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[摘要] 本文旨在设计制作一种双轴光伏自动跟踪机械执行装置。该执行装置能够实现水平方向270°、俯仰180°旋转，并具有自锁和限位功能，可使太阳能电池板对太阳的自动跟踪。设计中充分考虑传动精度、抗风性能以及传动效率等因素。
[关键词] 太阳能自动跟踪 双轴 机械执行装置
引言
近年来能源短缺问题成为世界各国必须面临的世界性难题，开发新的能源是目前的一个热点，太阳能的开发和使用是一个正在发展的重要方向。包括太阳能热水器、太阳灶、太阳能电池发电等。目前，太阳能电池的成本相对较高而转化成电能的效率又太低，限制了太阳能发电的使用。目前的大部分太阳能收集装置是静止的，而太阳是有规律的运动的，无法保证太阳能电池始终正对太阳，这在一定程度上影响了太阳能的采集效率。有研究者做过试验，采用太阳能跟踪装置可提高太阳能的采集效率约30%。
目前我国太阳能自动跟踪系统的研究集中在控制部分，忽略了机械传动装置的传动效率、精度等对系统性能的影响，从而造成执行部件消耗功率过大，甚至于跟踪精度达不到设计要求。
1.总体设计
1.1传动方案
目前，太阳能自动跟踪系统的机械执行装置的传动方式很多，主要有蜗轮蜗杆、链传动、齿轮传动、齿轮齿条传动等。研究表明，这些传动机构具有各自特点，如链传动空间不够紧凑，链条的铰链磨损使节距变大造成脱节，安装和维护要求较高，传动效率较低,容易出现误差积累；齿轮传动能保证瞬时传动比恒定、平稳性高、传递运动准确可靠、传递的功率和速度范围较大、结构紧凑、可实现较大的传动比、传动效率高、使用寿命长、制造和安装要求较低；涡轮蜗杆具有自锁功能、传动比大、传动平稳、结构紧凑。
图1 阳能自动跟踪系统机械执行装置结构原理图
1-箱体；2-弹性挡圈；3-电池板支架；4-销；5-法兰；6连接板；7，15-大齿轮；8-螺栓；9-底座；10，12-小齿轮； 11-涡轮蜗杆减速器；13-轴；14-涡轮蜗杆减速器； 16，18-电机；17-垫块
本装置采用两级传动，一级传动实用齿轮传动，二级传动才用涡轮蜗杆传动。初步确定齿轮的传动比为2，取涡轮蜗杆的传动比为47。结构原理如图1所示。
（1）东西方向跟踪
电机18固定在与涡轮蜗杆减速器11固联的连板上，其输出轴与一个直齿轮同轴安装。蜗杆11与直齿轮7同轴安装，其末端安装于轴承，轴承安装在箱体1的轴承座9上。这对直齿轮良好的啮合。涡轮蜗杆减速器11与箱体1固联，涡轮的同心输出轴垂直安装与轴承过盈配合，轴承与底座9固联。电机18转动，通过外啮合直齿轮带动涡轮11输出轴转动，因涡轮蜗杆减速器11与箱体1固联，故带动箱体1相对于底座9水平转动，完成东西方向跟踪。
（2）南北方向跟踪
电机16固定在与涡轮蜗杆减速器14固联的连板上，其输出轴与一个直齿轮15同轴安装，涡轮蜗杆减速器14与涡轮蜗杆减速器11通过垫块17固联。蜗杆14与直齿轮15同轴安装，涡轮14与输出轴同心安装，输出轴通过安装在箱体1上的两个轴承支撑，可以相对于箱体转动。输出轴两端通过法兰5与连接板6固联，连接板6与电池板支架3固联。电机16转动，通过外啮合直齿轮带动涡轮14输出轴转动，因涡轮14输出轴与太阳能电池板支架3固联，故带动电池板相对于箱体1做垂直方向的转动，完成南北方向跟踪。
1.2 电机选择
直流减速电机外形尺寸小、制造成本低，传动质量高。它在不增大整体尺寸前提下，可以在很大的变速比范围内使输出转速大大降低。减速电机可以快速启动和制动，也可以动态切换反转，但比普通电动机转动惯量要小得多。
按照200W设计容量，设计承重120Kg，水平方向扭矩260N.m，整体垂直方向扭矩：500N.m，抗风30m/s，工作时间2年（10小时/天），电机选择为转速为60r/min、功率8W的直流减速电机。
2.传动机构设计
2.1 齿轮传动设计
（1）材料选择
小齿轮选用45钢调制处理，齿面平均硬度220HBS；大齿轮选用45钢正火，齿面平均硬度180HBS。
（2）结构尺寸
齿轮模数取2，根据实际情况所得本装置使用闭式齿轮传动常取齿数为≥20-40，故本装置取小齿轮齿数为20，大齿轮齿数为40。由公式所得小齿轮分度圆直径为40mm，大齿轮分度圆直径为80mm.。
中心距：
查表所得=1
，
，
由于大齿轮需固定在涡轮蜗杆减速器的输入轴上，小齿轮需固定在电机的输出轴上，齿轮与涡轮蜗杆输出轴之间有链接板连接，内部空间有限，故齿厚根据实际情况不能做的太厚，所以大齿轮的齿厚为6mm；小齿轮齿厚取8mm。大齿轮的内孔要与涡轮蜗杆输入轴的外径相配合，因此大齿轮内孔取9mm。小齿轮要与电机的输出轴相配合，故小齿轮内孔取6mm。齿轮采用螺母定位，由于齿轮上螺纹孔的直径大小要小于等于涡轮蜗杆输入轴和电机输出轴上的键槽宽度，所以齿轮上的螺纹孔取4mm。
2.2 涡轮蜗杆传动设计
根据实际要求取涡轮蜗杆的传动比为47。涡轮蜗杆的输入轴要与齿轮连接，同轴安装。涡轮蜗杆的内孔于轴配合，故其尺寸取20mm.
