摘 要

本设计旨在于设计一个小型的双轴太阳能追踪装置，机构在高度角和方向角上追踪太阳使光伏电池板上的太阳光入射角为0度以达到能源的最高利用率。机构通过电机驱动，传动方式为齿轮传动和蜗杆传动，在每经过一段时间后进行快速调整对太阳进行追踪。

关键词：双轴；太阳追踪；高度角；方位角

Abstract

The purpose of this design is to design a small two-axis solar tracking device. The mechanism tracks the sun at the altitude and direction angles so that the incidence angle of sunlight on the photovoltaic panels is 0 degrees to achieve the maximum energy utilization. The mechanism is driven by an electric motor and driven by gears and worms. After a period of time, the mechanism can adjust quickly to track the sun.

Keywords：Biaxial；Solar Tracking；Elevation angle；Azimuth

目录

第一章 绪论5

1.1太阳能的利用价值与前景5

1.2太阳能追踪的历史发展5

1.3 双轴跟踪系统原理····················································6

第二章 装置总体设计8

2.1设计要求8

2.2 双轴跟踪方案···························· 8

2.3跟踪装置的机械布局9

第三章 配件选型····························································11

3.1光伏电池板选型······················································11

3.2驱动电机选型························································11

第四章 传动比分配与计算···················································12

4.1齿轮传动比分配与计算···············································12

4.2蜗轮蜗杆减速箱传动比和计算·········································13

第五章 相关计算···························································14

5.1 电机参数校核······················································14

5.2 电机载荷校核······················································14

5.3 驱动校核结论······················································14

第六章 其他零配件选取·····················································15

6.1 轴承选取··························································15

6.2 联轴器选取························································16

第七章 安装要求及工作方式·················································18

7.1 安装要求··························································18

7.2 工作方式··························································18

第八章 结论及感言·························································19

第九章 致谢·······························································20

第十章 参考文献···························································21

绪论

太阳能的利用是当今能源发展的一个热点话题。

1．1太阳能的利用价值与前景

太阳能是一种清洁、可再生且永不枯竭的理想能源。在当今化石燃料等不可再生能源逐渐流失的状况下，太阳能和风能、水能等可再生能源是能源利用中的重要角色。跟一般意义上是能源相比，太阳能的特点为：首先，作为一种洁净的能源，太阳能既没有公害，也不会导致环境污染的发生。在没有“三废”和噪音的情况下，处于开发利用之中的它，不可能对生态平衡有任何影响。其次，在交通运输方面，这种可以就地开发利用的能源因为地球上到处都有而没有这方面的问题。这对于诸如海岛和偏僻的农村以及边远地区特别适合。第三，作为我们人类能够利用的最为丰富的能源，从某种意义上所，是用之不竭而取之不尽的。目前，这样的能力仅仅消耗了自身的五十分之一不到。它还能够供给人类使用达到几十亿年。当今世界上各个国家都在积极发展太阳能的利用技术，在此情况下，太阳能具有相当可观的发展前景。

1.2太阳能追踪的历史发展

太阳能是一种洁净、丰富且可再生的理想能源，在当前能源需求巨大的情况下，利用太阳能解决能源问题就成了明智的选择，而利用太阳能最普遍的方式就是太阳能电池板发电。当前大多的太阳能电池板都是固定角度固顶平面布置的，在这种情况下虽然装置的布置变得简单成本也较低廉，但是收集太阳能的效率很低。在此情境下，使电池板可以时刻保持较大效率收集太阳能成为一个值得研究的课题，而提出的解决方案便是由电机带动电池板活动实现对太阳的追踪功能。目前，国内工业的高速发展使得不可再生能源产生的污染不断增重，在可持续发展的要求下，国家大力支持太阳能发电技术，2018年太阳能发电1.7亿千瓦，已占总发电量的9.2%，创历史新高，但在太阳能发电技术上，我国起步较晚，相较于最早起步的美国落后不少，美国这一类太阳能发电起步较早的国家在独有技术如斯坦福大学的扩散点接触工艺上具有优势，规模上也不输于我国。

