Siemens PLM Sortware征文：基于UG和ANSYS有限元技术的太阳光伏发电跟踪系统设计

    1前言
   
    随着我国经济建设的发展，公众环保意识的提高，清洁能源特别是可再生能源的开发和利用已受到极大的关注。太阳能光伏发电以其清洁、安全、资源充足及潜在的经济性等特点，将逐步由"补充能源"向全社会的"替代能源"过渡，成为人类的基本能源之一。太阳能电池板的效率偏低导致光伏发电系统成本过高，是困扰其长足发展的主要原因。光伏发电自动跟踪系统能自动跟踪太阳的高度角与方位角，使太阳光线始终垂直入射在光伏阵列的表面以获取最大发电效率。跟踪系统中效率较高、普遍实用的为双轴、斜单轴跟踪系统。光伏发电自动跟踪系统性能的优越程度对光伏发电统的性能影响至关重要。跟踪系统包括电动推杆、旋转轴、蜗轮、蜗杆、轴承、丝杆、谢波减速器等传动零件，整套光伏系统的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与跟踪系统的工作情况有关。目前在国内跟踪系统的设计过程中，设计人员需要从有关的工程手册或设计规范中查找各种系数，并套用经验公式，然后再进行计算。设计步骤基本类似，需要进行重复繁琐的计算。为了快速、高效的进行跟踪系统设计，就有必要将设计步骤程序化和编程实现跟踪系统参数的自动化计算和图形输出[1-3]。这就需要一种功能强大的三维绘图软件，进行二次开发。而Unigraphics(简称UG)是全球主流CAD系统，是计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程和产品数据管理一体化的软件系统之一。该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟[4-6]。另外它所提供的应用开发语言UG/OPENGRIP和程序集UG/Oi)enAPI功能强大，便于用户开发专用CAD系统。所以在UG基础上开发跟踪系统CAD系统就非常便捷和实用。
   
    2跟踪系统CAD系统的设计
   
    利用UG二次开发工具及应用程序编程接口，通过VC十十编程和UG系统的无缝集成，开发出一个光伏自动跟踪系统CAD系统，以实现跟踪系统快速、合理的设计，所设计的跟踪系统CAD系统的组成如图1所示。
   

    
    2.1建立用户菜单和用户对话框、读入初始数据
   
    用户菜单和用户对话框可以分别通过UG提供的UG/Open MenuScript和UG/Open UIStyler来实现。通过VC++建立新工程，并将由UIStyler创建对话框时所自动生成的3个文件(FileNew·dlg、FileNew.h和FileNew一template)包含进来。并在文件FileNew一template.c中添加函数UF_STYLEB_askvalue（dialog_id,&value）等即可读人初始数据。
   
    2.2设计计算
   
    设计计算部分所要做的工作就是将用户的设计需求(即用户输人的初始数据)依据跟踪系统的设计理论通过经验公式，计算转换为跟踪系统的主要尺寸参数。通过对对话框回调函数内部程序的编制，定义变量和UF对象，从而将用户的设计需求转换为跟踪系统的主要尺寸参数。
   
    2.3强度校核
   
    强度校核针对跟踪系统的特点，在VC++中根据跟踪系统的主要尺寸参数对电动推杆、旋转轴、轴承、丝杆、丝母等主要受力部件进行必要的强度校核，并对因受力不均易产生疲劳裂纹的蜗轮、蜗杆进行应力分析，以检验其是否符合使用条件。本文采用了整体模型来进行有限元分析。用网络自动生成技术产生有限元网格，网格生成器为UGVM，单元类型为十节点四面体实体单元，最大雅可比矩阵值为20。
   
    2.4曲线光顺处理
   
    由于光顺问题的复杂性,纯粹用数值计算的方法光顺曲线是无法取得理想效果的,因此本课题在UGⅡ的环境中进行二次开发,提供人工交互方式光顺曲线的辅助工具。其主要辅助工具如下:生成曲线的曲率图;对人工交互方式确定的待光顺区域进行型值点修正;生成新的曲线。整个曲线光顺处理过程由4部分组成:首先,通过调整曲线曲率的缩放比例、曲率点的密度生成曲线的曲率图。其次,在曲线曲率图上确定曲线上的不光顺区域。再次,对待光顺区域内的型值点进行修正。最后,用新生成的修正型值点代替其对应的原始型值点,重新插值曲线,并分析两曲线间的距离误差,如果符合要求,就保存新生成的曲线;如果在新生成的曲线曲率图上还存在不光顺区域,则重复上述步骤。
    

    
    2.5工程图输出
   
    对检验合格的跟踪系统如果需要，就可以直接输出加工制造所需要的工程图纸。双轴和斜单轴跟踪系统原理图分别如图2和3所示。