基于凸輪的全自動太陽跟蹤裝置的設(shè)計*

□ 韓麗艷 □ 劉雪峰 □ 劉占民

北京石油化工學院 機械工程學院 北京 102617

每天太陽的位置是在時刻不停地變化的，太陽跟蹤裝置能夠?qū)崟r跟蹤太陽位置，在太陽直接輻射資源觀測、太陽能跟蹤利用方面有大量應用。通常情況下太陽跟蹤器有兩種跟蹤模式，一種是晴天模式下，利用四象限傳感器和GPS時鐘自動進行時間和位置修正；一種是陰天模式下，利用程序計算太陽位置進行跟蹤［1］，但存在價格昂貴、野外維護保養(yǎng)復雜等問題。

本文根據(jù)地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的原理，設(shè)計了一種以凸輪為核心、無需程序控制的全自動太陽跟蹤裝置，可結(jié)合任何地點的緯度和時間進行太陽跟蹤，日落后執(zhí)行機構(gòu)按照與實際跟蹤軌跡相反的方向返回初始位置，避免了機構(gòu)的卡死和儀器信號線的纏繞。該裝置經(jīng)濟實用、安全可靠，適合光伏電廠光伏陣列野外長期太陽跟蹤的需求。

1 工作原理

地球時刻不停地圍繞太陽按偏心率0.017的橢圓軌道公轉(zhuǎn)，太陽位于橢圓的一個焦點上，同時，地球還以23.934 h的周期自轉(zhuǎn)［2］，自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道面夾角為23.439 281°（即黃赤交角，此處為公元2000年數(shù)據(jù)）?？梢?，地球上同一地點在不同時刻、不同季節(jié)，對太陽的視角（方位角和高度角）是不同的，這就是太陽每天時角和四季赤緯角的變化。全年太陽赤緯角的變化在夏至和冬至時刻出現(xiàn)極值，分別是正負23.5°，全年赤緯角的變化約47°，每天赤緯角的變化為：

時角的變化為：

如此，太陽跟蹤裝置的時角變化和赤緯角變化可以由如圖1所示的機構(gòu)實現(xiàn)。

2 機構(gòu)設(shè)計

▲圖1 太陽跟蹤裝置原理機構(gòu)圖

太陽跟蹤裝置中的機構(gòu)有齒輪、凸輪、齒形帶等。

2.1 齒輪設(shè)計

（1）選擇齒輪材料及精度等級。

小齒輪選用45鋼調(diào)質(zhì)，硬度HB1=250 HBS；

大齒輪選用45鋼正火，硬度HB1=210 HBS。

（2）確定許用接觸應力。查機械設(shè)計手冊，齒面接觸疲勞極限應力為：

σHlim2=540 MPa

則大齒輪許用接觸應力：

式中：SF為安全系數(shù)。

（3）幾何尺寸計算。查表取標準模數(shù)m=1 mm。根據(jù)機械設(shè)計手冊，對齒輪的主要參數(shù)進行選擇和計算，見表1。

表1 齒輪設(shè)計結(jié)果

2.2 凸輪設(shè)計

凸輪采用擺動尖端推桿盤形凸輪機構(gòu)，即擺動從動件隨機架一起以等角速度繞一點轉(zhuǎn)動，同時又按已知的運動規(guī)律繞其擺動中心擺動，凸輪按推程、回程角均為180°等速規(guī)律運動。理論廓線方程為：

式中：a為中心距；l為擺桿長度；φ為推程角；δ為推程運動角。

實際輪廓線為理論輪廓法線方向的等距線。

凸輪推程的運動方程為：

式中：s為位移；v為速度；h為推程；ω為角速度。

凸輪回程運動方程為：

根據(jù)運動規(guī)律和有關(guān)條件確定凸輪的輪廓曲線，凸輪參數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 凸輪設(shè)計結(jié)果

2.3 齒形帶設(shè)計

齒形帶用于嚙合傳動，帶和帶輪之間沒有相對彈性滑動［3］，它與 V 帶、平帶相比具有以下優(yōu)點：（1）傳動準確；（2）傳動效率高；（3）速比范圍大；（4）傳遞功率范圍大；（5）結(jié)構(gòu)緊湊。