双轴太阳能追踪系统简称ST。第一个ST是1962年由Finster[55]提出的。那个系统据说是机械式的，性能相较于固定系统几乎没有提高。一年后，Saavedra[56]提交了一份改进版本ST，它具有自动电子控制单元和用于测量太阳直接辐射量的日光计。1975年，McFee[54]提出了另一种不同类型的ST，它能够通过算法计算接收到的总太阳能功率和中心太阳能系统的磁通密度分布[54，57]，该系统以一组反射镜追踪太阳位置为特色，它是通过总结所有特有的数据来计算各单位的，其跟踪误差容忍度估计在0.5°~1°之间。几年后，Semma和Imamura[53]用微处理器使系统可以自适应调节太阳能集热器的位置。此后，其他几位研究人员也纷纷跟进，建立数学模型改进当时存在的问题，同时设计相应算法[58-61]，从此ST的准确性显著提高。自1985年以来，也就是在在巴德斯库的作品[62]之后，ST就引起了人们的注意。建设性地展示了天文太阳辐射浓度的跟踪参数和对于光伏系统的影响。

ST的商业化始于1980年初。两个叫多里安和纳尔逊的人[63]设计了一种自动太阳能电池。此电池配备了能够引导太阳能集热器的跟踪装置，可以整天对着太阳。这个系统的特点是，具有检测收集器偏离方向的控制机制，并能在太阳位置变化的同时采取相应的调整行为，通过东西限位开关的轨迹和安全高度，使温度截止机制对集热器产生指导作用。当太阳温度超过预设温度时装置会远离太阳。虽然该系统具有许多实际应用，但在某些方面，它的效率有限，仍然需要升级到更高的标准。1983年，马尔多纳多[56]同样提出了一种太阳能收集装置，它采用伺服控制的跟踪算法，日光计朝向太阳并通过一个计算程序计算太阳的位置。后来由Rustemli等人进行的研究[64]提出了新一代的ST微处理器和电光控制器。

虽然上述所有系统都使用不同的跟踪算法和控制策略，但他们都证实了太阳跟踪器的效率不过是太阳直接辐射的接收数量和使用的技术两者的直接体现。2015年，Lazaroiu等人就生产光伏组件[21，23，65-68重申上述评论，并进一步补充说，PV/CSP技术与系统控制策略应是一致的，无论环境条件如何，它们都是最优的。其他几个问题上研究人员和工程师提出了有希望的解决方案。以上所述突出了围绕“利用程度不充分”这一最有争议的问题，而跟踪算法[69]几乎涵盖了遗留下来的所有问题。在早期的研究中，优化[60，70]成本效益[67]、能源[41]和材料[35]以及长期节约是最主要的问题。[30]举几例如Seme[33]和Al-Mohamad等人[31]同样证实上述意见并进一步补充说，ST可能是成本效益和效率更高的，如果他们的对材料进行了优化，并对PV/CSP的传感表面进行了优化使其最佳地朝向太阳。表1突出显示了ST科技发展史上的重要日期以及在太阳跟踪技术的早期阶段取得的重要进展。

1.3双轴跟踪系统原理

太阳能身为可再生能源带来了令人难以置信的希望,因为它满足世界上已经很高且不断增长的能源需求。把太阳能转换成电能的方法是使用平板光伏电池和聚光式太阳能发电(CSP)系统将其作为电能输出。这些装置产生的功率取决于太阳能的数量。他们收集能量。近几年来，太阳能收集系统上新的技术得到了广泛的应用。ST是为了增加太阳能的集散量而开发的使用直接和间接技术收集太阳能的系统。收集太阳能的其中一些技术包括但不限于通过ST优化倾斜角度，这些技术使他们能够收集大部分的可利用的太阳辐射。但是，这些技术仍然具有相当数量的限制，如果优化和精确控制精度的话，只有ST可以克服这些限制。理想的ST包括光伏面板和CSP系统，他们应当可以哦精确地指向太阳的位置并补偿误差。能够追踪太阳在方位角、高度角上的变化和季节纬度偏移量。

要追踪太阳缓慢的运动需要一个稳定的、非振荡的控制系统。这意味着控制系统要能与这种缓慢的运动相匹配。就ST而言，我们设计的主要重点应放在跟踪轴的配置上，并对其进行优化。我们认为移动夹具和控制系统的正确配置能够提高效率。这些装置中的每一部分都会呈现某些特点、优点和缺点。可以很容易地进行操作以增加追踪器收集的能量。目前，太阳跟踪器根据它们的运动情况分为两大类：单轴跟踪器。(绕一轴旋转)和双轴跟踪器(旋转。围绕两个轴)。然而，有些其他研究强调指出了一些结构复杂得多的其他类型的跟踪器，虽然这些不像单轴和双轴那样受欢迎。

