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光伏跟踪机构的机械装置的最佳设计
Monica Alina Ionităa, Cătălin Alexandrub *
Transilvania布拉索夫大学产品设计，机电一体化与环境系，
29 B-dul Eroilor，500036Braşov，Romania
amonica.ionita@unitbv.ro，bcalex@unitbv.ro（*对应作者）
关键词：光伏模块，跟踪机制，虚拟原型，优化。
抽象。 将太阳能的转换效率提高为电是可再生能源系统领域中最重要的主题之一。 在本文中，选择用于PV平台的伪方位角跟踪机制进行呈现。 该研究集中在跟踪机制的机械设备模型的优化（用MSC的MBS软件环境ADAMS开发）。 优化基于通过使用定义几何约束（即关节）的位置的设计点的模型的参数化。 优化的目的是使由作为线性致动器的驱动源产生的电动机力最小化。 此外，设计约束被用于限制（限制）压力角的值。 优化研究导致跟踪期间能量消耗的最小化，对太阳跟踪器的光伏系统的能量平衡具有积极影响。
介绍
可再生能源系统领域的研究是全球一级的优先事项，因为这些系统为一系列主要问题提供了可行的替代方案：化石燃料的限制性和污染性，全球变暖和温室效应。太阳是可再生能源的最重要来源，目前的技术允许将太阳辐射转换为热能和电能。将太阳辐射转换成电的方法是众所周知的：光伏（PV）效应。 PV系统的能量效率取决于太阳辐射的使用程度，其可以通过使用用于光伏模块[1,2]的定向的跟踪机制而被最大化。跟踪机制可以使光伏系统的能量效率从20％增长到50％[3-13]。
设计跟踪系统的关键是能量效率。如果以下条件得到保证，具有太阳跟踪器的光伏系统是有效的[14]：
ĺ= ET-EF-EC gt;gt; 0，（1）
其中ET是具有跟踪系统的光伏模块产生的电量，EF是由没有定向（固定）的相同模块产生的能量的量，EC定义跟踪中消耗的能量的量。在当前条件下，通过跟踪系统的最优设计的效率参数的最大化成为现代研究和技术中的重要挑战。
跟踪系统实际上是由电动机致动的机构，命令/控制以确保模块相对于天空圆顶上的太阳位置的最佳位置。地球全年描述了围绕太阳的椭圆旋转运动，并且在另一侧，在一天中，围绕其自身的轴线完全旋转。考虑到两个运动（每天和季节），可以将两种基本类型的跟踪机制系统化：单轴，分别为双轴。单轴跟踪机构用于执行日常运动，旋转轴的平行于极轴的仰角，对应于位置的纬度。因此，对于这些系统，需要季节性地调整旋转轴倾斜。双轴跟踪机构组合两个运动（每日和季节性），使得它们确保光伏模块的精确定向，而不需要进一步的定位调整。关于旋转轴如何定位，可以区分出两种类型的双轴系统：赤道系统，其中日运动轴平行于极轴，分别是方位系统，日常运动轴在垂直方向上定向。
本文介绍了集成分析 - 优化 - 通过使用虚拟测试环境的数字软件平台对跟踪系统进行仿真的概念。 研究中的跟踪机制是伪方位系统，其从具有位于水平（南北）的主/日旋转轴的方位角系统导出。 其主要优点是结构的稳定性，其是用于定向光伏模块串（安装在布置在平台型共用框架上的单独串上的模块）的平台的最佳选择。
本文的基本目标包括优化伪方位角跟踪系统，以便通过最小化用于执行跟踪的能量消耗来提高能量效率。 主要原始方面包括对机械模型装置和控制系统使用相同的优化技术（基于参数工具）。 机械装置模型的优化（在MBS概念（多体系统）中用ADAMS软件环境开发）以使跟踪所需的电机力最小化（确保最小能量消耗）为目标，同时优化控制系统， 这将在未来的论文中提出，目标是跟踪误差的最小化（以这种方式增加入射太阳辐射的量）。
优化跟踪机制
典型的虚拟原型平台包括以下类型的软件解决方案[15,16]：CAD-计算机辅助设计（例如CATIA，PROENGINEER，SOLIDWORKS），MBS-多体系统（例如ADAMS，PLEXUS，SD- ，有限元分析（例如COSMOS，ANSYS，NASTRAN / PATRAN）和DFC-控制设计（例如EASY5，MATLAB / Simulink，MATRIXx）。 MBS软件是虚拟原型平台的主要组件，它允许在“真实”操作条件下分析，优化和模拟机械系统[17,18]。
