摘 要

煤炭石油等不可再生资源的日益枯竭给人类带来了越来越大的威胁，与此同时太阳能作为一种具有储量几乎无限、易获取、无污染、使用经济等优点的新型能源的存在，将极大缓解传统石化能源日益枯竭的严峻现状，但同时太阳能又有着利用效率不高、不连续性、空间分布变化不均的缺点，使得目前的一系列太阳能设备对太阳能的收集利用率处于很低的状态。太阳光线自动跟踪装置对解决太阳能利用率不高的问题有很大帮助。本文对太阳能跟踪系统进行了机械设计部分的设计。

随着社会生产力的日益发展，人类对电的需求日益增加，进而对能源的需求量也迅速增长，因而，用新能源以逐渐减少和替代石化能源的使用，是保护生态、走经济社会可持续发展道路的正确选择.这对于世界各国都是十分迫切的。而太阳能资源丰富、分布广泛、可再生、无污染，是国际社会公认的理想替代能源，所以太阳能的开发利用受到越来越普遍的重视，成为目前各国正在研究的重大课题。

本次设计主要是完成双轴跟踪中的机构设计，其中高度角的跟踪采用齿圈转动，使得太阳能电池板的俯仰运动能省力并且使得整体结构紧凑；方位角采用的是齿轮传动机构，该跟踪机构结构简单，造价低，利用齿轮副传动，能在使用功率较小的电机的同时传递足够大的动力，使用功率较小的电机降低了其能源成本和制造成本。机械结构主要包括主轴、齿轮、底座和齿圈等，当光线与太阳面板不垂直时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1进而带动小齿轮1转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪；在此同时步进电机2带动小齿轮2转动，小齿轮2带动与太阳能面板相连的齿圈实现垂直方向运动，进而使两步进电机协调工作，从而达到实时对太阳进行跟踪的目的。整个跟踪器的结构紧凑，刚度较高。

关键词： 太阳能；跟踪；齿轮传动；步进电机

Abstract

The increasing depletion of coal, oil and other non renewable resources to human beings bring growing threat. At the same time, solar energy as a has reserves of almost infinite, easy access, no pollution, use of the existence of the economic advantages of new energy, will greatly ease the traditional petrochemical energy depletion of the grim situation, but at the same time, the solar and utilization efficiency is not high, discontinuity, the disadvantages of the uneven distribution of space changes, making the series of solar energy equipment of solar energy collection and utilization rate is very low. The sun's rays automatic tracking device to solve the solar energy utilization rate is not high question will be of great help. This paper of solar tracking system Mechanical design part of the design.

With the increasing development of social productivity, increasing human demand for electricity, and the demand for energy is also growing rapidly. Therefore, with the new energy to gradually reduce and replace the use of fossil energy, ecological protection, sustainable economic and social development path to choose the right away. This for all the countries in the world are very urgent. The solar energy is abundant, widely distributed, renewable, non polluting, is internationally recognized as the ideal alternative energy, so solar energy utilization has been more and more widespread attention, become a major topic of different countries are studying the.

Mechanical structure mainly comprises a main shaft, gears, a base and a tooth ring. When the sun's rays from control part sends out a control signal to drive the step motor drives the small gear 1 rotate the pinion drive big gear and spindle rotation, track to achieve the level direction; at the same time 2 motor driven pinion rotate 2, small gear drives the solar panels of the ring gear connected to the vertical motion, and make the two motor coordination, achieve the real-time tracking of the sun.