此外，在太阳能电池板生产和CSP系统上最近取得了一些最新进展。先进的计算机技术以及可靠的控制系统为我们带来了更多的研究机会。这些研究的目的旨在优化ST.。目前，这些ST装置的效率正在显著提高，无论晴天还是阴天，他们都变得更环保和经济且可靠，这都多亏了这些技术的进步。更笼统地说，与同等条件的装置相比，ST提供的能量增益在0-100%之间。朝向太阳的最佳固定光伏系统大小。视季节、时间和地点而定。研究表明在不同的太阳运动上需要大量的优化工作，改变跟踪算法以提高其效率并获得一个更优化的系统。

在大多数情况下，单轴ST很容易增加它们获得的能量。与固定式平板光伏系统相比，ST的生产效率为12-20%。有趣的是，如果跟踪器得到更好的优化，它们可以实现高达30%的能源增长。此外，尽管仍有许多人质疑单轴跟踪器的性能，Huang和Sun也证明了它们能获得巨大的能量增益，通过整合特殊设计和控制系统使他们它们的能量收集率高达56%以上。在使用双轴追踪器的情况下，每年的能量增量为20.4%。一项类似的研究表明[38]能量增益被收集起来的最佳斜板每年收集率为43.9%。同时，Şenpinar和cebeci[39]可以获得13.25%的能量增益，比等大小的固定光伏系统要高。A的性能和经济效益与环境条件。双轴ST.。其他一些研究人员成功地将单轴和双轴跟踪器的性能报道出来。与单轴跟踪器相比，双轴跟踪器的能量增益为3-5%。上述说明表明ST是多才多艺的，因此，可以使用多种设计和控制方法来实现其想要达到的最终目标，即让光伏电池板最大限度地利用太阳能以收集能量。

文献表明，双轴跟踪器系统规模越大，则效率越高，成本效益也越高。已发表的其他研究报告称，双轴跟踪器不太容易受到环境条件的影响。虽然有些人可能认为ST最终会消失但研究表明，其复杂性和运营成本适中且目前被广泛使用。ST这项技术实际上是在世界范围内使用的，而且目前更多的研究是在正在寻求解决ST系统的问题和限制的方法。除这些以外，与其有关的技术和成本效益也在研究范围内。与作者上述意见一致的黄等人重申：毫无疑问，双轴追踪器能产生更多的电能，比单轴追踪器更有效。然而，他们进一步争辩说，只有当多出电能的大小可以补偿设备费用、能源消耗时才能证明它们的实施是合理的。除此之外还有移动部件以及维护和运行费用。因此，许多研究表明应优先解决如何设计优化系统的问题。这其中大多数都提到了制约因素的研究、系统缺点的改良和系统关键部分的优化。

为了最大限度地降低这些系统的成本并实现最佳效率。关于太阳能收集效率的一些意见和建议都被记录在了文献中。关于技术问题，Huang和Sun建议光伏组件应该串联或并联在同一跟踪器上，且使用的设备应该定制，以节省资金。亚历山德鲁和TATU推荐使用PV串控制技术最大限度地降低成本，减少20%以上的运行能耗。他们的技术和想法使人联想到每日新闻的同步传播。在一台机器和一台马达上通过多个平行四边形移动到字符串的所有模块。出于经济原因，达科和Babeli同样建议使用更大的光伏系统。相同的跟踪单元可以处理更大也可以处理更小的系统。此外，温度也是影响光伏系统的性能的参数之一。如果要在沙漠或其他高温地区安装这些系统，应优先考虑热量。有一些文献指出了温度与系统性能之间的关系。这可以提供给我们更多关于如何通过材料选择来补偿温度变化的线索。由于热量降低了晶体硅板的效率，导致每升温一次，系统的效率下降0.5%。然而，薄膜面板的效率损失相对较小，估计的约为晶体硅板的一半。

