太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计

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。

太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计[1

92

　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

-52

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

单块太阳能电池板宽度h1=810mm,太阳能电池板托架总宽度h=3×h1,取h=2.5m;单块太阳能电池长度l1=1580mm,太阳能电池板托架总长度L=2×l1,取L=3.2m。结构充实率c=1.0,太阳能电池板托架轮廓面积A1=hL,则太阳能电池板托架迎风面积A=c×A1。太阳能电池板及托架总质量m=240kg,太阳能电池板及托架相对于竖直轴的转动惯量Jt=

2

330kg m。

太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计[1

　2010年第4期　　　　　　　　　　张善文,等:太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计

93

量折算到电动机轴上,其中,蜗轮减速器传动效率为0.3363,轴承和齿轮传动效率为0.98,总传动效率 =0.3363×0.98≈0.3296,则等效负载转动惯量JL为:

z3z4t

JL=+。

i2× i×

代入已知数据计算,得JL=2.78×10-5kg m2。

-52电动机的转动惯量为JM=1.0×10kg m,则:3<M-5[10]

=,所以惯量匹配比较=0.3597<1JL2.78×10合理。

2.3.3　载荷计算

跟踪装置主要受风载荷、摩擦力、加减速时的惯性力及自身重力等作用。

(1)风载荷计算:根据风垂直作用在太阳能电池板及其托架上计算其风载荷。取风力系数C=1.3,风

2

压高度变化系数Kh=1,风压q=1064.4N/m,则风载荷F=C×Kh×q×A=11069.76N。其风扭矩Mf=16=2213.952N m。

(2)摩擦力矩计算:太阳能电池板及其托架所受风载荷F=11069.76N,轴承摩擦系数!=0.05,轴承内径(以直径最大的轴承作为参考对象)d=100×-310m,竖直轴上轴承摩擦力矩MF=≈227.67N m,取MF=28N m。

(3)角加速度的计算:本文设定每次驱动的初始角速度为 0=0,运行角速度为 ,为保证平均角速度

o- =0.2/s,设置每次运动时间为5s,其中,加速时间

t1=2s,匀速运动时间t2=1s,减速到停止时间t3=2s,每次驱动的实际转角#=1。由公式#=0.5×#×t+t1×#×t2+0.5×#×t,得竖直轴角加速度#为:

¨

。=#×

t1×t2+0.5×t1+0.5×t3180代入已知数据计算,得#=0.00291rad/s2。2.3.4　无刷直流电动机负载能力校验

无刷直流电动机轴上的总惯量J=JM+JL=1.0×10-5+2.78×10-5=3.78×10-5kg m2。启动

¨

¨

21

¨

¨

23

¨

o

¨

0.0142+1.1195=1.13436N m。电机额定转矩为

T=9550×n=9550×500=1.146N m>Tamax,所以电机能正常工作。2.3.5　能耗计算

跟踪装置按每天工作12h计算,电机功率为60W。记方位角和高度角平均每天调整次数为120次,每次调整所耗时间为5s,日平均跟踪能耗约为0.83W,跟踪能耗小于1W。

各机械系统参数校验计算结果表明,太阳光线双轴跟踪装置可以满足各项设计要求,跟踪装置结构模型如图5所示。

图5　跟踪装置结构模型

3　结束语

本文根据跟踪装置的工作原理,进行了太阳光线智能控制跟踪装置的性能分析及参数计算,设计了太阳光线双轴跟踪系统的结构,对系统关键部件进行了计算和选型。所设计的跟踪装置考虑了经济性及适用性,提高了性价比,便于太阳能跟踪装置的推广应用。

参考文献:

[1]　徐东亮,任超.太阳自动跟踪装置控制系统的研究[J].机

械工程与自动化,2008(2):148-150.

[2]　王志辉,史红霞,任超.太阳自动跟踪装置计算机控制系

统[J].机械制造,2008,46(11):20-22.

[3]　孙茵茵.自适应复精度太阳跟踪平台[D].武汉:华中科技

大学,2005:39-50.[4]　李建英,吕文华,贺晓雷,等.一种智能型全自动太阳跟踪

装置的机械设计[J].太阳能学报,2003,24(4):330-333.[5]　万里瑞.太阳能电池自动跟踪系统的设计[J].机械工程

与自动化,2008(3):161-163.

[6]　成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,

2008.

[7]　刘树民,宏伟.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].

北京:科学出版社,2007.[8]　赵汝嘉.机械结构有限元分析[M].西安:西安交通大学

出版社,1990.

[9]　王建江,胡仁喜,刘英林,等.ANSYS11.0结构与热力学

有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2008.

[10]　曾励.机电一体化系统设计[M].北京:高等教育出版

社,2004.

