī)和減速裝置的選型確定對(duì)于絲桿受力，勻速運(yùn)行，非精確計(jì)算可以套用以下公式：Ta=（Fa*I）/（2*3.14*n1)Ta：驅(qū)動(dòng)扭矩kgf.mm； Fa：軸向負(fù)載N（Fa=F+µmg， F：絲杠的軸向切削力N，µ：導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)，m：移