太阳跟踪器电动推杆俯仰机构的参数优化_陈元涛.pdf
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1、与固定式安装太阳电池板比较,采用太阳能跟踪系统可使其发电量提高。本文根据太阳跟踪器俯仰机构几何关系,建立了完整太阳跟踪过程中电动推杆承受载荷最小的优化设计模型,通过编写 程序,对俯仰机构的布局参数和机构尺寸进行了优化。算例结果表明,优化的俯仰机构增大了最小传动角,提高了机构的传动性能,降低了电动推杆的载荷,保证了机构性能和可靠性。关键词:太阳跟踪器;俯仰机构;电动推杆;参数优化中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:;太阳跟踪器广泛应用于平板光伏、聚光光伏、定日镜、太阳能槽式收集器等太阳能系统中,通过太阳跟踪机电系统追踪太阳,保证太阳光线垂直入射到光伏平板等太阳收集表面,可大
2、幅提高太阳能光电转换效率,与固定式安装太阳能平板光伏相比,采用太阳能跟踪系统可使其发电量提高 。跟踪器俯仰运动通常由电动推杆组成曲柄摇块机构来实现,通过电动推杆的丝杆伸缩运动驱动太阳能电池板旋转,实现太阳高度角跟踪。电动推杆俯仰机构具有结构紧凑、空间节省、运行精确平稳、维护成本低等优点,是目前太阳能系统应用的主要方案。俯仰机构在武器装备、雷达、起重机械、灭火机械、机器人等领域已广泛应用,机构空间布局方案优化与设计问题一直是研究的重点,而太阳跟踪器电动推杆俯仰机构的研究却较少。由于太阳跟踪器主要承受风荷载,因此针对不同第 期 陈元涛,等:太阳跟踪器电动推杆俯仰机构的参数优化:方向风荷载,必须计算
3、各工况下在完整太阳跟踪过程中电动推杆承力变化情况。鉴于上述分析,本文对太阳跟踪器电动推杆俯仰机构的布局方案和几何参数进行优化设计,建立太阳跟踪器电动推杆俯仰机构完整太阳跟踪过程中电动推杆承受载荷最小的优化设计模型,通过编写 优化程序,优化机构的布局参数和机构尺寸,减小电动推杆的载荷,使机构布置更趋合理,达到减少功率消耗,降低成本,提高经济效益的目的,具有一定实际应用价值。太阳跟踪器电动推杆俯仰机构 太阳跟踪器电动推杆俯仰机构空间布局结构如图 太阳跟踪器电动推杆俯仰机构示意图所示,太阳跟踪器俯仰机构主要由组件阵列、电动推杆、跟踪器支架、推杆支撑座、推杆上支座和俯仰轴组成。组件阵列通过俯仰轴连接在
4、跟踪器支架上,推杆支撑座固定在支架横梁对称轴线处,推杆上支座则固定在组件阵列上。电动推杆的球形铰接通过动铰点 和太阳能组件阵列上的推杆上支座连接,电动推杆的套筒座与推杆支撑座上的铰点 通过销轴连接。当太阳高度角变化时,控制系统控制电机运转带动推杆做直线运动,从而推动动铰点 使得组件阵列绕俯仰轴中心点 做回转运动,同时推杆套筒座绕点 转动,从而通过机构的俯仰运动实现太阳高度角的跟踪。图 电动推杆俯仰机构示意图 建立坐标系 如图)所示,点作为推杆支撑座与推杆套筒座的连接铰点,坐标为(,),点 到电动推杆轴线的距离为,推杆上支座上的动铰点 与组件阵列对称轴的垂直距离为,与组件阵列下平面的距离为。组件
