碟式太陽能俯仰軸跟蹤精度研究

許幼奇 江 兵 黃振軍 梁偉青 吳偉炯上海齊耀動力技術(shù)有限公司

碟式太陽能俯仰軸跟蹤精度研究

許幼奇 江 兵 黃振軍 梁偉青 吳偉炯
上海齊耀動力技術(shù)有限公司

通過非線性回歸的方法克服了由于加工精度、安裝精度等帶來的機(jī)械精度變差的影響，提高了碟式太陽能俯仰軸的跟蹤精度，使得碟式太陽能的發(fā)電效率大為提高。

機(jī)械精度；非線性回歸；碟式太陽能發(fā)電

太陽能作為一種儲量近似無限、清潔利用以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的能源，對其開發(fā)利用將成為解決能源短缺、溫室效應(yīng)及環(huán)境污染等問題的一個重要路徑[1]。試驗(yàn)證明，采用相同功率的太陽電池板，自動跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備要比固定式光伏發(fā)電設(shè)備提高發(fā)電量至少在25%以上，成本下降20%[2]。

碟式太陽能的發(fā)電效率與其跟蹤精度有很大關(guān)系。而目前傳統(tǒng)的碟式太陽能的跟蹤大多采用基于模型的前饋跟蹤算法，然而由于其俯仰方向的非線性，其精度受模型中各運(yùn)動軸長度數(shù)值的精確性的影響很大。然而機(jī)械設(shè)計(jì)的數(shù)值是期望的數(shù)值，實(shí)際上有不同的加工精度，并且即使以最高精度加工，也無法保證100%無偏差。后期的機(jī)械安裝同樣也無法避免進(jìn)一步引入誤差。

但上述誤差，在機(jī)械已經(jīng)安裝結(jié)束后已經(jīng)確定。而且只要機(jī)械受力的形變在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)（通常認(rèn)為此項(xiàng)滿足要求），就可以通過各種方法來確認(rèn)實(shí)際各項(xiàng)機(jī)械數(shù)值，從而提高俯仰的運(yùn)動/定位精度。確認(rèn)實(shí)際軸的長度最簡單的方法為直接測量，但實(shí)際受限于現(xiàn)場的各種條件，如無法準(zhǔn)確確認(rèn)軸兩側(cè)的運(yùn)動中心等情況，這實(shí)際上不是一種好的選擇。如果采用非線性回歸，則無上述問題。但非線性回歸計(jì)算工作量比較大，現(xiàn)場的控制器計(jì)算能力有限，無法在不影響實(shí)時控制情況下滿足此計(jì)算的要求。實(shí)際上一個好的機(jī)械系統(tǒng)，在其壽命期限內(nèi)的形變都在受控范圍內(nèi)。因此可以采用離線計(jì)算的方法，來解決上述缺陷。

1 運(yùn)動模型

如圖1所示，虛線為水平方向；a軸為立柱，垂直于水平面；b軸為橫梁；c軸為渦輪蝸桿，它帶動b軸運(yùn)動；d軸為目標(biāo)軸，它與b軸有一固定夾角γ，并與水平面的夾角為∠x。

圖1 俯仰傳動模型

則a軸與b軸夾角：

由余弦定理可得：

當(dāng)伺服尋參回零后，如圖2所示，假設(shè)此時c軸長度為c0，則當(dāng)俯仰方向由圖2運(yùn)行到圖1位置時，c軸長度的變化為：

2 初始試驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)a=550 mm，b=780 mm，γ=20.5°，代入計(jì)算模型，得到實(shí)際結(jié)果如圖3所示。

圖3 按設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)所走出的運(yùn)動誤差

由圖3可見，誤差在1.25°～2.25°。在直徑為6 m，焦距為6.8 m的光碟中，光斑的偏差為：

Δd=6.8×tan(1.25~2.25)≈14.84~26.72cm

這樣的偏差使得聚焦的太陽能大部分偏離熱頭，嚴(yán)重影響太陽能光碟的發(fā)電效率。

圖2 尋參回零后，俯仰傳動模型

3 非線性回歸即非線性曲線擬合

曲線擬合是指設(shè)法找出某條光滑的曲線，這里并不要求曲線一定要經(jīng)過每一個數(shù)據(jù)電，只要可以反映這些離散數(shù)據(jù)的變化趨勢，使數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差平方和最小，就是最佳的曲線擬合[3]。

