摘要：通过对方位角和高度角的两个传动系统的载荷特性分析，设计了方位角和高度角两方位的机械传动系统，并通过计算分析，验证了设计机械传动系统的合理性。并通过PLC分别控制方位角和高度角的驱动系统，从而带动执行机构转动相应的角度，精确跟踪太阳。
0引言
太阳能跟踪控制系统作为太阳能发电机组的重要组成部分，对提高太阳能的发电效率有着极其重要的意义，其跟踪误差对太阳能发电机组的影响很大。目前，国内外太阳能热发电装置的跟踪系统按照跟踪方式的不同大致可分为光电跟踪、视日运动轨迹跟踪以及两者的混合跟踪。设计了碟式太阳能热发电装置双轴跟踪系统，通过PLC分别控制方位角和高度角的驱动系统，从而带动执行机构转动相应的角度，精确跟踪太阳。
1 双轴驱动系统的设计
双轴跟踪系统主要由方位角调节机构、高度角调节机构等组成，两个伺服电机是系统运动的驱动动力源，分别对方位角和高度角调节机构进行控制，即可控制系统对日跟踪运动，图1所示为双轴驱动系统结构图。方位角调节机构采用交流伺服电机驱动，通过行星齿轮减速器、一级涡轮蜗杆减速器驱动回转轴承带动太阳能集热器绕旋转中心旋转，减速器的总传动比为1：93600。俯仰角调节机构采用交流伺服电机驱动，通过行星齿轮减速器、螺旋升降机驱动丝杆带动太阳能集热器来实现俯仰角的变化，减速器总传动比为1：512。工作时，双轴驱动装置能依据太阳的运行轨迹，使整个装置绕方位轴转动从而改变方位角，绕高度轴作俯仰运动从而改变高度角，使太阳光线始终与太阳接收聚光器垂直，光热始终聚集在斯特林热机焦点上。
2传动系统载荷分析
根据太阳能发电装置设计要求，当风力达到8级时仍能正常运转，因此本文按8级风速计算传动系统的载荷。
2.1方位角传动系统载荷分析
方位角驱动机构采用交流伺服电机驱动，通过行星减速器、一级涡轮蜗杆减速器、回转机构带动太阳能聚光器绕方位轴旋转。在工作时，方位角驱动运行时需要克服的阻力矩有旋转支撑摩擦阻力矩、风载阻力产生的摩擦力矩、风载侧向力产生的阻力矩以及惯性力矩等，由于方位角方向运行速度低，惯性力矩忽略不计。根据分析，当聚光镜处于垂直位置，风的方向与聚光镜成45°时方位角阻力矩T最大。其方程表示式如下：
（2.1）
式中：
—旋转支撑摩擦阻力矩；
—风载阻力产生的摩擦力矩；
—风载侧向力产生的阻力矩。
①转支撑摩擦阻力矩Tm：
（2.2）
式中：
—立柱上部支撑重量，
；
¬—滚动轴承阻力系数，
，
—回转半径，
。
②风载阻力产生的摩擦力矩
：
（2.3）
式中，
为聚光镜处于垂直位置，即高度角为90°，风的方向与聚光镜中心线成
角时风力在水平方向的作用力，如图3所示。
其中
（2.4）
式中
为风的密度，
；
为风速，
；A为聚光镜有效投影面积，
；
为风阻力系数，
。
因此：
②向风力产生的阻力矩
：
当风的方向与镜面轴线成45°角，高度角为90°时，此时侧向风力产生的阻力矩最大，依据文献[8]得到侧面风阻力系数
为1.05。风载阻力矩
可用下式表示：
（2.5）
式中，
为侧向风阻力；
为侧向风力中心至立柱中心距离，
。
其中
因此
根据以上计算，可得方位角阻力矩
2.2方位角驱动系统的选型
选配交流伺服电机作为驱动装置，通过行星齿轮减速器、一级涡轮蜗杆减速器驱动回转轴承带动太阳能集热器绕旋转中心旋转。总传动比为i=104×36×25=93600。总的传动效率为
。由此可得输出扭矩：
由此可知，
，选取的驱动系统能够克服方位角的阻力矩，满足条件。
2.3高度角传动系统载荷分析
高度角驱动机构同样采用交流伺服电机驱动，通过行星减速器、螺旋升降机带动俯仰机构实现高度角的变化。在工作时，高度角驱动系统需要克服的载荷有水平风力对聚光镜中心产生的阻力矩、升力产生的阻力矩、与立柱中心线聚光镜同平面的翻转力矩、侧向阻力矩以及重力产生的阻力矩等。由于侧向力与高度角转动轴心线平行，其侧向阻力矩可忽略不计，设机构重心落在立柱轴心线上，重力产生的阻力矩略去不计。
聚光镜的高度角变化时，风力产生的阻止高度角方向转动的阻力矩变化很大，根据分析，高度角为
，风力方向水平时，阻力矩最大。因此，分析高度角为
时高度角驱动系统需要克服的阻力力矩。其表达式表示如下：
（2.6）
式中，
为翻转力矩；
为阻力产生的阻力矩；
为升力产生的阻力矩。
①转力矩
：
翻转力矩与聚光镜结构密切相关，特别是聚光镜
值的大小有较大关系，
为镜面厚度，
为镜面直径。
（2.7）
式中，在高度角为
时，
为0.15；由碟式太阳能结构设计可得
。
②力产生的阻力矩
：
（2.8）
式中，
为阻力中心至高度角转动中心距离，
；
为高度角，
，。
其中：
式中，
是高度角为
时的阻力系数，
。
③升力产生阻力矩
：
（2.10）
其中，
（2.11）
式中，
为高度角为
时的升力系数，
。
由此可得：
结合以上各式可得：
③高度角丝杆推力：
镜面结构与桁架结构及斯特林发动机构成一个整体，通过铰轴铰接在
点，
为风力产生的阻力矩，
为丝杆，丝杆一端铰接在立柱上方
点，另一端与桁架铰接于
点，根据碟式太阳能热发电系统的结构设计，
为
，
，当高度角为
时，根据ProE软件计算出
，由此求出此时
长为
，求出
。
当风力到达8级时，则
（2.12）
则推杆推力：
（2.13）
选择推杆时额定推力为100KN，满足8级风高度角跟踪要求。
2.4高度角驱动系统选型
选配交流伺服电机作为驱动装置。通过行星减速器、螺旋升降机带动俯仰机构实现高度角的变化。传动效率分别为
、
，丝杆传动效率
。
根据功率相等原则，作用在螺母上的力矩设为M，丝杆推力设为
，则理论上：
（2.14）
设丝杆导程为
，
故
，代人（2.16）式：
又因为
（2.15）
式中，
为电机额定转矩，
。则
所以 
由此可知，
，选取的高度角驱动系统能够克服该方位的阻力矩，满足条件。
3 结论
通过对方位角和高度角两个传动系统的载荷特性分析，设计了方位角和高度角两方位的机械传动系统，并通过计算分析，验证了设计机械传动系统的合理性。实现了基于PLC的自动控制电路设计，结合硬件电路设计，编写了相关的控制程序对该方案进行实验验证，满足跟踪控制要求，能够实现对日的自动跟踪。现场调试与实验室调试结果的一致性，表明了该方案的可行性与有效性。
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论文作者:刘贤群
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
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