徐樂　劉開生

摘要碟式太陽能集熱發(fā)電的效率最高、開發(fā)潛力最大，但其設(shè)備在工作時需要對太陽的位置進行跟蹤，該跟蹤精度直接影響設(shè)備的發(fā)電效率，這就對碟式太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的傳動機構(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。該文對一種碟式太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的傳動機構(gòu)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(gòu)驅(qū)動零部件的主要動力指數(shù)。根據(jù)分析結(jié)果，最終得到設(shè)備運行的動力特性曲線，為進一步了解和優(yōu)化機構(gòu)跟蹤提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞碟式太陽能；傳動機構(gòu)；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(fā)展前景廣闊。而碟式太陽能技術(shù)是太陽能熱發(fā)電技術(shù)中光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換系統(tǒng)中。由于碟式聚焦器結(jié)構(gòu)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(tǒng)的精度及自動化需求較高，同時對自動跟蹤系統(tǒng)的傳動機構(gòu)提出了較高的要求。國內(nèi)新型的聚焦器技術(shù)的研究現(xiàn)狀表明，可投產(chǎn)使用的蝶式太陽能設(shè)備一般為大功率設(shè)備，這就要求設(shè)備的驅(qū)動力更大，而過大的驅(qū)動難以實現(xiàn)，這就要求在設(shè)計蝶式太陽能自動跟蹤系統(tǒng)時，采用更好的機構(gòu)配置來降低驅(qū)動無用功，有效利用創(chuàng)新技術(shù)，進一步優(yōu)化性能和結(jié)構(gòu)，減小誤差，提高精度，降低成本。

1蝶式太陽能自動跟蹤系統(tǒng)三維模型

研究對象為1 kW蝶式太陽自動跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由工作平臺、高度角傳動機構(gòu)、方位角傳動機構(gòu)3大硬件部分組成。要對設(shè)備進行動力學分析，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(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為吸熱器機構(gòu)圖，內(nèi)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(chǔ)，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(diào)遞減趨勢的。雖然圖面顯示其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)這種情況的主要原因在于，蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)放置于水平面上運行，機構(gòu)輸出軸垂直于水平方向。從理論上講，該傳動機構(gòu)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(zhuǎn)運行的過程中，蝸桿角速度變化是時刻變化的，且兩側(cè)蝸桿變化情況相同，由于慣性的作用，蝸桿轉(zhuǎn)速的時變性必然會引起其受力的隨機波動。

④蝸桿最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在夏至當日12∶36時，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)動力條件，為驅(qū)動設(shè)置提供了直觀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4結(jié)論

（1）使用ADAMS軟件對某1 kW蝶式太陽能自動跟蹤系統(tǒng)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(gòu)進行傳動。

（2）仿真結(jié)果顯示，高度角方向最大驅(qū)動轉(zhuǎn)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(qū)動轉(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)使用的蝶式太陽能設(shè)備一般在20～50 kW之間，這就要求設(shè)備的驅(qū)動力很大，而過大的驅(qū)動難以實現(xiàn)，這就要求在設(shè)計蝶式太陽能自動跟蹤系統(tǒng)時采用更好的機構(gòu)配置來降低驅(qū)動無用功，提高驅(qū)動效率。

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

參考文獻

[1]

ZAWADSKI A，COVERNTY J.Paraboloidal Dish Solar Concentrators for MultiMegawatt Power Generation[R]. Beijing：Solar World Congress，2007.

[2] 何堅. 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的模型構(gòu)建和優(yōu)化研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2011.

[3] 拓耀飛， 李少宏. 基于彈性動力學的絲杠螺母機構(gòu)動態(tài)傳動精度分析[J]. 延安大學學報， 2006， 25（3）： 42-45.

[4] 劉威. 普通蝸輪蝸桿傳動建模和穩(wěn)態(tài)傳動仿真分析[J]. 水雷戰(zhàn)與艦船防護， 2012， 20（2）： 39-44.

[5] 徐宏， 吳彥峰. 一種用于太陽跟蹤的自適應(yīng)回轉(zhuǎn)裝置：中國，201120140421.6[P].2011-05-06.