具體設(shè)計如下：

（1）確定同步帶傳動的設(shè)計功率Pd：

根據(jù)設(shè)計手冊，取載荷修正系數(shù)KA=1.7，所以設(shè)計功率為：

Pd=KAPd=1.7×0.003 5=0.005 95 （kW）

（2）確定帶的型號和節(jié)距。根據(jù)同步帶傳動的設(shè)計功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n1，由同步帶選型圖確定采用帶的型號和節(jié)距。由于電動機的轉(zhuǎn)速很低，選用特輕的XL型號即可。查手冊可得XL型號齒形帶的其余參數(shù)：節(jié)距Pb=5.080 mm，基準寬度為9.5 mm。

（3）選擇小帶輪齒數(shù)。同步帶傳動中帶輪的最少許用齒數(shù)與帶輪轉(zhuǎn)速和帶輪齒節(jié)距有關(guān)。這可根據(jù)同步帶的彎曲疲勞壽命來分析。帶輪轉(zhuǎn)速越高，則帶在單位時間內(nèi)繞過帶輪的次數(shù)越多，因此在很低轉(zhuǎn)速條件下工作時，可采用齒數(shù)較少的帶輪。故取小帶輪的齒數(shù)z1=25。選定小帶輪齒數(shù)后，即可確定大帶輪的齒數(shù)z2=i0z1=72。

（4）確定帶輪的節(jié)圓直徑。在同步帶傳動的節(jié)距和帶輪齒數(shù)確定后，就可根據(jù)公式求出小帶輪的直徑和大帶輪的直徑：

（5）確定同步帶的節(jié)線長度 Lp：

3 機構(gòu)實現(xiàn)

本文所設(shè)計的全自動太陽跟蹤裝置，主要由減速機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動電機、跟蹤機構(gòu)、連接機構(gòu)以及安裝支撐架組成，如圖2所示。

其中驅(qū)動電機固定在第一支撐架上，太陽軌跡的跟蹤是由控制機構(gòu)中控制電機的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。固定在第一支撐架上的一級減速的第一減速器、固定在第二支撐架上的二級減速的第二減速器、帶輪和第一齒輪、第二齒輪構(gòu)成減速機構(gòu)，一級減速的小帶輪與固定在第一支撐架上驅(qū)動電機的輸出軸連接，大帶輪與二級減速器的軸連接，其輸出軸的一端與第一凸輪相連接，另一端與三級減速的小齒輪連接，與小齒輪嚙合的大齒輪與四級減速的第一減速器連接，第一減速器固定在驅(qū)動電機下部的第三支撐架上，其輸出軸與第二凸輪連接，第一凸輪與第二齒輪的支臂觸接，并與第四支撐架和第五支撐架支撐的第二連接構(gòu)件上的齒輪嚙合，第二凸輪與第一連接構(gòu)件觸接，第二連接構(gòu)件和第一連接構(gòu)件合成運動由相應的跟蹤機構(gòu)連接來執(zhí)行，從而實現(xiàn)太陽運行軌跡的跟蹤。

▲圖2 太陽跟蹤裝置系統(tǒng)圖

4 結(jié)論

該跟蹤裝置利用凸輪實現(xiàn)太陽的軌跡跟蹤運動，其結(jié)構(gòu)簡單，運動平穩(wěn)，能按要求停止在任意位置上，水平轉(zhuǎn)動范圍為 0～360°， 垂直轉(zhuǎn)動范圍為-15～100°，可根據(jù)不同需求，實現(xiàn)全天候、全自動觀測，真正實現(xiàn)了對太陽的全天候跟蹤，可大大提高太陽能的利用率。在支撐架的下方安裝緯度刻度板，可根據(jù)任何地點的緯度，結(jié)合當?shù)貢r間進行太陽跟蹤。日落后執(zhí)行機構(gòu)可按照與實際跟蹤軌跡相反的方向返回初始位置，避免了機構(gòu)的卡死，而且系統(tǒng)不是連續(xù)單方向運行，而是往復運動，避免控制電纜和儀器信號線的纏繞。

［1］ 呂文華.全自動太陽跟蹤器的研制和應用［J］.光學精密工程，2008，16（12）：2544-2549.

［2］ 盧育發(fā)，李旗號，李倩.雙軸跟蹤裝置對太陽能發(fā)電系統(tǒng)增效的理論研究 ［J］.安徽電子信息學院學報，2009（5）：43-46.

［3］ 倪森壽.機械基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［4］ 詹友剛.Pro/Engineer中文野火版高級應用教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［5］ 中國氣象局.氣象輻射觀測方法［M］.北京：氣象出版社，1996.