雙軸光伏跟蹤機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁匯江，張學(xué)夢

(濰坊科技學(xué)院，山東 壽光 262700)

引言

為了應(yīng)對能源枯竭，人們對太陽能以及核能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑺δ?、生物能等可持續(xù)能源的利用日益迫切。據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，20 世紀(jì)90 年代，太陽能發(fā)電每年增長達(dá)20%。太陽能作為新能源的重要組成部分，因其具有取之不盡、用之不竭、無污染等特點(diǎn)，在開發(fā)利用中蘊(yùn)藏著巨大的市場前景，越來越受到人們的青睞。［2］本文所介紹的太陽能跟蹤系統(tǒng)則是光電轉(zhuǎn)換的一種。

1 現(xiàn)有光伏跟蹤裝置工作性能分析

光伏跟蹤機(jī)械系統(tǒng)按照旋轉(zhuǎn)軸數(shù)的不同跟蹤系統(tǒng)可以分為單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)比固定式系統(tǒng)的功率輸出可以提高25%，而雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)比固定式系統(tǒng)功率輸出可以提高4l%。［3］光伏跟蹤系統(tǒng)的成本關(guān)系到制造成本、獲得發(fā)電量以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的因素，因此現(xiàn)在的太陽能跟蹤系統(tǒng)一般采用雙軸跟蹤系統(tǒng)。

雙軸跟蹤一般包括兩種方式，分別為高度-方位角式全跟蹤和極軸式全跟蹤。本文基于高度-方位角式跟蹤方式，在給定發(fā)電模組及系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對雙軸光伏跟蹤機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2 光伏跟蹤機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)電模組及系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)(見表1)

表1 發(fā)電模組及系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 確定發(fā)電模組塊數(shù)

設(shè)所需發(fā)電模組的數(shù)目為SL，則理論上需要發(fā)電模組的數(shù)目SL為:

考慮到發(fā)電模組受風(fēng)載的影響，應(yīng)布置模組使其關(guān)于主梁和方位軸對稱，選擇發(fā)電模組的數(shù)目為10，則系統(tǒng)的理論發(fā)電量為:Wd=Wi·η·(L·W·8)·SL=0.85 ×0.2 ×(0.96 ×0.24 ×8)×10=3.1334(kW)

2.3 確定布置方式

根據(jù)發(fā)電模組的長度和寬度，考慮布置的對稱性，選擇寬長比接近0.618 的布置方式。

在進(jìn)行風(fēng)載計(jì)算時(shí)取總發(fā)電模組的長度為5 米，寬度為4 米;而當(dāng)跟蹤裝置的高度角為0°時(shí)，總發(fā)電模組最下端離地面的距離至少為1 米，因此取圖布置方式(2)中主梁至地面的距離L=3.5 米(見圖1)。

圖1 布置方式

2.4 跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

(1)方位角跟蹤機(jī)構(gòu):本設(shè)計(jì)初步確定選擇步進(jìn)電機(jī)+行星減速機(jī)+齒輪副傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位角的跟蹤。

(2)高度角跟蹤機(jī)構(gòu):本設(shè)計(jì)初步確定選擇步進(jìn)電機(jī)+行星減速機(jī)+齒輪副傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)高度角的跟蹤。

(3)光伏組件支架:選擇標(biāo)準(zhǔn)件槽鋼用于支承光伏組件，選擇圓管用于支承和仰俯軸連接，且同時(shí)支承光伏組件及其槽鋼。

(4)支承立柱:本設(shè)計(jì)初步選擇為圓管支承方位角跟蹤機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)裝置。

3 光伏跟蹤機(jī)械系統(tǒng)風(fēng)載計(jì)算

3.1 風(fēng)速確定

通過對近20 年的風(fēng)速記錄進(jìn)行分析計(jì)算，得到以下計(jì)算結(jié)果(見表2)。其中ˉX 為風(fēng)速的平均值，σ為風(fēng)速的根方差值，ψ 為保證系數(shù)，P0為不超過設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的概率。

