碟式太阳能自动跟踪系统传动机构动力学研究

2014-04-29徐乐刘开生

安徽农业科学 2014年36期

徐乐　刘开生

摘要碟式太阳能集热发电的效率最高、开发潜力最大，但其设备在工作时需要对太阳的位置进行跟踪，该跟踪精度直接影响设备的发电效率，这就对碟式太阳能自动跟踪系统的传动机构提出了较高的要求，而尽量提高设备的跟踪精度是极其必要的。该文对一种碟式太阳能自动跟踪系统的传动机构进行了仿真分析，首先使用Pro/E软件建立三维模型；然后导入ADAMS软件中进行了动力学分析，最后得到输出传动机构驱动零部件的主要动力指数。根据分析结果，最终得到设备运行的动力特性曲线，为进一步了解和优化机构跟踪提供理论依据。

关键词碟式太阳能；传动机构；ADAMS；动力学

中图分类号S214.9文献标识码

A文章编号0517-6611（2014）36-13124-03

Abstract The dish solar thermal collectors has the highest efficiency of power generation and the largest potential for development， but its equipment need to tracking the sun's position when it functioning， which directly affects the power generation efficiency of tracking precision equipment， so improving the tracking accuracy of the equipment is extremely necessary. The simulation analysis was conducted on transmission mechanism of a kind of dish solar energy automatic tracking system， the first use of Pro / E software to establish threedimensional model； then import ADAMS software for dynamic analysis； last output the main motivation index of the transmission mechanism drive parts. According to the results of analysis， ultimately get the dynamic characteristics of equipment operation， to provide a theoretical basis for further understanding and optimization agencies tracking.

Key words Dish solar energy； Transmission mechanism； ADAMS； Dynamics

太阳能作为一种清洁无污染的能源，取之不竭用之不尽，其发展前景广阔。而碟式太阳能技术是太阳能热发电技术中光电转换效率最高的一种，它通过碟型聚光镜将太阳能聚集到接收器上，接收器吸收能量以后传递到热电转换系统中。由于碟式聚焦器结构相对复杂，要求相对较高，工作时，要对太阳能的位置自动跟踪，故其对机械系统的精度及自动化需求较高，同时对自动跟踪系统的传动机构提出了较高的要求。国内新型的聚焦器技术的研究现状表明，可投产使用的蝶式太阳能设备一般为大功率设备，这就要求设备的驱动力更大，而過大的驱动难以实现，这就要求在设计蝶式太阳能自动跟踪系统时，采用更好的机构配置来降低驱动无用功，有效利用创新技术，进一步优化性能和结构，减小误差，提高精度，降低成本。

1蝶式太阳能自动跟踪系统三维模型

研究对象为1 kW蝶式太阳自动跟踪系统，该系统主要由工作平台、高度角传动机构、方位角传动机构3大硬件部分组成。要对设备进行动力学分析，首先要掌握设备各零部件几何尺寸，建立三维模型。

1.1工作平台三维模型

工作平台主要由集热器和吸热器两部分组成（图1），其中图1a为集热器结构图，反光部分使用整体反光镜，反光镜与吸热器连接部分使用弯曲钢架结构；图1b为吸热器机构图，内部安装有保温层、导热棒等零件[1-2]。

文章取春分、夏至、秋分、冬至4个典型时间为仿真基础，软件分析后得到：

①如图5所示，在工作过程中，丝杠受力始终呈单调递减趋势的。虽然图面显示其转矩为线性变化，但实际上由于丝杠始终受到重力的影响，其变化趋势是成微幅震荡变化的。

②丝杠在每个工作日日出时的转矩为全天最大。其主要原因是，在每个工作日日出时，太阳的高度角最低，丝杠的有效工作长度最大，受重力影响，丝杠啮合齿面所受摩擦力最大，故其启动力矩必然最大，丝杠最大转矩值为6.72 Nm。

③如图6所示，在工作过程中，蜗杆的受力情况不是有一定趋势的线性曲线，而是存在较大波动的非线性曲线。出现这种情况的主要原因在于，蜗轮蜗杆传动机构放置于水平面上运行，机构输出轴垂直于水平方向。从理论上讲，该传动机构的受力情况不会受到工作平台重力的影响。此外，在水平回转运行的过程中，蜗杆角速度变化是时刻变化的，且两侧蜗杆变化情况相同，由于惯性的作用，蜗杆转速的时变性必然会引起其受力的随机波动。

④蜗杆最大转矩出现在夏至当日12∶36时，蜗杆最大转矩值为29.50 Nm。

以上分析分别得到高度角方向和方位角方向主驱动力条件，为驱动设置提供了直观的数据基础。

4结论

（1）使用ADAMS软件对某1 kW蝶式太阳能自动跟踪系统进行了三维模型仿真，该模型高度角方向使用丝杠螺母副进行传动，方位角方向使用双蜗杆单蜗轮机构进行传动。

（2）仿真结果显示，高度角方向最大驱动转矩为6.72 Nm，普通电机即可完成传动工作；而方位角方向最大驱动转矩为29.50 Nm，约为高度角方向最大转矩的4.4倍。

（3）目前可投产使用的蝶式太阳能设备一般在20～50 kW之间，这就要求设备的驱动力很大，而过大的驱动难以实现，这就要求在设计蝶式太阳能自动跟踪系统时采用更好的机构配置来降低驱动无用功，提高驱动效率。

（4）文章为改善碟式太阳能自动跟踪系统驱动力方面的研究，奠定了理论基础。

参考文献

[1]

ZAWADSKI A，COVERNTY J.Paraboloidal Dish Solar Concentrators for MultiMegawatt Power Generation[R]. Beijing：Solar World Congress，2007.

[2] 何坚. 碟式斯特林太阳能热发电系统的模型构建和优化研究[D].兰州：兰州理工大学，2011.

[3] 拓耀飞，李少宏. 基于弹性动力学的丝杠螺母机构动态传动精度分析[J]. 延安大学学报， 2006， 25（3）： 42-45.