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光伏机械跟踪装置的优化设计
Monica Alina Ionităa, Cătălin Alexandrub *
Department of Product Design, Mechatronics and Environment, Transilvania University of Brașov,29 B-dul Eroilor, 500036 Braşov, Romania
monica.ionita@unitbv.ro, calex@unitbv.ro（通讯作者）
关键词：光伏组件；跟踪装置；虚拟样机；优化
摘要：提高太阳能向电能的转化效率是可再生能源系统领域最受关注的课题之一。在这篇论文中，选择PV平台的伪方位跟踪装置来介绍。这篇论文重点研究对跟踪装置的机械模型的优化（用 MSC 的 MBS 软件环境 ADAMS 开发）。通过使用定义几何约束（即：关节）位置的设计点，基于模型的参数化进行优化。优化的目标是使驱动源即线性执行器产生的电机力最小。此外，使用设计好的约束条件来限制（限定）压力角的值。通过优化研究，实现跟踪过程中能量消耗的最小化，这会对太阳能光伏系统的能量平衡产生积极的影响。
引言
可再生能源系统的研究是全球的当务之急，因为可再生能源系统为解决化石燃料的限制和污染特性、全球变暖、温室效应等一系列主要问题提供了可行的替代方案。太阳是最重要的可再生能源，目前的技术允许将太阳辐射转化为热能和电能。将太阳辐射转换成电能的方法众所周知：光伏 (PV) 效应。光伏系统的能效取决于太阳辐射的使用程度，通过使用光伏模块定向的跟踪装置可使太阳辐射最大化[1, 2]。这种跟踪装置可以使光伏系统的能量效率从20%提高到50%[3-13]。
跟踪系统设计的关键是能量效率。如果下列条件得到保证，则配备太阳跟踪器的光伏系统是有效的[14]：
ε = ET - EF - EC gt;gt; 0, (1)
其中 ET是配备跟踪系统的光伏模块产生的电量，EF是相同模块无定向（固定）产生的电量，EC是跟踪中消耗的电量。在现有条件下，通过对跟踪系统的优化设计实现效率参数的最大化成为现代科学技术研究中的一个重要挑战。
跟踪系统实际上是由电动机致动的机构，被命令/控制以确保模块相对于天空上的太阳位置处于最佳位置。地球在一年中完成了围绕太阳的椭圆旋转运动，而在另一方面，在一天中，地球围绕其自转轴完全旋转。考虑到两种运动（日间和季节），可以将两种基本的跟踪装置系统化：分别为单轴，双轴。单轴跟踪装置用于执行日常运动，旋转轴的仰角是平行于极轴且对应于位置的纬度的。因此，对于这些系统，需要对旋转轴倾斜进行季节性调整。双轴跟踪机构结合了两种运动（日间和季节），因此它们确保了光伏模块的精确定向，而无需进一步的定位调整。关于旋转轴如何定位，可以区分两种类型的双轴系统：分别为赤道系统和方位系统，赤道系统的日运动轴平行于极轴，方位系统的日运动轴垂直定向。
通过数字化软件平台进行了虚拟环境测试，提出了对跟踪系统进行集成分析和优化仿真的概念。研究中的跟踪机制是伪方位角系统，其衍生自方位角系统，其主/日旋转轴位于水平（南北）。其主要优点是结构的稳定性，它是用于定向光伏模块串的平台的最佳选择（安装在单个串上的模块，其布置在平台型公共框架上）。
本文的基本目标包括优化伪方位角跟踪系统，以便通过最小化执行跟踪的能耗来提高能效。主要初始方面包括对机械模型设备和控制系统使用相同的优化技术（基于参数化工具）。利用ADAMS软件环境在MBS概念（多体系统）中开发的机械设备模型的优化，旨在最小化跟踪所需的电机力（确保最小的能量消耗），同时优化控制系统，将在之后的一篇论文中提出，目标是最小化跟踪误差（以这种方式增加入射太阳辐射的量）。
优化跟踪装置