表2 近20 年風(fēng)速記錄分析結(jié)果表

由表2 可以看出，20 年出現(xiàn)的最大風(fēng)速為17.0132m/s;20 年內(nèi)的極大風(fēng)速為26.6m/s，平均風(fēng)速為3.22m/s。本文在計(jì)算所需要的靜力和靜力距時(shí)，取設(shè)計(jì)風(fēng)速和破壞風(fēng)速分別為17 m/s 和27 m/s。

3.2 風(fēng)載計(jì)算公式

平均風(fēng)產(chǎn)生的阻力Fx、升力Fy、側(cè)力Fz、滾轉(zhuǎn)力矩Mx、方位力矩My 和仰俯力矩Mz 的計(jì)算公式如下:

式中，Cx、Cy、Cz、Cmx、Cmy、Cmz 分別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)、翻滾力矩系數(shù)、方位力矩系數(shù)和仰俯力矩系數(shù)。

3.3 系數(shù)的選擇

3.3.1 仰俯力矩系數(shù)的確定

上面公式中的仰俯力矩系數(shù)在坐標(biāo)系yoz 的軸oz 位于總發(fā)電模組的底部時(shí)成立，而在本設(shè)計(jì)中，平板中間橫軸的仰俯力矩系數(shù)Cmzz 為:

3.3.2 風(fēng)載系數(shù)的選擇

根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］可知，當(dāng)高度角為0°時(shí)，方位角變化時(shí)，阻力系數(shù)Cx、側(cè)力系數(shù)Cz、方位力矩系數(shù)Cmy 和仰俯力矩系數(shù)Cmzd 如圖2 示。

圖2 風(fēng)載系數(shù)隨方位角的變化

根據(jù)公式(7)計(jì)算仰俯力矩系數(shù)Cmzz 如圖3 所示。

3.3.3 阻力的計(jì)算

根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］可知，當(dāng)方位角和高度角都為0°時(shí)，系統(tǒng)對風(fēng)具有最大的阻力。

圖3 仰俯力矩系數(shù)隨方位角的變化

3.3.4 傾覆力矩的計(jì)算

在風(fēng)的作用下，跟蹤機(jī)構(gòu)有傾倒的趨勢。根據(jù)已有資料，當(dāng)方位角為0°時(shí)，風(fēng)對跟蹤機(jī)構(gòu)具有最大的傾覆力矩。MT=Fz·L+Mz

3.3.5 回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算

當(dāng)高度角為0°，方位角變化時(shí)，阻力Fx、側(cè)力Fz和方位力矩My，都會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩，但阻力和側(cè)力的貢獻(xiàn)很小，這里直接以方位力矩My 簡單計(jì)算回轉(zhuǎn)力矩Mh:

3.3.6 俯仰力矩的計(jì)算

總發(fā)電模組關(guān)于主梁對稱布置，方位角為0°，高度角變化時(shí)，阻力和升力對O 點(diǎn)不產(chǎn)生力矩，則俯仰力矩Mz 為:

4 跟蹤機(jī)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)

高度角跟蹤機(jī)構(gòu)、發(fā)電模組、發(fā)電模組支承支架都安裝在方位角跟蹤機(jī)構(gòu)之上，隨著方位角跟蹤機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分一起轉(zhuǎn)動(dòng)。故估算系統(tǒng)相對方位旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ixy=2.9590 ×109(Kg·mm2)。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇為步進(jìn)電機(jī)+行星減速器+齒輪副傳動(dòng)。由于跟蹤系統(tǒng)負(fù)載慣量大，步進(jìn)電機(jī)擬選擇為加減速運(yùn)行模式，如圖4 所示。

由于采用加減速運(yùn)行模式，必要轉(zhuǎn)矩包括加風(fēng)載和加減速轉(zhuǎn)距，系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要包括系統(tǒng)傳動(dòng)間的摩擦及外界風(fēng)載等的影響。

