能流密度測試儀機械結構動力學仿真分析

張鴻斐

摘 要：由于太陽能分散性、不穩定性和利用效率低的自身缺點，增加了太陽能利用的成本。只有準確掌握聚光器聚光效率，測量實際接收到的太陽光輻射值，才能實現高效利用太陽能。這就需要設計一種精度較高的聚光器能流密度測試儀，國內外學者針對這一課題做了大量研究。該文主要是對目前使用的兩種測試儀器結構進行動力學仿真計算，深入解析兩種測試儀器機械結構的各自優缺點。

關鍵詞：擺動靶 平移靶 齒輪 均勻性

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0036-03

Abstract：Because of the low efficiency of solar energy，the instability and the dispersivity of solar energy，the cost of solar energy utilization is increased.Only by grasping concentrators efficiency， measuring the actual received solar radiation values， We could achieve high efficiency of using solar energy.We need to design a high accuracy of condenser energy flow density measurement which domestic and foreign scholars have done a lot of research. In this paper，two kinds of test instruments are used to carry out dynamic simulation and calculation，and the advantages and disadvantages of the mechanical structure of the two instruments are thoroughly analyzed.

Key Words：Swing bar；Translation bar；Gear；Uniformity

隨著環境污染日益嚴重，常規能源出現匱乏跡象，便產生了利用新能源代替常規能源快速發展的趨勢，其中太陽能利用成為重中之重。從人類發展史來看，早在我國幾千年前，就已經知道應用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點火和干燥農副產品。發展到現代，太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用等[1]。為了更高效率利用太陽能，只有精確掌握太陽光輸入到聚光器的能量值，通過這個參考值去反向計算聚光器的性能，根據這個參數就可以優化聚光系統性能來提高輸出能量值，實現高效利用太陽能的目標。測量太陽能輸入值的設備就成為核心研發的一個課題，近些年國內外對聚光器能流密度測試系統進行了大量實驗研究，設計出了多種測量系統，如PROHERMES視覺系統、SCANTMAS測量裝置等，這些系統結構基本采用間接測量法或直接測量法，或兩種方式結合的綜合測量系統，無論采用哪種測試系統，基于的機械機構都是通過朗泊靶快速擺動方式，掠過吸熱器采光口，得到測量結果[2-4]。為有效精確掌握聚光器輸入能量值，必須采用高精度性能可靠的測試儀器才能得到最理想的測試結果，優化現有測量靶的機械結構就顯得尤為重要。

1 測試儀器機械結構及工作過程

1.1 建立測試儀器機械結構模型

根據能流密度測試系統工作原理，建立兩種類型機械機構模型，一種是采用伺服電機驅動減速機，減速機軸與朗泊靶固定聯接，通過軟件控制伺服電機正反轉角度，使得朗泊靶在太陽光斑接收位置前左右擺動，把這種結構稱為擺動朗泊靶測試結構（如圖1）；二是采用齒輪傳動機構，由步進電機驅動大齒輪帶動兩個小齒輪轉動，將驅動力傳遞到與小齒輪相聯接的絲杠上，然后推動朗泊靶上的絲杠螺母上下快速移動，在太陽光斑接收位置前往復循環運動，這種機械運動結構稱為平移朗泊靶測試結構。

擺動靶測試結構由擺動朗泊靶、驅動電機、減速機組成，平移朗泊靶測試結構主要由平移朗泊靶、絲杠螺母組件、滑軌滑塊組件、齒輪傳動組件及電機驅動組件構成。

1.2 擺動靶測試結構工作過程

擺動朗泊靶測試結構（見圖1），通過能流密度測試程序里設定伺服電機正反轉角度范圍值，連續發送脈沖信號，驅動減速機帶動朗泊靶在這個角度范圍內，往復循環擺動，使焦點位置的光斑盡可能全部呈現在朗泊靶上，同時CCD相機采集圖片，最后通過后臺程序合成完整的焦點處光斑照片，計算出能流密度分布圖。

1.3 平移朗泊靶測試結構工作過程

平移朗泊靶測試結構（見圖2），通過能流密度測試軟件控制伺服電機轉動速度，大齒輪帶動小齒輪屬于增速過程，小齒輪再將動力傳遞到絲杠，達到減速目的，實現朗泊靶快速平穩在絲杠上移動，精確控制朗泊靶移動的每一個位置。CCD相機采集的圖片位置準確，軟件后臺處理程序簡單，合成照片精度更高，計算出的能流密度分布圖更加可靠。

