碟式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究

徐樂　劉開生

摘要碟式太陽(yáng)能集熱發(fā)電的效率最高、開發(fā)潛力最大，但其設(shè)備在工作時(shí)需要對(duì)太陽(yáng)的位置進(jìn)行跟蹤，該跟蹤精度直接影響設(shè)備的發(fā)電效率，這就對(duì)碟式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了較高的要求，而盡量提高設(shè)備的跟蹤精度是極其必要的。該文對(duì)一種碟式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，首先使用Pro/E軟件建立三維模型；然后導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，最后得到輸出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)零部件的主要?jiǎng)恿χ笖?shù)。根據(jù)分析結(jié)果，最終得到設(shè)備運(yùn)行的動(dòng)力特性曲線，為進(jìn)一步了解和優(yōu)化機(jī)構(gòu)跟蹤提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞碟式太陽(yáng)能；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；ADAMS；動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)S214.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)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

太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，取之不竭用之不盡，其發(fā)展前景廣闊。而碟式太陽(yáng)能技術(shù)是太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)中光電轉(zhuǎn)換效率最高的一種，它通過(guò)碟型聚光鏡將太陽(yáng)能聚集到接收器上，接收器吸收能量以后傳遞到熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。由于碟式聚焦器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，要求相對(duì)較高，工作時(shí)，要對(duì)太陽(yáng)能的位置自動(dòng)跟蹤，故其對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的精度及自動(dòng)化需求較高，同時(shí)對(duì)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。國(guó)內(nèi)新型的聚焦器技術(shù)的研究現(xiàn)狀表明，可投產(chǎn)使用的蝶式太陽(yáng)能設(shè)備一般為大功率設(shè)備，這就要求設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力更大，而過(guò)大的驅(qū)動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)，這就要求在設(shè)計(jì)蝶式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)時(shí)，采用更好的機(jī)構(gòu)配置來(lái)降低驅(qū)動(dòng)無(wú)用功，有效利用創(chuàng)新技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化性能和結(jié)構(gòu)，減小誤差，提高精度，降低成本。

1蝶式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)三維模型

研究對(duì)象為1 kW蝶式太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由工作平臺(tái)、高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3大硬件部分組成。要對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，首先要掌握設(shè)備各零部件幾何尺寸，建立三維模型。

1.1工作平臺(tái)三維模型

工作平臺(tái)主要由集熱器和吸熱器兩部分組成（圖1），其中圖1a為集熱器結(jié)構(gòu)圖，反光部分使用整體反光鏡，反光鏡與吸熱器連接部分使用彎曲鋼架結(jié)構(gòu)；圖1b為吸熱器機(jī)構(gòu)圖，內(nèi)部安裝有保溫層、導(dǎo)熱棒等零件[1-2]。

文章取春分、夏至、秋分、冬至4個(gè)典型時(shí)間為仿真基礎(chǔ)，軟件分析后得到：

①如圖5所示，在工作過(guò)程中，絲杠受力始終呈單調(diào)遞減趨勢(shì)的。雖然圖面顯示其轉(zhuǎn)矩為線性變化，但實(shí)際上由于絲杠始終受到重力的影響，其變化趨勢(shì)是成微幅震蕩變化的。

②絲杠在每個(gè)工作日日出時(shí)的轉(zhuǎn)矩為全天最大。其主要原因是，在每個(gè)工作日日出時(shí)，太陽(yáng)的高度角最低，絲杠的有效工作長(zhǎng)度最大，受重力影響，絲杠嚙合齒面所受摩擦力最大，故其啟動(dòng)力矩必然最大，絲杠最大轉(zhuǎn)矩值為6.72 Nm。

③如圖6所示，在工作過(guò)程中，蝸桿的受力情況不是有一定趨勢(shì)的線性曲線，而是存在較大波動(dòng)的非線性曲線。出現(xiàn)這種情況的主要原因在于，蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放置于水平面上運(yùn)行，機(jī)構(gòu)輸出軸垂直于水平方向。從理論上講，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力情況不會(huì)受到工作平臺(tái)重力的影響。此外，在水平回轉(zhuǎn)運(yùn)行的過(guò)程中，蝸桿角速度變化是時(shí)刻變化的，且兩側(cè)蝸桿變化情況相同，由于慣性的作用，蝸桿轉(zhuǎn)速的時(shí)變性必然會(huì)引起其受力的隨機(jī)波動(dòng)。

④蝸桿最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在夏至當(dāng)日12∶36時(shí)，蝸桿最大轉(zhuǎn)矩值為29.50 Nm。

以上分析分別得到高度角方向和方位角方向主驅(qū)動(dòng)力條件，為驅(qū)動(dòng)設(shè)置提供了直觀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4結(jié)論

（1）使用ADAMS軟件對(duì)某1 kW蝶式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了三維模型仿真，該模型高度角方向使用絲杠螺母副進(jìn)行傳動(dòng)，方位角方向使用雙蝸桿單蝸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)。

（2）仿真結(jié)果顯示，高度角方向最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為6.72 Nm，普通電機(jī)即可完成傳動(dòng)工作；而方位角方向最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為29.50 Nm，約為高度角方向最大轉(zhuǎn)矩的4.4倍。

（3）目前可投產(chǎn)使用的蝶式太陽(yáng)能設(shè)備一般在20～50 kW之間，這就要求設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力很大，而過(guò)大的驅(qū)動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)，這就要求在設(shè)計(jì)蝶式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)時(shí)采用更好的機(jī)構(gòu)配置來(lái)降低驅(qū)動(dòng)無(wú)用功，提高驅(qū)動(dòng)效率。

（4）文章為改善碟式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力方面的研究，奠定了理論基礎(chǔ)。

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