隨云飛，趙建偉

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

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太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

隨云飛，趙建偉

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

太陽能具有可再生、分布地域廣、使用清潔、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢(shì)，是理想的新能源，其開發(fā)使用是解決能源短缺、溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等問題的有效途徑。本文開發(fā)了一套太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使得太陽能電池板及集熱管始終垂直于太陽光線，最大限度的采集太陽能。在保證成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的前提下,實(shí)現(xiàn)了較高的跟蹤精度。

自動(dòng)；分體承壓；穩(wěn)定性；蝸輪蝸桿

1　設(shè)計(jì)背景

傳統(tǒng)的礦物能源瀕臨枯竭，且使用過程中容易造成環(huán)境污染，在這種情況下，可再生的清潔能源的利用顯得日益緊迫。作為清潔能源的主要成員之一，潛力無限的太陽能以其豐富的資源、超高的可利用率和清潔可持續(xù)的特性，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)能源的最佳選擇。隨著我國(guó)太陽能熱利用水平的不斷提升，太陽能熱利用逐步從民用低溫領(lǐng)域向中高溫工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展，太陽能在生產(chǎn)、生活領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已經(jīng)受到了重視?，F(xiàn)有的太陽能采熱及發(fā)電技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是，在傳統(tǒng)的太陽能采集裝置中，以固定接收的居多。而采用自動(dòng)追光設(shè)計(jì)提高了對(duì)太陽光的利用率及集熱效率。

2　設(shè)計(jì)方案

2.1分體承壓

傳統(tǒng)的太陽能集熱管和保溫桶不可分離，不管是體積還是重量，都不適合進(jìn)行自動(dòng)追光的設(shè)計(jì)，整體較為笨重成為限制自動(dòng)追光的最大障礙。本文的設(shè)計(jì)采用了分體承壓式太陽能的設(shè)計(jì)，如圖1，將太陽能的集熱管與保溫桶分離，將保溫桶放置于室內(nèi)，集熱管內(nèi)膽做密封處理，放入金屬管道，金屬管道內(nèi)通入導(dǎo)熱介質(zhì)，可充分?jǐn)y帶集熱管采集的熱量，以加熱保溫桶內(nèi)的水，同時(shí)將太陽能電池板與集熱管整合為一體，可實(shí)現(xiàn)集熱與發(fā)電裝置的同步追光，為整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行提供了電力、熱力保障。

圖1　分體承壓式太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)原理圖

2.2水平結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)追光系統(tǒng)的水平結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)的水平移動(dòng)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，繞一固定軸可實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在三角形集熱管的剩余一角設(shè)置一萬向輪，可保證系統(tǒng)水平運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，也可在一定程度上減少整個(gè)系統(tǒng)的占用面積，即較傳統(tǒng)的自動(dòng)追光結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)最小占地面積的自動(dòng)追光。

圖2　自動(dòng)追光水平結(jié)構(gòu)

2.3豎直結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在對(duì)自動(dòng)追光的豎直結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了其運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，巧妙地采用了渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)。首先，系統(tǒng)采用分體承壓式太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)，使得自動(dòng)追光部分的重量大大降低，為系統(tǒng)的靈活運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了條件；然后，為保證自動(dòng)追光的穩(wěn)定性，系統(tǒng)通過機(jī)械機(jī)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其組成部分為蝸桿及渦輪，一般蝸桿為主動(dòng)件。在主平面上，蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于齒條齒輪的傳動(dòng)，當(dāng)蝸桿繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，蝸桿輪齒相當(dāng)于齒條作軸向移動(dòng)而驅(qū)動(dòng)渦輪輪齒，使渦輪旋轉(zhuǎn)。由于傳動(dòng)比較大可以實(shí)現(xiàn)比較大的傳動(dòng)力，并且通過渦輪以及蝸桿90度的交叉配合實(shí)現(xiàn)改變傳動(dòng)的方向，是一般齒輪傳動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)的，如果蝸桿的螺旋角沒有齒輪間的當(dāng)量摩擦角大時(shí)，渦輪無法帶動(dòng)蝸桿運(yùn)動(dòng)蝸桿傳動(dòng)就會(huì)啟動(dòng)自鎖，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的安全保護(hù)，讓集熱管可以隨時(shí)在任意位置保持靜止，這使得集熱管的豎直運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定[2]。