3.应用前景
在太阳能光伏发电日益发展的今天，迫切需要一种跟踪执行精度高、传动效率高、结构紧凑的双轴光伏自动跟踪机械执行装置。本装置可广泛应用在无电缺电地区户用供电（如家庭太阳能发电、太阳能热水器）、城市照明（如太阳能路灯）、现代农业（如光伏水泵）等自动跟踪系统，具有良好的社会效益以及市场应用前景。
参考文献：
[1]杨黎明，杨志清.机械设计简明手册[M].北京:国防大学出版社，2008.
[2]徐文灿，袁俊等．太阳能自动跟踪系统的探索与实验[J].物理实验，2003，23(9)：45-48.
[3]张顺心，宋开峰，范顺成等．基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究[J]．河北工业大学学报，2003，32(6)：44-47.
课题项目：
2011年浙江省大学生科技创新活动计划立项项目，项目编号：2011R454006
作者简介：
张忠远：（1977.10—），男，汉族，安徽省定远县人，工学硕士，副教授，温州职业技术学院机械工程系教师，研究方向：电液控制。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
[关键词] 太阳能自动跟踪 双轴 机械执行装置
引言
近年来能源短缺问题成为世界各国必须面临的世界性难题，开发新的能源是目前的一个热点，太阳能的开发和使用是一个正在发展的重要方向。包括太阳能热水器、太阳灶、太阳能电池发电等。目前，太阳能电池的成本相对较高而转化成电能的效率又太低，限制了太阳能发电的使用。目前的大部分太阳能收集装置是静止的，而太阳是有规律的运动的，无法保证太阳能电池始终正对太阳，这在一定程度上影响了太阳能的采集效率。有研究者做过试验，采用太阳能跟踪装置可提高太阳能的采集效率约30%。
目前我国太阳能自动跟踪系统的研究集中在控制部分，忽略了机械传动装置的传动效率、精度等对系统性能的影响，从而造成执行部件消耗功率过大，甚至于跟踪精度达不到设计要求。
1.总体设计
1.1传动方案
目前，太阳能自动跟踪系统的机械执行装置的传动方式很多，主要有蜗轮蜗杆、链传动、齿轮传动、齿轮齿条传动等。研究表明，这些传动机构具有各自特点，如链传动空间不够紧凑，链条的铰链磨损使节距变大造成脱节，安装和维护要求较高，传动效率较低,容易出现误差积累；齿轮传动能保证瞬时传动比恒定、平稳性高、传递运动准确可靠、传递的功率和速度范围较大、结构紧凑、可实现较大的传动比、传动效率高、使用寿命长、制造和安装要求较低；涡轮蜗杆具有自锁功能、传动比大、传动平稳、结构紧凑。
图1 阳能自动跟踪系统机械执行装置结构原理图
1-箱体；2-弹性挡圈；3-电池板支架；4-销；5-法兰；6连接板；7，15-大齿轮；8-螺栓；9-底座；10，12-小齿轮； 11-涡轮蜗杆减速器；13-轴；14-涡轮蜗杆减速器； 16，18-电机；17-垫块
本装置采用两级传动，一级传动实用齿轮传动，二级传动才用涡轮蜗杆传动。初步确定齿轮的传动比为2，取涡轮蜗杆的传动比为47。结构原理如图1所示。
（1）东西方向跟踪
电机18固定在与涡轮蜗杆减速器11固联的连板上，其输出轴与一个直齿轮同轴安装。蜗杆11与直齿轮7同轴安装，其末端安装于轴承，轴承安装在箱体1的轴承座9上。这对直齿轮良好的啮合。涡轮蜗杆减速器11与箱体1固联，涡轮的同心输出轴垂直安装与轴承过盈配合，轴承与底座9固联。电机18转动，通过外啮合直齿轮带动涡轮11输出轴转动，因涡轮蜗杆减速器11与箱体1固联，故带动箱体1相对于底座9水平转动，完成东西方向跟踪。
（2）南北方向跟踪