典型的虚拟原型开发平台包括以下几种的软件解决方案[15,16]：CAD - 计算机辅助设计（例如CATIA，PROENGINEER，SOLIDWORKS），MBS - MultiBody系统（例如ADAMS，PLEXUS，SD-EXACT），FEA - 有限元分析（例如COSMOS，ANSYS，NASTRAN / PATRAN）和DFC - 控制设计（例如EASY5，MATLAB / Simulink，MATRIXx）。MBS软件是虚拟原型制作平台的主要组成部分，它允许在“实际”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）。该模型包含有关刚性部件的质量和惯性属性的信息。可以使用各种标准格式文件（例如IGS，DWG，DXF，STEP或PARASOLID）将实体模型从CAD导出到MBS。要导入刚性零件的几何图形，MBS软件将读取CAD文件并将几何图形转换为一组MBS几何元素。FEA软件用于对机械系统中的柔性体进行建模。将灵活性集成到模型中可以捕获模拟过程中的惯性和顺应性效应，研究柔性组件的变形，并以更高的精度预测负载，从而获得更真实的结果。在现代概念中，机械系统被用作机电系统，集成了机械，电子和信息技术。机电一体化系统由一些具有基本功能的单元构成，这些单元用于在它们之间进行交互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（MBS的输出是DFC的输入，反之亦然），机械模型和控制系统通过来回传递状态变量进行通信。
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提高能量效率。为此，参数优化技术包含在使用（查看）ADAMS软件包的通用预处理接口中。参数优化基于以下阶段：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，执行参数化设计研究以识别主要设计变量（对其具有重大影响）目标函数），并根据主要设计变量（确定这些变量的最佳值）进行优化研究。
虚拟模型的参数化允许简化对象的更改操作（例如，主体，限制，力），因为它有助于自动重新定位，重新定向和重新定义对象。通过参数化，在模型中创建关系，以便当对象修改依赖于它的其他对象时自动适应。这些点代表了参数化模型的最简单方法。通过点，可以在模型中定义重要位置，在其上构建各种对象。更改设计点的位置时，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，条的长度可以存储为这样的变量，这允许为多个体保持相同的长度）。使用设计变量可以进行参数分析，这样可以识别设计灵敏度并建立对设计目标影响最大的变量。参数化设计描述了选择设计变量（例如条的长度）的能力，然后在一系列值中对其进行扫描，以模拟各种设计的行为，以理解整个系统对这些设计变化的敏感性。这样可以识别设计敏感度，并建立对系统行为有很大影响的变量。
优化目标在于识别系统行为最佳的设计变量的值。目标函数是基于一种度量来定义的，通过该度量，可以跟踪感兴趣的参数（例如，运动，力）的时间变化。该度量是ADAMS特定对象，允许调查系统功能的行为。目标函数，也称为功能成本或性能指标，是评估系统行为的数值量化，当目标函数逐个最小化或最大化时，确保最优设计。
在本文中，在单轴变体（用于日常运动）中对伪方位角跟踪系统进行了示例。研究中的跟踪系统是通过使用基于多体系统（MBS）理论的结构合成方法获得的[19,20]。通过使用多准则分析从多种结构解决方案中选择系统的解决方案，解决方案的评估标准涉及跟踪精度，运动幅度和系统的复杂性（从制造和实施的角度来看）。
通过使用CAD环境CATIA开发了跟踪机制的实体模型。使用ADAMS / Exchange界面，通过STEP（产品型号数据交换标准）文件格式进行从CATIA到ADAMS的几何转移。STEP格式通过专用语言（Express）描述产品级别，该语言建立STEP文件和CAD模型之间的对应关系。导入几何图形后，跟踪机制的MBS模型是在ADAMS / View中通过建模体（即关节）和力元素之间的几何约束来开发的。
该装置跟踪包含4个模块（每排2个）的PV平台，活动表面为5.04平方米。整个移动结构（包括模块和支撑框架）的质量为45千克。伪随机跟踪系统（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（固定支柱和连杆机构的输入/下部元件）。之间的联系，致动器部件（气缸和活塞）被建模为圆柱形接头（B），而支撑框架（平台）的每一端通过旋转接头（G，G#39;）连接到前部和后部支柱，代表轴承。（显然，其中一个关节在运动学上是被动的）。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。
