光热发电装置的太阳跟踪机构的结构设计与运动分析

摘要

随着人类工业化的发展,面对石油和煤炭等矿物燃料日趋枯竭的严重威胁,对可再生能源的开发利用已经成为当今的世界性问题。太阳能作为一种洁净的能源,具有普遍存在、利用清洁、使用经济等优点,同时又是可再生能源,有着化石能源所无法比拟的优越性。但由于太阳能的低密度、间歇性、分布空间变化不断,使得目前太阳能装置的利用率普遍不高。如何提高太阳能的利用率已成为世界关注的问题。研究表明,太阳能设备对太阳光线运动的跟踪与非跟踪,其能量的接收率相差37.7％。因此,太阳能设备对太阳的跟踪成为国内外学者研究的热点之一。
　　目前已经存在很多太阳跟踪装置。主要有单轴跟踪和双轴跟踪,对现有跟踪装置分析发现,应用于气象观测的太阳跟踪装置跟踪范围大,精度高,其它民用太阳跟踪装置普遍存在跟踪范围较小,占用空间较大,结构刚度不好的缺点。本文采用高度角—方位角全跟踪方式,设计一种双轴太阳跟踪装置。以天津地区(其他地区计算方法相同)为例,根据高度角和方位角计算公式,给出了跟踪机构高度角和方位角的变化范围,为机构设计提供了依据。经过机构构型分析,确定了太阳跟踪装置的机构及其自由度。利用D-H法建立了机构的运动模型,给出了位置正解的数值算法;根据机构几何关系求解了机构位置反解。利用Pro/e软件完成了太阳跟踪装置的结构设计以及虚拟样机的装配,并利用Pro/e Mechanism模块对太阳跟踪装置进行了仿真和干涉检测,以及验证高度角和方位角范围,完成了结构的无干涉设计。在此基础上,利用MATLAB对聚光器进行了速度仿真分析,验证了机构运行平稳。根据所设计的结构,进行机构的传动分析及传动设计,选择合适的电机。最后利用有限元分析软件ANSYS对关键结构进行了静力学分析,验证了结构的强度。
　　理论计算和方针分析表明,所设计的太阳跟踪装置跟踪范围广,结构紧凑,结构强度大,能很好地满足民用太阳能设备,其设计理论和方法对于其他跟踪装置的设计与开发也有借鉴和参考价值。

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第一章 绪论

§1-1 研究太阳能跟踪装置的意义

§1-2 太阳能发电的方式

§1-3 太阳跟踪装置的跟踪方式

§1-4 国内外的研究现状和发展趋势

§1-5 本文的主要研究内容和意义

第二章 太阳跟踪机构的构型分析及其运动学模型建立

§2-1 二轴跟踪机构的构型分析

§2-2 机构运动学的正反解分析

§2-3 本章小结

第三章 二轴跟踪机构的结构设计和运动仿真

§3-1 Pro/Engineer简介

§3-2 二轴跟踪机构的结构设计

§3-3 机构在Pro/Engineer中的仿真分析

§3-4 MATLAB中的速度仿真

§3-5 本章小结

第四章 二轴跟踪机构的传动分析和结构静力学分析

§4-1 二轴跟踪机构的传动动力分析

§4-2 传动装置设计

§4-3 步进电机的选型

§4-4 主要零件的静力学分析

§4-5 本章小结

第五章 结论与展望

§5-1 结论

§5-2 展望

参考文献

致谢