袁匯江，張學夢

(濰坊科技學院，山東 壽光 262700)

引言

為了應對能源枯竭，人們對太陽能以及核能、風能、地熱能、水力能、生物能等可持續(xù)能源的利用日益迫切。據(jù)統(tǒng)計［1］，20 世紀90 年代，太陽能發(fā)電每年增長達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，在開發(fā)利用中蘊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)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，對雙軸光伏跟蹤機械系統(tǒng)的設(shè)計進行研究。

2 光伏跟蹤機械系統(tǒng)總體設(shè)計

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

表1 發(fā)電模組及系統(tǒng)設(shè)計參數(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)電模組受風載的影響，應布置模組使其關(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。

在進行風載計算時取總發(fā)電模組的長度為5 米，寬度為4 米;而當跟蹤裝置的高度角為0°時，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

(1)方位角跟蹤機構(gòu):本設(shè)計初步確定選擇步進電機+行星減速機+齒輪副傳動實現(xiàn)方位角的跟蹤。

(2)高度角跟蹤機構(gòu):本設(shè)計初步確定選擇步進電機+行星減速機+齒輪副傳動實現(xiàn)高度角的跟蹤。

(3)光伏組件支架:選擇標準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，且同時支承光伏組件及其槽鋼。

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

3 光伏跟蹤機械系統(tǒng)風載計算

3.1 風速確定

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

表2 近20 年風速記錄分析結(jié)果表

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

3.2 風載計算公式

平均風產(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)在坐標系yoz 的軸oz 位于總發(fā)電模組的底部時成立，而在本設(shè)計中，平板中間橫軸的仰俯力矩系數(shù)Cmzz 為:

3.3.2 風載系數(shù)的選擇

根據(jù)參考文獻［4］可知，當高度角為0°時，方位角變化時，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 風載系數(shù)隨方位角的變化

根據(jù)公式(7)計算仰俯力矩系數(shù)Cmzz 如圖3 所示。

3.3.3 阻力的計算

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

圖3 仰俯力矩系數(shù)隨方位角的變化

3.3.4 傾覆力矩的計算

在風的作用下，跟蹤機構(gòu)有傾倒的趨勢。根據(jù)已有資料，當方位角為0°時，風對跟蹤機構(gòu)具有最大的傾覆力矩。MT=Fz·L+Mz

3.3.5 回轉(zhuǎn)力矩的計算

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

3.3.6 俯仰力矩的計算

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，阻力和升力對O 點不產(chǎn)生力矩，則俯仰力矩Mz 為:

4 跟蹤機構(gòu)動力設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 方位角跟蹤機構(gòu)動力設(shè)計

高度角跟蹤機構(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構(gòu)之上，隨著方位角跟蹤機構(gòu)的轉(zhuǎn)動部分一起轉(zhuǎn)動。故估算系統(tǒng)相對方位旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為Ixy=2.9590 ×109(Kg·mm2)。

驅(qū)動機構(gòu)選擇為步進電機+行星減速器+齒輪副傳動。由于跟蹤系統(tǒng)負載慣量大，步進電機擬選擇為加減速運行模式，如圖4 所示。

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

圖4 步進電機加減速運行模式

圖5 步進電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 為步進電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線，由此得到步進電機的工作狀態(tài)Zt=2.5%，遠小于50%，且由于慣性比≤10，所設(shè)計符合要求。

最后通過以上設(shè)計過程計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 高度角跟蹤機構(gòu)動力設(shè)計

高度角跟蹤機構(gòu)與方位角跟蹤機構(gòu)在設(shè)計原理上是一樣的，驅(qū)動機構(gòu)選擇為步進電機+行星減速器+齒輪副傳動。步進電機仍然選擇加減速運行模式，如圖4 所示。不同的地方在于高度角齒輪副傳動中傳動比i3=10。

按照方位角跟蹤機構(gòu)動力設(shè)計過程對高度角跟蹤機構(gòu)進行動力設(shè)計。最后通過以上設(shè)計過程計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

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。當總發(fā)電模組及支架總重量為1500Kg，D=0.146m，h=0.012m 時，計算得A 點的轉(zhuǎn)角為0.237°，此時的撓度為8.53mm。A 點的支反力為7.5KN，彎距為10.3 KN·m。

得到初始設(shè)計的圓管直徑和厚度后，對其進行彎曲應力校核和剪切應力校核。經(jīng)計算校核，選擇的20 號鋼制圓管滿足安全條件，設(shè)計合理。

4.4 仰俯運動仰俯軸設(shè)計

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，進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4.5 方位角齒輪傳動設(shè)計

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力σFlim=270MPa，接觸疲勞極限應力σHlim=605MPa 。

4.5.1 按輪齒彎曲疲勞強度設(shè)計

4.5.2 確定許用彎曲應力

齒輪的許用彎曲應力計算公式為

帶入數(shù)據(jù)計算得: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 確定復合齒形系數(shù)

YFS1=4.68

4.5.6 確定模數(shù)m

4.5.7 計算幾何尺寸

結(jié)束語

本文對雙軸光伏跟蹤機械系統(tǒng)的設(shè)計及運行進行了仿真，確定了總發(fā)電模組的個數(shù)和布置方式，分析并計算了總發(fā)電模組的風載。在此基礎(chǔ)上，對雙軸光伏跟蹤機械系統(tǒng)進行了方位角和高度角跟蹤機構(gòu)動力設(shè)計，系統(tǒng)主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，并可基于Pro/E 進行系統(tǒng)運動仿真。

在考慮成本的情況下，雙軸光伏跟蹤機械系統(tǒng)進行設(shè)計時，應詳細了解市場上成熟的步進電機，減速器的性能及其價格，在充分減低成本的情況下進行方位角和高度角跟蹤機構(gòu)動力設(shè)計。

［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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［3］SALAH ABDALLAH.Two axes sun-tracking system with PLC control［J］.Energy conver sion and management，2004，(45):1931-1939.

［4］張旭東，何海鴻，陳明凱，等.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的雙軸跟蹤器設(shè)計［J］.科技促進發(fā)展，2008，(11):10-11.