5、阵列的重心位于阵列几何对称轴上,与组件阵列下表面的距离为,且组件阵列的几何对称轴与俯仰轴中心点 重合,点 与组件阵列下表面的距离为,点 位于 轴上,坐标为(,)。组件阵列与 轴所夹锐角 即为太阳高度角,在俯仰运动中,铰点、的连线与组件阵列线速度方向的夹角为,由于推杆两固定位置为铰支座,所以在该机构中推杆可视为二力杆,所以余角 即为电动推杆俯仰机构的传动角,推杆行程为,为推杆安装时套筒座的安装位置参数。动铰点 位置随太阳高度角 变化,坐标为(,),设 点沿组件阵列线速度方向在阵列下平面的投影为点,其坐标为(,)。)电动推杆行程 的计算通过图 中各点间的几何关系,可以建立关于推杆行程的三角函数关系
6、式为 ()()式中为铰点、两者的距离,其表达式为 ()()()机 械 科 学 与 技 术第 卷:()()()式中:;。)电动推杆传动角 的计算 为向量 与 的夹角,设各点坐 标 为(,),(,),(,),角 作为本文中传动角计算的中间参数其计算推导过程为()()()()()()()传动角 是衡量俯仰机构传动性能的重要参数,是铰点、的连线方向与组件阵列线速度方向夹角 的余角,由图 中几何关系可得 ()()太阳跟踪器电动推杆俯仰机构受力分析跟踪器俯仰机构风载荷示意图如图 所示。图 跟踪器俯仰机构风载荷示意图图 中:风作用于组件阵列时,为太阳高度角,为风向角;太阳跟踪器俯仰机构所受的力包括阻力、升力
7、 和俯仰力矩;风载荷受风速、组件阵列几何特征尺寸和空气密度等因素的影响。()()()式中:、和 分别为阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数,其数值参考文献中的风载系数;为空气密度,;为设计风速,;为迎风面的长度,;为迎风面的宽度,。在设计风速的计算中,需对设计风速 的取值进行基准高度、地面粗糙度类别和梯度风风压高度变化修正,其计算公式为 ()()式中:为设计风速,;为风速重现期系数;为与地表类别相关的修正系数;为跟踪装置到地面的距离,;为与地表类别有关的无量纲幂指数;为装置安装地区 年重现的最大风速,。太阳跟踪器在工作时,电动推杆俯仰机构受到的载荷有组件阵列的自重载荷和风载荷,其受力分析如图 所示
8、。图 太阳跟踪器电动推杆俯仰机构受力分析简图点 和点 分别为风正向吹和反向吹的作用点,位于组件阵列的对称轴上,两点与俯仰轴中心点 的距离分别为 和。设任意风向作用时推杆上载荷为,由于在该机构中推杆为二力杆,推杆受力方向沿、两点的连线方向如图 所示,风反向吹与无风载时分别为 和。当俯仰机构匀速跟踪时,在设计风速下风正向吹、反向吹和无风载情况下对点 的合力矩均为零,则有:()()第 期 陈元涛,等:太阳跟踪器电动推杆俯仰机构的参数优化:()式中:、和 分别为在设计风速下风正向吹、反向吹和无风载情况下电动推杆的受力;、和 等为各工况下各力的力臂。当电动推杆受压时为正,反之为负,各项风载系数取值如下表
9、 所示,无风载时各系数取值为零。表 不同风向角下各项风载系数的正负取值表 状态风正向吹 风反向吹 由此可得电动推杆在风正向吹、反向吹和无风载情况下的推杆载荷表达式分别为:()()()()()式中:();();();();。阻力系数、升力系数 和俯仰力矩系数 均受风向角的影响,因高度角 时,跟踪器的迎风面积最大,取其各风向角下的风载系数绘制变化曲线如图 所示。图 时各风载荷系数随风向角 变化由图 可知,当 时,各风载系数的取值最大,相较于侧向来风,在相同风速和高度角风正吹、风反吹跟踪器时俯仰机构受风载的影响最大。故对电动推杆俯仰机构进行受力分析时,选取风正吹和风反吹作为风载荷影响俯仰机构的典型工
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