电机16固定在与涡轮蜗杆减速器14固联的连板上，其输出轴与一个直齿轮15同轴安装，涡轮蜗杆减速器14与涡轮蜗杆减速器11通过垫块17固联。蜗杆14与直齿轮15同轴安装，涡轮14与输出轴同心安装，输出轴通过安装在箱体1上的两个轴承支撑，可以相对于箱体转动。输出轴两端通过法兰5与连接板6固联，连接板6与电池板支架3固联。电机16转动，通过外啮合直齿轮带动涡轮14输出轴转动，因涡轮14输出轴与太阳能电池板支架3固联，故带动电池板相对于箱体1做垂直方向的转动，完成南北方向跟踪。
1.2 电机选择
直流减速电机外形尺寸小、制造成本低，传动质量高。它在不增大整体尺寸前提下，可以在很大的变速比范围内使输出转速大大降低。减速电机可以快速启动和制动，也可以动态切换反转，但比普通电动机转动惯量要小得多。
按照200W设计容量，设计承重120Kg，水平方向扭矩260N.m，整体垂直方向扭矩：500N.m，抗风30m/s，工作时间2年（10小时/天），电机选择为转速为60r/min、功率8W的直流减速电机。
2.传动机构设计
2.1 齿轮传动设计
（1）材料选择
小齿轮选用45钢调制处理，齿面平均硬度220HBS；大齿轮选用45钢正火，齿面平均硬度180HBS。
（2）结构尺寸
齿轮模数取2，根据实际情况所得本装置使用闭式齿轮传动常取齿数为≥20-40，故本装置取小齿轮齿数为20，大齿轮齿数为40。由公式所得小齿轮分度圆直径为40mm，大齿轮分度圆直径为80mm.。
中心距：
查表所得=1
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由于大齿轮需固定在涡轮蜗杆减速器的输入轴上，小齿轮需固定在电机的输出轴上，齿轮与涡轮蜗杆输出轴之间有链接板连接，内部空间有限，故齿厚根据实际情况不能做的太厚，所以大齿轮的齿厚为6mm；小齿轮齿厚取8mm。大齿轮的内孔要与涡轮蜗杆输入轴的外径相配合，因此大齿轮内孔取9mm。小齿轮要与电机的输出轴相配合，故小齿轮内孔取6mm。齿轮采用螺母定位，由于齿轮上螺纹孔的直径大小要小于等于涡轮蜗杆输入轴和电机输出轴上的键槽宽度，所以齿轮上的螺纹孔取4mm。
2.2 涡轮蜗杆传动设计
根据实际要求取涡轮蜗杆的传动比为47。涡轮蜗杆的输入轴要与齿轮连接，同轴安装。涡轮蜗杆的内孔于轴配合，故其尺寸取20mm.
3.应用前景
在太阳能光伏发电日益发展的今天，迫切需要一种跟踪执行精度高、传动效率高、结构紧凑的双轴光伏自动跟踪机械执行装置。本装置可广泛应用在无电缺电地区户用供电（如家庭太阳能发电、太阳能热水器）、城市照明（如太阳能路灯）、现代农业（如光伏水泵）等自动跟踪系统，具有良好的社会效益以及市场应用前景。
参考文献：
[1]杨黎明，杨志清.机械设计简明手册[M].北京:国防大学出版社，2008.
[2]徐文灿，袁俊等．太阳能自动跟踪系统的探索与实验[J].物理实验，2003，23(9)：45-48.
[3]张顺心，宋开峰，范顺成等．基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究[J]．河北工业大学学报，2003，32(6)：44-47.
课题项目：
2011年浙江省大学生科技创新活动计划立项项目，项目编号：2011R454006
作者简介：
张忠远：（1977.10—），男，汉族，安徽省定远县人，工学硕士，副教授，温州职业技术学院机械工程系教师，研究方向：电液控制。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”