CAD软件用于创建机械系统的几何模型（即实体模型）。此模型包含有关刚性部件的质量和惯性属性的信息。实体模型可以使用各种标准格式文件（例如IGS，DWG，DXF，STEP或PARASOLID）从CAD导出到MBS。为了导入刚性部件的几何形状，MBS软件读取CAD文件并将几何形状转换成一组MBS几何元素。 FEA软件用于对机械系统中的柔性体进行建模。将柔性集成到模型中允许在模拟期间捕获惯性和顺应性效应，研究柔性部件的变形，并且以更高的精度预测负载，因此获得更现实的结果。在现代概念中，机械系统被称为机电系统，其集成了力学，电子和信息技术。机电系统由一些具有基本功能的单元组成，它们在它们之间相互作用以形成具有给定功能的复杂系统。 DFC软件直接与MBS软件交换信息（来自MBS的输出被输入用于DFC，反之亦然），机械模型和控制系统通过来回传递状态变量来通信。
如上所述，本文的主要目的是优化伪方位角跟踪系统，以便通过最小化跟踪期间的能量消耗来增加能量效率。 为此，已经使用包括在ADAMS软件包的通用预处理接口（View）中的参数优化技术。 参数化优化基于以下阶段：参数化模型，定义设计变量，定义目标函数（设计目标）和设计约束，执行参数化设计的研究以识别主要设计变量（对于 目标函数），并且基于主设计变量（识别这些变量的最优值）执行优化研究。
虚拟模型的参数化允许简化对象（例如，主体，限制，力）的改变操作，因为其有助于自动重新定位，重新定向和重新确定对象。 通过参数化，在模型中创建关系，使得当对象修改时，依赖于它的其他对象被自动适应。 这些点代表参数化模型的最简单的方法。 通过点，可以在模型内定义重要的位置，在其上构建各种对象。 当设计点的位置改变时，链接到该点的对象将自动链接。 表达式是所有参数化的基础。
设计变量允许定义可以连接各种对象的独立参数（例如，条的长度可以作为这样的变量存储，这允许对于几个主体保持相同的长度）。 使用设计变量，可以执行参数分析，其允许识别设计敏感性并建立对设计目标具有最高影响的变量。 参数设计描述了选择设计变量（例如条的长度）的能力，然后在一定范围的值内扫描以模拟用于理解整个系统对这些设计变化的灵敏度的各种设计的行为。 这允许识别设计敏感性，并建立对系统行为具有很大影响的变量。
优化目标在于识别系统行为对其最优的设计变量的值。 目标函数基于其所关注的参数（例如运动，力）的时间变化所遵循的度量来定义。 该度量是允许调查系统特征的行为的ADAMS特定对象。 目标函数（也称为功能成本或性能指数）是评估系统行为的数值量化，当目标函数被最小化或最大化时，确保最优设计。
在本文中，在单轴变体（针对日常运动）中针对伪方位角跟踪系统进行了示例。 研究中的跟踪系统通过使用基于多体系统（MBS）理论的结构合成方法来实现[19,20]。 通过使用多标准分析，从多个结构解决方案中选择用于研究的系统的解决方案，涉及跟踪精度，运动幅度和系统的复杂性的解决方案的评估标准 从制造和实施的角度）。
跟踪机制的实体模型是通过使用CAD环境CATIA开发的。 从CATIA到ADAMS的几何传输通过使用ADAMS / Exchange接口的STEP（产品模型数据交换标准）文件格式进行。 STEP格式通过专用语言（Express）描述产品的级别，其建立STEP文件和CAD模型之间的对应关系。 在导入gemetry后，跟踪机制的MBS模型是在ADAMS /视图中通过建模身体（即关节）之间的几何约束和力元素开发的。
该机构跟踪包含4个模块（每个串设置2个）的PV平台，活动表面为5.04m 2。整个移动结构（包括模块和支撑框架）具有45kg的质量。伪方位角跟踪系统（在ADAMS / View中开发）的机械装置的MBS虚拟模型如图1所示。该系统由线性致动器致动，该运动通过四杆机构传递到平台。致动器部件通过球形接头（A，C）连接到相邻元件（连杆机构的固定柱和输入/下部元件）。致动器部件（气缸和活塞）之间的连接被建模为圆柱形接头（B），而支撑框架（平台）在每一端通过代表轴承的旋转接头（G，G#39;）连接到前柱和后柱（显然，这些关节中的一个是运动学被动的）。四杆机构用作行程放大器，允许以这种方式使用具有小尺寸（行程）的致动器。
