基于凸輪的全自動太陽跟蹤裝置的設計*

□ 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，太陽跟蹤裝置能夠實時跟蹤太陽位置，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、野外維護保養復雜等問題。

本文根據地球自轉與公轉的原理，設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，可結合任何地點的緯度和時間進行太陽跟蹤，日落后執行機構按照與實際跟蹤軌跡相反的方向返回初始位置，避免了機構的卡死和儀器信號線的纏繞。該裝置經濟實用、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，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［2］，自轉軸與公轉軌道面夾角為23.439 281°（即黃赤交角，此處為公元2000年數據）。可見，地球上同一地點在不同時刻、不同季節，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所示的機構實現。

2 機構設計

▲圖1 太陽跟蹤裝置原理機構圖

太陽跟蹤裝置中的機構有齒輪、凸輪、齒形帶等。

2.1 齒輪設計

（1）選擇齒輪材料及精度等級。

小齒輪選用45鋼調質，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。

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

表1 齒輪設計結果

2.2 凸輪設計

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

根據運動規律和有關條件確定凸輪的輪廓曲線，凸輪參數計算結果見表2。

表2 凸輪設計結果

2.3 齒形帶設計

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）結構緊湊。

具體設計如下：

（1）確定同步帶傳動的設計功率Pd：

根據設計手冊，取載荷修正系數KA=1.7，所以設計功率為：

Pd=KAPd=1.7×0.003 5=0.005 95 （kW）

（2）確定帶的型號和節距。根據同步帶傳動的設計功率Pd和小帶輪轉速n1，由同步帶選型圖確定采用帶的型號和節距。由于電動機的轉速很低，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：節距Pb=5.080 mm，基準寬度為9.5 mm。

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

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

（5）確定同步帶的節線長度 Lp：

3 機構實現

本文所設計的全自動太陽跟蹤裝置，主要由減速機構、執行機構、驅動電機、跟蹤機構、連接機構以及安裝支撐架組成，如圖2所示。

其中驅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中控制電機的轉動來實現的。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、第二齒輪構成減速機構，一級減速的小帶輪與固定在第一支撐架上驅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件上的齒輪嚙合，第二凸輪與第一連接構件觸接，第二連接構件和第一連接構件合成運動由相應的跟蹤機構連接來執行，從而實現太陽運行軌跡的跟蹤。

▲圖2 太陽跟蹤裝置系統圖

4 結論

該跟蹤裝置利用凸輪實現太陽的軌跡跟蹤運動，其結構簡單，運動平穩，能按要求停止在任意位置上，水平轉動范圍為 0～360°， 垂直轉動范圍為-15～100°，可根據不同需求，實現全天候、全自動觀測，真正實現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，可根據任何地點的緯度，結合當地時間進行太陽跟蹤。日落后執行機構可按照與實際跟蹤軌跡相反的方向返回初始位置，避免了機構的卡死，而且系統不是連續單方向運行，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，李旗號，李倩.雙軸跟蹤裝置對太陽能發電系統增效的理論研究 ［J］.安徽電子信息學院學報，2009（5）：43-46.

［3］ 倪森壽.機械基礎［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.