圖4 步進(jìn)電機(jī)加減速運(yùn)行模式

圖5 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線，由此得到步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)Zt=2.5%，遠(yuǎn)小于50%，且由于慣性比≤10，所設(shè)計(jì)符合要求。

最后通過以上設(shè)計(jì)過程計(jì)算出行星減速器輸出扭矩，選擇減速比為i2=16，額定輸出扭矩Tx=235 N·m 的PX115 行星減速器。

4.2 高度角跟蹤機(jī)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)

高度角跟蹤機(jī)構(gòu)與方位角跟蹤機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)原理上是一樣的，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇為步進(jìn)電機(jī)+行星減速器+齒輪副傳動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)仍然選擇加減速運(yùn)行模式，如圖4 所示。不同的地方在于高度角齒輪副傳動(dòng)中傳動(dòng)比i3=10。

按照方位角跟蹤機(jī)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)過程對高度角跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力設(shè)計(jì)。最后通過以上設(shè)計(jì)過程計(jì)算出行星減速器輸出扭矩，同樣選擇減速比為i2=16，額定輸出扭矩Tx=235 N·m 的PX115 行星減速器。

4.3 光伏發(fā)電模組支承支架設(shè)計(jì)

考慮到圓管便于加工，具有較大的截面慣性距，因此總發(fā)電模組支承支架的主梁選擇為圓管。當(dāng)總發(fā)電模組及支架總重量為1500Kg，D=0.146m，h=0.012m 時(shí)，計(jì)算得A 點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為0.237°，此時(shí)的撓度為8.53mm。A 點(diǎn)的支反力為7.5KN，彎距為10.3 KN·m。

得到初始設(shè)計(jì)的圓管直徑和厚度后，對其進(jìn)行彎曲應(yīng)力校核和剪切應(yīng)力校核。經(jīng)計(jì)算校核，選擇的20 號(hào)鋼制圓管滿足安全條件，設(shè)計(jì)合理。

4.4 仰俯運(yùn)動(dòng)仰俯軸設(shè)計(jì)

該軸無特殊要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的45 鋼。按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件估算軸徑，并考慮到軸上鍵槽等影響因素，因而將軸的直徑增大5%并圓整，計(jì)算并確定直徑為60mm。根據(jù)軸上主要零件的布置和軸的初步估算定出的軸徑，進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.5 方位角齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)已知條件，大、小齒輪均可選用調(diào)質(zhì)處理的45 鋼，硬度為229-286HBS，并可查得彎曲疲勞極限應(yīng)力σFlim=270MPa，接觸疲勞極限應(yīng)力σHlim=605MPa 。

4.5.1 按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

4.5.2 確定許用彎曲應(yīng)力

齒輪的許用彎曲應(yīng)力計(jì)算公式為

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得:σFP=506.25MPa

4.5.3 確定轉(zhuǎn)矩

4.5.4 初步選定齒輪參數(shù)

取z1=20，傳動(dòng)比i=12，則取齒寬系數(shù)ψd=0.5，載荷系數(shù)K=KAKVKβKα，通?？山频厝=1.3-1.7，此處取k=1.5。

4.5.5 確定復(fù)合齒形系數(shù)

YFS1=4.68

4.5.6 確定模數(shù)m

4.5.7 計(jì)算幾何尺寸

結(jié)束語

本文對雙軸光伏跟蹤機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行進(jìn)行了仿真，確定了總發(fā)電模組的個(gè)數(shù)和布置方式，分析并計(jì)算了總發(fā)電模組的風(fēng)載。在此基礎(chǔ)上，對雙軸光伏跟蹤機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了方位角和高度角跟蹤機(jī)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并可基于Pro/E 進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真。

在考慮成本的情況下，雙軸光伏跟蹤機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)詳細(xì)了解市場上成熟的步進(jìn)電機(jī)，減速器的性能及其價(jià)格，在充分減低成本的情況下進(jìn)行方位角和高度角跟蹤機(jī)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)。

［1］王炳忠.太陽能——未來能源之星［M］.北京:高教出版社，1990:20-21.

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