时,电机轴上的惯性转矩TD=J×#×i=3.78×-5

10×0.00291×6000=0.00066N m。电机轴上

F等效摩擦转矩Tf=i× =6000×0.3296=0.0142N m。有风时,太阳能电池板产生的反扭矩

Mf折算到电机轴上为TL===

i× 6000×0.3296

1.1195N m。无风工作时,电动机轴上的总负载转矩为Tamin=TD+Tf=0.00066+0.0142=0.

01486N m;在最大风载荷下工作时,电动机轴上的a()

太阳光线双轴跟踪装置的机械系统设计[1

96

　机械工程与自动化　　　　　　　　　　　　　　　2010年第4期　

得车辆在行进换档过程中平稳无冲击,有良好的舒适性。C1和C2锁定阀由SS1控制,其作用不但配合换档阀控制以实现不同档位,而且还起失电保护的作用。

电磁阀

类型常开常开常闭

控制对象C1C2C3或C5

名称PCS1PCS2PCS3PCS4TCCSS1C1锁定阀

倒档ONOFFON-C5OFFOFFOFFUPUPON根据计算空档

空档ONONON-C5OFFOFFOFFUPUPOFF根据计算空档

1档OFFONON-C5OFFOFFONUPDNOFF根据计算3档

也就是说当电磁阀均断电时,两个常开压力控制阀控制出来的油液经C1和C2锁定阀当时锁定的油路通道控制某两个离合器的工作而仍能让车辆继续行驶。

档位2档OFFONOFFONONONDNDNON根据计算4档

3档OFFONON-C3OFFONONDNDNON4档

4档OFFOFFOFFOFFONONDNDNON4档

5档ONOFFON-C3OFFONONDNDNON4档

6档ONOFFOFFONONOFFUPDNOFF5档

表2　电磁阀动作表

常闭C4常闭CL常闭锁定阀阀芯

常闭

C2锁定阀诊断阀MAINMOD

失电后所处档位

针对失电保护,以6档为例来讲述,其他档位的失电保护读者可自行推断。当车辆以自动档6档高速正常行驶时,常开比例电磁阀PCS1、常闭比例电磁阀阀PCS4、常闭开关电磁阀TCC通电,使得PCS2和PCS4所控制的换档阀工作;此时SS1关闭,作用在C1和C2锁定阀阀芯上部液压油泄压,C1锁定阀在弹簧力的作用下向上移动,而C2锁定阀阀芯由于存在面积差,由PCS2所控制的换档阀出口油压作用在C2阀芯上而使其保持在下部,根据油路走向C2和C4离合器工作实现6档。当所有电磁阀失电时,PCS4所控制的C4离合器退出工作,C2离合器仍然工作,常通比例电磁阀PCS1因失电使其控制的换档阀工作,此时C1锁定阀仍处在上部,C2锁定阀仍处在下部,由

PCS1控制的换档阀出来的油液经过C1和C2锁定阀后作用至C3离合器,C2和C3离合器工作实现5档,TCC也断电,那么此时的5档为由液力变扭器参与工作的5档,车辆仍能继续行驶。3　结论

本文论述了Allison6速自动变速箱液压控制系统的工作原理和控制规律,并且分析了其失电保护,为以后的研究工作打下了坚实的基础。

参考文献:

[1]　丁华荣.车辆自动换档[M].北京:北京理工大学出版社,

1992.[2]　余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2000.

StudyonHydraulicControlSystemofAllisonAutomaticTransmission

WANGWei-jian,ZHENGYing-ying

(ShaanxiFastGearCo.,Ltd.,Xi'an710077,China)

Abstract:Inthispaper,theoperatingprincipleandcontrollingruleofhydrauliccontrolsystemofAllison3000families6-speed

automatictransmissionisintroduced,andtheoperatingstateofhydrauliccontrolsysteminelectricalfailureisanalysed.Keywords:automatictransmission;hydrauliccontrolsystem;study

(上接第93页)

DesignoftheMechanicalSystemoftheSun

RayTwo-axisTrackingDevice

ZHANGShan-wen,ZHANGJian-feng,CHENSi-dong

(CollegeofMechanicalEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225127,China)

Abstract:Inthispaper,basedonastronomicalparameters,theclosed-loopcontrolsystemisusedforthesunraytracingproblem.

Detectionsensorusessolarcellsasthelight-sensitivedevicewhichadjuststheverticaldeviationbetweenthesunrayandthesolarpanel.Basedontheperformanceanalysisandmechanicalsystemparameterscalculationofthesunraytwo-axistrackingdevice,the

structureofthesunraytwo-axistrackingsystemisdesignedandthekeycomponentsofthesystemarecalculatedandselected.Keyt;;

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8xhm.html