跟踪系统的参数化基于定义机构的结构模型的设计点，换句话说，通过其限定关节的位置的点。 柱（A，D，G-G#39;）上的关节的坐标专门由建设性标准确定。 在这些术语中，可用于优化点C，E和F的坐标（点B将导致方向AC）。 致动机构（包括线性致动器环路-ABCD和四杆机构环路DEFG）设置在垂直 - 横向平面（YZ）中，并且为了保持这种布置，仅感兴趣点的垂直和横向坐标将是 作为设计变量。
以此方式，获得6个设计变量，其将在优化过程期间控制跟踪机制模型，如下：DV_1→YC，DV_2→ZC，DV_3→YE，DV_4→ZE，DV_5→YF，DV_6→ZF。
每个设计变量通过初始（标准）值和相对小的变化域（相对于初始值的plusmn;20mm）来定义，关于将系统维持在可接受的建构性限制中。 跟踪机制的结构方案如图2所示，强调了在优化过程中可变的点/坐标。
图 2.跟踪机制的结构方案。
为了保持致动器部件（活塞和气缸）之间的圆柱形接头的相对位置和取向，使用以下表达式来定义限定该接头的坐标系：LOC_RELATIVE_TO（{0,0,0}，POINT_B） - 用于 位置（该函数建立定义关节相对于点B的位置的坐标系位置），ORI_ALONG_AXIS（POINT_A，POINT_C，“Z”） - 用于定向（该函数建立局部坐标系的平移轴的定向 在点A和C的方向）。
另一方面，定义了控制压力角值的设计约束，该压力角值是在由杆EF施加在四杆机构的输出元件FG上的力的矢量（该矢量与EF共线）之间测量的 ）和输出元件的F中的线速度矢量（该矢量与FG正交）。 为了安全功能，压力角的最大值限制为70ordm;。 在ADAMS中，进行约束的符号具有非常重要的意义：如果约束是正的，则它被侵害，如果它是负的，则该约束不被侵犯。 在这些术语中，通过从最大接受值（“pressure_angle_limit = 70-pressure_angle”）中减去压力角的当前值的函数类型测量来定义设计约束。
用于优化跟踪系统的机械装置的设计目标是最小化用于产生PV平台的施加轨迹（每日运动）的马达力，设计目标的监测值是均方根（RMS）期间 模拟。
在我们的例子中，问题陈述可以用这种方式表达： - 设计变量：at = [a1，a2，a3，a4，a5，a6] t
其中：a1和a2是YC和ZC（输入元件和活塞之间的接合位置的轴“y”和“z”的坐标）; a3和a4-YE和ZE（输入元件和杆之间的接合位置的轴“y”和“z”的坐标）; a5和a6-YF和ZF（输出元件和杆之间的接合位置的轴“y”和“z”的坐标）
- 设计变量的上限和下限：
Ři = (ai)L –ai le;0, i = 1, hellip;, 6 Ři 6 = ai – (ai)H le;0, i = 1, hellip;, 6
a1 = 1101; (a1)H = 1121; (a1)L =1081
a2 = 296,52; （a2）H = 316,52; （a2）L = 276,52
a3 = 1157,97; （a3）H = 1177,97; （a3）L = 1137.97
a4 = 538,36; （a4）H = 558,36; （a4）L = 518,36
a5 = 1626,86; （a5）H = 1646,86; （a5）L = 1606,86
a6 = 157,56; （a6）H = 177,56; （a6）L = 137,56
- 设计约束：
Ři= hi（y，a，t）le;0（在我们的例子中只是不等式的问题）
Ři=acirc;，其中acirc;是“pressure_angle_limit = 70 - pressure_angle”
- 设计目标：最小化Ř0= f（y，a，t）
其中Ř0是用于产生PV平台的施加轨迹的电机力。
对于本文，将使用ADAMS / View提供的最优设计算法执行优化研究; 以这种方式，不需要开发用于数值优化的程序。
在日间照明期间，PV平台可以从日照（东）旋转到日落（西），而不用制动，或者可以不连续地驱动（逐步运动），每日运动的最大角度场为180° （相对于太阳中午位置90。）。 连续跟踪允许获得最佳入射，但是它也产
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