如圖4所示，對采集的數(shù)據(jù)按式（3）進(jìn)行非線性回歸（采用Trust-Region方法），其中delta_L為式（3）中的Δc，x為式（3）中的∠x值。

圖4 非線性回歸

最后可以算出：

a=550.3 mm，b=775.9 mm，c0=323 mm，γ=20.47°。其中：

SSE=47.42，R-square=1，Adjusted R-square=1，RMSE=0.746 9

由以上數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相比較，發(fā)現(xiàn)：

a軸即立柱誤差為：

(550.3–550)/550≈0.5‰

b軸即橫梁誤差為：

(775.9–780)/780 ≈ -5.3‰

d軸即目標(biāo)軸與b軸夾角誤差為：

(20.47–20.5)/20.5≈-1.5‰以b軸即橫梁為例，它的設(shè)計(jì)精度為7級，查機(jī)械手冊[4]誤差值為±0.04 mm，其零件的驗(yàn)收精度也在此范圍內(nèi)。然而，實(shí)際設(shè)備安裝為兩根橫梁，中間焊接兩根運(yùn)動軸。實(shí)際的b軸應(yīng)為兩運(yùn)動軸中心的長度。

而作為零件的兩根橫梁雖然加工精度很高，但安裝后很有可能并不是在一個平面上。再加上運(yùn)動軸中安裝軸承的偏差。因此即使再提高加工精度，b軸的實(shí)際長度與設(shè)計(jì)精度的誤差不可避免的有數(shù)量級以上的差異。

如果將設(shè)計(jì)數(shù)值代入運(yùn)動模型，可想而知，其運(yùn)動精度大受影響。實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果圖3正說明了此問題。

4 數(shù)據(jù)修正后試驗(yàn)

將以上計(jì)算出來的數(shù)值代入計(jì)算模型，重新采集數(shù)據(jù)。

圖5 按非線性回歸得到的數(shù)值，走出的運(yùn)動誤差

由圖 5可以看出，俯仰軸的運(yùn)動誤差在0.0～0.08°之內(nèi)。在直徑為6 m，焦距為6.8 m的光碟中，光斑的偏差為：

從上式的計(jì)算可以看出相對于采用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的運(yùn)動模型的精度大為提高，聚焦的太陽能大部分進(jìn)效率大為提高。

[1]郭金童。能源經(jīng)濟(jì)的動態(tài)分析及能效水平研究[D]，天津：天津大學(xué)，2007

[2]趙爭鳴、劉建政、孫曉英，等。太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M]，北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]唐家德?；贛ATLAB的非線性曲線擬合[J]，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2008，（6）：15-19

[4]徐灝。機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[S]，第3卷，第二版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

節(jié)能信息與動態(tài)

瑞士公投通過《能源戰(zhàn)略2050》

5月21日, 瑞士舉行全民公投，通過《能源戰(zhàn)略2050》?！?050能源戰(zhàn)略》提出，禁止籌建新的核電站、提高太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮苣苄Ш脱a(bǔ)貼力度，為虧損的水力發(fā)電企業(yè)提供額外政府補(bǔ)貼，降低建筑物、機(jī)動車輛及電氣設(shè)備能源消耗和二氧化碳排放。要求可再生能源發(fā)電量到2020年、2035年和2050年分別增至4.4TWh、11.4TWh和24.2TWh，能源消耗量到2020年、2035年和2050年各降至204TWh、152TWh和125TWh，人均用電量要求2020年、2035年和2050年分別下降3%,、13%和18%。

（李忠東 譯 ）

嘉定區(qū)成立循環(huán)化改造工作推進(jìn)小組

近日，嘉定區(qū)經(jīng)委會同區(qū)發(fā)改委、區(qū)環(huán)保局，召開嘉定區(qū)園區(qū)循環(huán)化改造工作會議，成立了嘉定區(qū)循環(huán)化改造工作推進(jìn)小組，并就循環(huán)化改造工作進(jìn)行部署。

（周飚 ）

Through nonlinear regression method by overcoming influence of mechanical accuracy variation due to machining accuracy and installation accuracy etc, the author improves disk-type solar energy pitch axis tracking accuracy to increase power generation efficiency of disk-type solar energy.

Machining Accuracy, Nonlinear Regression, Power Generation Efficiency of Disk-Type Solar Energy

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.08.008

Study on Disk-Type Solar Energy Pitch Axis Tracking Accuracy

Xu Youqi, Jiang Bing, Huang Zhenjun, Liang Weiqing, Wu Weijiong

Shanghai Micropower Tech Co.,Ltd