碟式太陽能自動跟蹤系統傳動機構動力學研究

徐樂　劉開生

摘要碟式太陽能集熱發電的效率最高、開發潛力最大，但其設備在工作時需要對太陽的位置進行跟蹤，該跟蹤精度直接影響設備的發電效率，這就對碟式太陽能自動跟蹤系統的傳動機構提出了較高的要求，而盡量提高設備的跟蹤精度是極其必要的。該文對一種碟式太陽能自動跟蹤系統的傳動機構進行了仿真分析，首先使用Pro/E軟件建立三維模型；然后導入ADAMS軟件中進行了動力學分析，最后得到輸出傳動機構驅動零部件的主要動力指數。根據分析結果，最終得到設備運行的動力特性曲線，為進一步了解和優化機構跟蹤提供理論依據。

關鍵詞碟式太陽能；傳動機構；ADAMS；動力學

中圖分類號S214.9文獻標識碼

A文章編號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

太陽能作為一種清潔無污染的能源，取之不竭用之不盡，其發展前景廣闊。而碟式太陽能技術是太陽能熱發電技術中光電轉換效率最高的一種，它通過碟型聚光鏡將太陽能聚集到接收器上，接收器吸收能量以后傳遞到熱電轉換系統中。由于碟式聚焦器結構相對復雜，要求相對較高，工作時，要對太陽能的位置自動跟蹤，故其對機械系統的精度及自動化需求較高，同時對自動跟蹤系統的傳動機構提出了較高的要求。國內新型的聚焦器技術的研究現狀表明，可投產使用的蝶式太陽能設備一般為大功率設備，這就要求設備的驅動力更大，而過大的驅動難以實現，這就要求在設計蝶式太陽能自動跟蹤系統時，采用更好的機構配置來降低驅動無用功，有效利用創新技術，進一步優化性能和結構，減小誤差，提高精度，降低成本。

1蝶式太陽能自動跟蹤系統三維模型

研究對象為1 kW蝶式太陽自動跟蹤系統，該系統主要由工作平臺、高度角傳動機構、方位角傳動機構3大硬件部分組成。要對設備進行動力學分析，首先要掌握設備各零部件幾何尺寸，建立三維模型。

1.1工作平臺三維模型

工作平臺主要由集熱器和吸熱器兩部分組成（圖1），其中圖1a為集熱器結構圖，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構；圖1b為吸熱器機構圖，內部安裝有保溫層、導熱棒等零件[1-2]。

文章取春分、夏至、秋分、冬至4個典型時間為仿真基礎，軟件分析后得到：

①如圖5所示，在工作過程中，絲杠受力始終呈單調遞減趨勢的。雖然圖面顯示其轉矩為線性變化，但實際上由于絲杠始終受到重力的影響，其變化趨勢是成微幅震蕩變化的。

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

③如圖6所示，在工作過程中，蝸桿的受力情況不是有一定趨勢的線性曲線，而是存在較大波動的非線性曲線。出現這種情況的主要原因在于，蝸輪蝸桿傳動機構放置于水平面上運行，機構輸出軸垂直于水平方向。從理論上講，該傳動機構的受力情況不會受到工作平臺重力的影響。此外，在水平回轉運行的過程中，蝸桿角速度變化是時刻變化的，且兩側蝸桿變化情況相同，由于慣性的作用，蝸桿轉速的時變性必然會引起其受力的隨機波動。

④蝸桿最大轉矩出現在夏至當日12∶36時，蝸桿最大轉矩值為29.50 Nm。

以上分析分別得到高度角方向和方位角方向主驅動力條件，為驅動設置提供了直觀的數據基礎。

4結論

（1）使用ADAMS軟件對某1 kW蝶式太陽能自動跟蹤系統進行了三維模型仿真，該模型高度角方向使用絲杠螺母副進行傳動，方位角方向使用雙蝸桿單蝸輪機構進行傳動。

（2）仿真結果顯示，高度角方向最大驅動轉矩為6.72 Nm，普通電機即可完成傳動工作；而方位角方向最大驅動轉矩為29.50 Nm，約為高度角方向最大轉矩的4.4倍。

（3）目前可投產使用的蝶式太陽能設備一般在20～50 kW之間，這就要求設備的驅動力很大，而過大的驅動難以實現，這就要求在設計蝶式太陽能自動跟蹤系統時采用更好的機構配置來降低驅動無用功，提高驅動效率。

（4）文章為改善碟式太陽能自動跟蹤系統驅動力方面的研究，奠定了理論基礎。

參考文獻

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