图 1. 跟踪装置的MBS模型
跟踪系统的参数化是基于定义机构结构模型的设计点，也就是定义关节位置所经过的点。立柱 (A、D、G-G) 上的接缝坐标完全按照建设性标准确定。在这些条件下，可以优化点 C、E 和 F 的坐标（点 B 将指向 AC 方向）。执行机构（包括线性致动器回路-ABCD 和四连杆机构回路-DEFG）布置在垂直-横向平面 (YZ) 中，为保持这种布置，将仅考虑兴趣点的垂直和横向坐标作为设计变量。
通过这种方式，获得了6个设计变量，用于控制优化过程中的跟踪机制模型，如下所示：DV_1 →YC, DV_2 → ZC, DV_3 → YE,
DV_4 → ZE, DV_5 →YF, DV_6 → ZF。
通过初始（标准）值和相对较小的变化
域（相对于初始值为 20 mm）定义每个设计
变量，以保持系统处于可接受的构造极限。 图 2. 跟踪机构的结构方案。
图2显示了跟踪机构的结构方案，强调了优
化过程中可变的点坐标。
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方向，使用以下表达式对定义该接头的坐标系进行参数化：LOC_RELATIVE_TO（{0,0,0}，POINT_B） - 用于location（函数建立坐标系位置，定义关节相对于B点的位置），ORI_ALONG_AXIS（POINT_A，POINT_C，“Z”） - 用于定位（该函数确定局部坐标系平移轴的方向）在A点和C点的方向。
另一方面，定义了一个控制压力角值的设计约束，该压力角值是由杆EF施加在四杆机构的输出元件FG上的力的矢量之间测量的（该矢量与EF共线）并且输出元件的F中的线速度矢量（该矢量与FG垂直）。为了安全起作用，压力角的最大值限制在70 。在ADAMS中，制定约束的符号具有重要意义：如果约束为正，则如果约束为负则分别被侵犯，则约束不会被侵犯。在这些术语中，设计约束是通过函数类型度量定义的，该函数类型度量从最大可接受值（,, pressure_angle_limit = 70-pressure_angle“）中减去压力角的当前值。
优化跟踪系统机械装置设计的目标是最使生成 PV 平台施加轨迹（日常运动）的电机力最小化，设计目标的监测值为模拟过程中的均方根 (RMS)。
考虑到上述条件，优化问题的数学模型可以通过以下方式表达：
- 找到设计变量：at = [a1, a2, a3, ..... an]t
- 与上部和下限
Psi;2 i = ai – (ai)H le;0, i = 1, hellip;, n
Psi;3 i = (ai)L –ai le;0, i = 1, hellip;, n
其中(ai)H是第 i 个设计变量的上限，(ai)L是第 i 个设计变量的下限
-最小化/最大化设计成本函数：
Psi;0 = f(y, a, t)
-受限于
a. 机械系统的状态方程
g(y, a, t) = 0
b. 设计约束
b.1 等式约束
Psi;c = hc (y, a, t) = 0
b.2 不等式约束
Psi;i = hi (y, a, t) le; 0
其中：t-时间，y-系统状态向量，g-控制方程的向量，hc-定义等式约束的设计函数的向量，hi -定义等式约束的设计函数的向量。
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（坐标轴，输入元件和活塞之间的连接位置的“y”和“z”; a3和a4 - YE和ZE（输入元件和杆之间的连接位置的轴，“y”和“z”的坐标）; a5和a6 - YF和 ZF （输出元件和杆之间的连接位置的轴，“y”和“z”）
- 设计变量的上限和下限：
Psi;i = (ai)L –ai le;0, i = 1, hellip;, 6
Psi;i 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; (a
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