如上是对ST系统的工作原理以及文献中介绍的在过去的二十年里主要ST类型的优点进行了系统的评述。基本上通过比较各种方案来确定具有更高效率、更高跟踪精度、易于安装和成本效益更优秀的跟踪器类型。通过学习研究.我们发现了具有更强太阳能收集能力的追踪器的发展趋势。文献是被作为一种广泛的信息来源而进行研究验证的，同时辅之以对现实状况下的这些装置的原理、设计材料和控制系统系统性的考察。此外，我们认为该系统设计目前面临的挑战和可能要面临的挑战是不在少数的，之后的设计会考虑到各个部件的优化方式。虽然有些部分的优化只是这项技术的早期发现，并不成熟，但这是第一次尝试向更多的人展示ST的当今的成就。总而言之，本设计提出并讨论了在当今课题的条件下现有的ST的面临的挑战和可行的设计方法。相信本设计所展现的信息将可以进一步指导其他人研究、开发和改良更便宜和更多的柔性ST，提升它们在使用上的灵活性，以及成本效益等等。

装置总体设计

2.1设计要求

1、设计 大型太阳双轴跟踪器的设计

2、运动方式.两轴运动

3、工作地点：武汉（北纬30.5°)

4、功率：200W

5、跟踪方式：每隔一段时间进行快速调整

2.2双轴跟踪方案

本次设计课题是双轴太阳能跟踪机械设计，双轴跟踪，顾名思义，是指具备两个方向的旋转轴。 这样电池板可以在太阳的方位角，以及高度角上同时跟踪太阳。从而达到电池板保持垂直于太阳光线。就太阳方面而言，无论是高度角还是方位角，在沿着两个旋转轴运动的情况下，双轴跟踪光伏阵列都能够予以跟踪。就理论方面而言，在将入射角为零予以实现的情况下，是能够对太阳运动轨迹做到完全跟踪的。在此情况下，几乎可以实现太阳能手机效率的最大化，是提高太阳能收集效率的一种较好的方式。除双轴跟踪外使用广泛的还有三种太阳光伏自动跟踪系统，包括水平单轴跟踪和行星轴单轴跟踪。就双轴跟踪而言，跟这两者间的区别是，前者的旋转自由度为两个，而后者则只有一个：其一为倾斜单轴跟踪；其二为水平单轴跟踪。
在跟踪控制策略方面，上述三种跟踪系统都运用了主动式的。也就是说，将太阳的方位通过计算得出来并以此为依据对光伏阵列操向进行控制。无论是多沙尘的环境，还是多霜雪的天气，这样的主动式的光伏方面的自动跟踪系统，是有着较强适应能力的。在没有人值守的光伏电站，它也是可以实施可靠工作的。这样的刚发工资系统还采取的步进跟踪的方式，从而将跟踪系统自身的能耗予以降低了。

以一个简图的方式呈现双轴跟踪器的跟踪原理：

图2.1太阳方位示意图

β即太阳方位角，α即太阳高度角

方位角在一天内变化，高度角在季节交替中产生周期性变化。

如前所述，太阳跟踪器在白天监测太阳的相对位置，产生的电量是直接测量搜集到的系统感测表面的太阳辐射量。系统的太阳辐射数据和能量输入通常以全球辐射的形式给出，并分三个步骤来计算。现场数据用于确定每月全球瞬时太阳辐射的扩散（HDP）和光束成分。然后，将上述结果与外星日太阳辐射一起计算精度指数。最后，利用每个分量的适当角度依赖性来确定倾斜表面上太阳辐射的漫射部分和光束部分。如果考虑到周围地区的反射率，反照率也可以很容易地计算出来。然后，通过对这三个分量的总结，得到倾斜面收集的当日总太阳辐射。

光伏电池板收集太阳辐射最大量的唯一途径，就是不断调整参数，使其随时垂直面对太阳，这是光伏电池板产生电能的直接测量手段。然而，如果光伏系统一整天都是静止的，这是不可能实现的，因此，唯一的方法是利用ST系统。此外，在处理光伏电池时所使用的技术也有助于提高其整体效率，并应同样加以优化。大多数研究人员也提出，在夏季和冬季，方位角值通常是越来越高、更低的，这也是在上午和下午的时间内观察到的。因此，如果更高的精度被认为是重要的话，时间的变化将被补偿。

根据文献，在电池板正对太阳入射光线的时候拥有最高的收集效率，我们需要使装置在每个时刻能够保持对太阳方向的追踪使得其能随时调整自身朝向来获得最大效率。根据双轴跟踪器械的设计原理，使装置具有竖直调整能力与水平调整能力来响应太阳高度角和太阳方位角的变化。