2 測試儀器機械動力仿真計算和分析

2.1 測試儀機械結構速度對比分析

根據整個系統測量原理，建立如圖1和圖2兩種機械結構模型，為更加清晰掌握機械結構平穩性及可靠性，得到最優的機械測試儀結構，更好為整個能流密度測試系統服務。應用Solidworks軟件對這兩種機械結構在動態運行時的速度進行動態仿真。圖3為擺動靶測量結構朗泊靶在左右擺動過程中，朗泊靶中心速度的振幅變化關系圖，從圖上得知，在整個循環擺動過程中，速度是先進行加速，然后突變減速到一定值，再突然加速在突然減速最低點位置完成一個左右擺動循環。一個循環當中出現兩次速度轉折點，當朗泊靶轉到轉折點位置時，此時的速度達到最大，并且要突然改變速度大小，對朗泊靶與減速機連接處軸的沖擊力特別大，瞬時產生扭力達到最大，如果長期這樣工作狀態，減速機軸壽命明顯會受到沖擊力作用，因疲勞而斷裂，出現朗泊靶飛出產生嚴重的事故。圖4為平移靶測量結構朗泊靶上下移動過程中，朗泊靶中心速度振幅變化關系圖，從圖上獲知，循環過程中向上運動時候速度是勻減速，由于朗泊靶自身重力，與驅動力相反方向，相當于阻力作用，上升高度越大，需要驅動力就越大，但是電機驅動力恒定，這樣出現了速度隨著高度增加減小。相反，當朗泊靶向下移動時候，由于重力作用與驅動力方向一致，加上慣性力作用使得速度勻速增加，出現圖示速度隨高度減小而增大的現象。

2.2 測試儀機械結構加速度對比分析

兩種測試結構模型經過仿真計算，分別得出朗泊靶中心加速度振幅關系圖5和圖6。圖5是擺動靶測量結構中心加速度振幅變化關系圖，從圖上獲知，加速度處于周期波動狀態，并且在極短的時間內幅值變化特別大，這說明產生的慣性力對朗泊靶作用很大，造成減速機軸受到頻繁扭力沖擊作用，長期會因這種沖擊造成減速機軸疲勞破壞，壽命周期很短。圖6是平移靶測量結構中心加速度變化關系圖，從圖上得知，在整個循環運動過程中，加速度只在中間位置發生很小波動，這個時間位置剛好是驅動電機正反轉的轉折點，振幅也非常小，這就說明產生的慣性力對電機軸扭力沖擊非常小，體現出該測試結構運行平穩性，從而提高了整個測試系統的壽命周期。

3 結語

通過建立擺動靶測量結構和平移靶測量結構模型，對其進行運動仿真分析，得出如下結論。

（1）對擺動靶測量結構運動仿真，從速度和加速度關系圖分析，該結構測試設備運行不平穩，產生的慣性力大，對減速機軸沖擊力大，長期工作會造成減速機軸疲勞破壞，帶來嚴重事故。

（2）通過對平移靶測量結構運動仿真分析，發現此結構測試設備運行平穩，產生慣性力小，相對擺動靶測量結構設備壽命周期較長，由于沖擊力小，朗泊靶移動平穩，所以對整個系統測試精度影響特別小。

從以上結論得出：平移靶測量結構具有很明顯的優勢，對提高整個能流密度測試系統精度的作用是非常重要的，在將來能流密度測試系統中應用的前景也會越來越好，成為主流測試結構。

參考文獻

[1] 楊易，陳世祥.淺談太陽能的利用[C]//上海市老科學技術工作者協會第九屆技術年會.2011.

[2] PSA Annual Technical Report 1997.1997：98-104.

[3] A.Kr ger-Vodde，A.Holl nder.CCD flux measurement system PROHERMES[J].Le Journal de Physique IV，1999，9（3）：649-654.

[4] A.Neumann，A.Schmitz.The SCATMES Device for Measurement of Concentrated Solar Radiation[J].Transactions of the ASME，1999，121（1）：116-120.