Keywords： Solar energy Tracking gear drive Stepping motor

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题来源 1

1.2 课题背景 1

1.2.1 能源现状及发展 1

1.2.2 我国太阳能资源 1

1.2.3 当前太阳能的开发和利用现状 1

1.2.4 太阳能的特点 1

1.3 课题研究的目的 2

1.4 课题研究的意义 2

1.4.1 新环保能源 2

1.4.2 提高太阳能的利用率 2

1.5 太阳能利用的国内外发展现状 2

1.6 论文的研究内容 3

1.7 论文结构 3

第2章 太阳能自动跟踪系统总体设计 4

2.1 太阳运行的规律 4

2.2 跟踪器总体设计比较选择 8

2.2.1 立柱转动式跟踪器 8

2.2.2 陀螺仪式跟踪器 9

2.2.3 齿圈转动式跟踪器 10

2.2.4 本课题的机械设计方案 11

2.3 跟踪方案的比较介绍 11

2.3.1 视日运动轨迹跟踪 11

2.3.2 光电跟踪 12

2.3.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 12

第3章 机械设计部分 13

3.1 太阳能自动跟踪系统机械设计方案 13

3.2 第一齿轮转动计算 13

3.2.1 材料选择 13

3.2.2 尺寸计算 13

3.2.3 校核计算 14

3.2.4 齿根弯曲疲劳强度验算 16

3.3 第二齿轮转动计算 17

3.3.1 材料选择 17

3.3.2 尺寸计算 17

3.3.3 校核计算 18

3.3.4 齿根弯曲疲劳强度验算 19

3.4 轴瓦校核计算 21

3.4.1 大轴瓦校核计算 21

3.4.2 小轴瓦校核计算 23

3.5 键联接计算 25

3.5.1 主轴与大齿轮的键联接 25

3.5.2 小轴与齿圈的键联接 25

3.5.3 步进电机1输出轴与小齿轮1的联接 25

3.5.4 步进电机2输出轴与小齿轮2的联接 26

3.6 抗风性分析 26

3.6.1 底座上螺钉校核 26

3.6.2 轴校核 27

3.7 关于整体机械设计的相关说明 28

3.7.1关于底座的说明 28

3.7.2 关于步进电机1与齿轮1的说明 28

3.7.3 关于步进电机2与齿轮2的说明 29

3.7.4关于转动齿圈的情况说明 30

第4章 自动跟踪系统设计 31

4.1 系统总体结构 31

4.2 光电转换器 31

4.3 步进电动机及驱动电路 32

4.3.1 步进电动机介绍 32

4.3.2 步进电机的主要特性参数 33

4.3.3 步进电动机的选择 33

4.3.4系统的流程图 34

第5章 结论 36

5.1 结论 36

5.2 展望 36

参考文献 37

致谢 39

1.1课题来源

毕业设计模拟生产实际课题:大型太阳双轴跟踪器的机械设计。

1.2课题背景

1.2.1能源现状及发展

能源是人类社会赖以生存和发展的基础。从人类的起源开始，能源就一直扮演着非常重要的角色，从未被替代，从最开始的钻木取火，再到蒸汽时代，再到内燃机师带、电气时代，从最开始的木炭再到煤炭、石油和天然气，推动人类历史不断向前发展的正是这些无可替代的能源。就目前的现状而言，传统的化石能源仍然是人类社会所使用的主要能源，这些传统能源的不断消耗维持着人类社会的正常运转。随着这些不可再生能源的使用量日益增多，资源愈加紧张，与此同时所产生的温室气体使得全球的平均气温不断升高，环境不断恶化，很多国家都在积极努力探索能源多样化的途径，开展新能源和可再生能源的研究开发工作[1]。

就可预见时间段内，煤炭、天然气和石油等传统化石燃料仍在世界能源结构金字塔中占有非常大的比重，但人们对于核能、太阳能以及潮汐能等新型可持续能源的开发利用越来越重视，从而使得新能源在整个能源结构中的重要性逐年提高。据相关数据统计[2]，到20世纪90年代，石油和煤炭的全球发电量每年增长l%，与此同时太阳能发电量每年增长可达20%，风力发电的年增长率更是高达26%。通过对以上数据进行分析对比，可知新能源的年均增长量要远高于传统的石化能源，更从数据上反映出新能源的开发利用成为了未来社会能源发展的主要趋势。

1.2.2我国太阳能资源

我国拥有着960万平方公里的领土，面积非常广阔，所以可利用的潜在太阳能资源十分丰富。据估算[3]，我国领土范围内每年可以接收的太阳辐射总能量约可达到50×10¹⁸KJ，全国范围内的太阳全年总辐射量能够达到335～837KJ/cm²·A。在全国范围内，我国的太阳能资源分布很大，但各个地区的分布又很不均匀，举例而言，被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，太阳总辐射为816KJ/cm²·A，远高于全国同纬度地区的其他省市和自治区。

1.2.3当前太阳能的开发和利用现状

就目前技术而言，人类在太阳能领域可以直接利用的主要有三种方式[4]，即光热转换、光电转换以及光化学转换，除此之外，还包括了储能技术。
太阳能技术目前正应用于各个方面，主要通过两种途径，一是利用其太阳热能，归结于热量的转移，如太阳灶、海水淡化装置等等二是利用太阳能的转化，由太阳能转化为化学能进而转化为电能，例如太阳能电池、智能太阳能屋顶、太阳能汽车等等。

1.2.4太阳能的特点

作为新能源的一种，与其他的不可再生传统化石能源相比太阳能有三大优点[5]：