圖3　自動(dòng)追光豎直結(jié)構(gòu)

2.4追光元件布局

系統(tǒng)自動(dòng)追光所采用的光敏電阻布局如圖4。系統(tǒng)大膽設(shè)計(jì)，采用了三個(gè)光敏電阻的布局，中間利用隔板隔開，以便對(duì)各種光線角度進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)追光。現(xiàn)對(duì)三個(gè)光敏電阻編號(hào)，如圖4，定義有陽光照射的光敏電阻輸出為“1”，無陽光照射的光敏電阻輸出為“0”，例：1號(hào)接受陽光照射表示為1∶1，無陽光照射表示為1∶0?，F(xiàn)對(duì)各種陽光照射條件進(jìn)行分類：太陽位于圖4左上角，即1∶1、2∶1、3∶0，則水平左移，豎直下降；太陽位于圖4右上角，即1∶0、2∶1、3∶0，則水平左移，豎直下降，直到輸出變?yōu)?∶1、2∶1、3∶1；太陽位于圖4左下角，即1∶1、2∶0、3∶1，則水平左移，豎直升起；太陽位于圖4右下角，即1∶0、2∶0、3∶1，則水平左移，豎直升起，直到輸出變?yōu)?∶1、2∶1、3∶1；無陽光照射，即進(jìn)入夜晚，系統(tǒng)自動(dòng)向右移至頂端，豎直升起為最高，以實(shí)現(xiàn)第二天的自動(dòng)追光。上

下左右四個(gè)方向不再敘述，最終結(jié)果為保持三個(gè)光敏電阻均接受陽光照射，即實(shí)現(xiàn)輸出為1∶1、2∶1、3∶1[3]。

圖4　光敏電阻的布局

3　創(chuàng)新點(diǎn)

3.1實(shí)現(xiàn)集熱管和電池板同時(shí)追光

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性，使得系統(tǒng)有條件將太陽能集熱管和太陽能電池板整合為一體，可實(shí)現(xiàn)二者的同步追光，大大提升了二者對(duì)太陽能的利用效率，為系統(tǒng)提供充足的電力及熱量。

3.2傳動(dòng)部分

系統(tǒng)在進(jìn)行傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性作為重中之重，水平運(yùn)動(dòng)底座采用三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，豎直運(yùn)動(dòng)部分采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，可保證自動(dòng)追光的穩(wěn)定性。

3.3分體承壓優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的分體承壓式設(shè)計(jì)，可大大減輕自動(dòng)追光部分的重量,同時(shí)降低屋頂?shù)某休d力，降低傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)靈活的自動(dòng)追光。

4　應(yīng)用前景

我國(guó)是一個(gè)資源消耗大國(guó)，可再生的清潔能源的利用顯得日益緊迫。太陽能作為清潔能源的主要成員之一，可以說是替代傳統(tǒng)能源的最佳選擇，但是現(xiàn)有技術(shù)對(duì)太陽能的采集效率較低，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)極佳的太陽自動(dòng)追蹤，應(yīng)用前景十分廣闊。

[1]劉心.我國(guó)太陽能行業(yè)的發(fā)展情況[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2002(8)：19-20.

[2]于洪民.蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的自鎖性[J].機(jī)械制造，1997(1)：10-11.

[3]林立，張俊亮.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：92-94.

The Design and Research on Automatic Solar Tracking System

Sui Yunfei, Zhao Jianwei

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

Solar energy has the features of renewable, wide distribution area, the cleaning use and higher economic efficiency, which is an ideal new energy. Its development and use is an effective way to solve the problem of energy shortage, environmental pollution and the greenhouse effect etc. This paper develops an automatic solar tracking system, which can make the solar panels and thermal collectors always being perpendicular to the sun’s rays and gather the maximum solar energy. Under the premise of low cost and simple structure, it realizes the higher tracking precision.

automatic; fission under pressure; stability; worm gear and worm

2016-04-06

隨云飛(1996- )，男，山東濟(jì)寧人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

1674- 4578(2016)04- 0082- 02

TK51；TM615

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