10001074_并联机构式太阳追踪装置设计及工作区间分析

并联机构式太阳追踪装置设计及工作区间分析 李党伟 杜小强 （浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018） 摘要：本文通过修正后的太阳方位角公式，求解出全年跟踪太阳时的理想追踪区域，基于传 统的串联式太阳追踪装置不足之处，对具有 2 旋转自由度的并联机构进行机构综合和分析，得 出一类能够满足太阳追踪用的并联机构，并以其中一个 U-PRU-PUS 并联机构为例进行运动学 分析及追踪区间求解，得出此并联机构在结构上能够有效跟踪太阳。 关键词：太阳追踪；并联机构；工作空间；方位角修正 1. 研究背景与内容 根据研究表明，在利用太阳能 PV 板发电中，如果控制太阳能 PV 板的朝向，能使其入射 光线和太阳能板之间的入射角达到最小，则与不使用追踪装置的情况下相比，可使收集到的太 阳能量提高 20%-40%[1,2]。虽然双轴式太阳追踪装置能够全方位追踪太阳，由于其复杂性，仅 机构成本可占整个追踪装置总成本的 40%[3]。 传统的两轴式太阳跟踪机构、单轴式跟踪机构都属于串联式机构，这种串联式机构增加了 末端驱动装置的功率，同时整个机构的体积比较庞大，浪费材料和能源，太阳追踪时机构运行 的稳定性和承载能力较低。而新型机构在追踪装置上的应用正在不断的得到研究，尤为突出的 是并联机构在追日装置上的应用。此种机构的应用不仅能提高追踪的精度，同时又能增加追踪 装置整体的刚性，工作稳定，既适合小型太阳能光伏板的追日系统，也适合多块、大型光伏板 追日装置的应用。本文基于并联机构在太阳追踪装置上的应用，综合筛选出了适宜于太阳追踪 的具有 2 旋转自由度的并联机构，并以 U-PRU-PUS 并联机构为例对其追踪太阳的范围进行了 求解和分析。 2. 研究结果与讨论 2.1 太阳理想跟踪区域分析 024681012141618202224真太阳时（ h）020 4060 80100 120140 160180 方位角度（ °） 杭州地区方位角 024681012141618202224真太阳时（ h）-90 -70-50 -30-10 1030 5070 90 方位角度（ °） 杭州地区方位角 图 1 杭州地区全年太阳方位角 （a）修正前（ b）零线修正后 本文以杭州地区（东经 120.19°，北纬 30.26°）为例来研究太阳追踪的轨迹及理想追踪区域。 图 1（a）所示为采用 Bourges 的赤纬角算法，求解出的杭州地区全年太阳高度角和方位角变化 范围。按照正南方向为方位角的起始线（零线） ，由南向东为负（0~ -180°） ，由南向西为正 （0~180°） ，对图 1 (a)进行方位角零线修正，其结果如图 1（b） 。方位角零线修正后的太阳方位 角范围为[-90°, 90°]，而且方位角的轨迹线存在着尖点，即方位角的变化速度存在突变，这显然 与实际的太阳方位角的变化规律不符合，在计算求解时，需要进一步对太阳方位角公式进行修 正。用修正后的太阳方位角计算公式得出杭州地区全年的太阳方位角如图 2（a）所示，太阳高 度角全年的变化如图 2（b）所示。 024681012141618202224真太阳时（ h）-180 -150-120-90 -60-300 306090 120150180 方位角度（ °） 杭州地区方位角（修正） 024681012141618202224真太阳时（ h）-90 -70-50 -30-10 1030 5070 90 方位角度（ °） 杭州地区高度角 图 2 杭州地区（ a）公式修正后的太阳方位角（b）高度角 根据杭州地区太阳高度角和方位角的求解结果可知，杭州地区太阳高度角最大值一般在每 天的正午时分（真太阳时为12点） ，其全年的最大值变化范围为36.57°~83.46°。通过综合求解得 出太阳自动追踪装置全年跟踪太阳的工作区间如图3（a）所示，进一步求解得跟踪装置理想追 踪区域（全天候白天跟踪）如图3（b）所示。 0102030405060708090高度角（°）-90-70-50 -30-1010 305070 90 方位角（°） 图 3 太阳追踪装置的（a）全天候工作区域 （b）理想追踪区域 2.2 太阳追踪装置主结构-并联机构分析与综合 本文通过支链分析法综合出适宜于太阳跟踪装置上 2 旋转自由度的并联机构，其特征是具 有 3 个支链（1 固定链）7 个运动副（其中有 2 个移动副）。综合出的几种符合要求的并联机构 如图 4 所示，以 U-PRU-PUS 并联机构为例，作为太阳追踪装置的主体结构，如图 5 所示。 S U P U S ( P S U ) P S S P U S ( P S U ) P S S P S S P U S ( P S U ) P S S P U S ( P S U ) 固定支链 3 控制支链 1 控制支链 2 U P R S P U U P S S P R S P U U P R S P U U S P R U P S S o u v w o x y z A 1 A 2 A 3 B 1 B 3B 2 L 2 L 1 L 3 l 2 l 3 b b a a C 2 C 3 图 4 太阳自动追踪装置并联机构综合 图 5 U-PRU-PUS 并联机构 2.3 U-PRU-PUS 并联机构追踪太阳的工作空间 对并联机构进行运动学分析后，得出跟踪太阳的实际区域如图 6（a）所示。通过边界提取 法，对机构的有效追踪区域进行边界提取，并与理想的太阳高度角和方位角追踪区域进行对比， 如图 6（b）所示。 0102030405060708090高度角-90-70 -50-30-10 103050 7090 方位角（° ） ( b ) 机构的实际追踪区域与理想追踪区域 ( a ) 机构的实际追踪区域 图 6 机构的实际跟踪区域与理想跟踪区域 通过综合后分析可知，机构的实际追踪区域与理想追踪区域相交面积越大，表明机构追踪 太阳的有效追踪区域越大。本文所设计的并联机构式追踪装置其实际追踪区域与理想追踪区域 相交区域面积比较大，总体能满足太阳追踪的要求。根据实际太阳运动规律可知，与机构实际 追踪区域未相交的理想区域，其实际上是处在太阳刚升起或刚落下时的情况，在这种情况下， 太阳的光强较弱，其太阳辐射强度对光伏板发电量作用较小。 3. 结论 本文通过对方位角公式进行修正，得出理想的太阳追踪区域，可作为其他太阳追踪装置追 踪效果优劣的评价指标。综合和分析出一类太阳追踪装置用 2 旋转自由度并联机构，以 U- PRU-PUS 为例，求解出其有效跟踪区域总体能满足太阳追踪要求。 参考文献 [1] Chia-Yen L, Po-Cheng C, Che-Ming C, et al. Sun Tracking Systems: A Review[J]. Sensors, 2009, 9(5): 3875-3890. [2] Luque A L, Viacheslav A. Concentrator Photovoltaics[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2007. [3] Concentrating Solar Power Research – Collectors, National Renewable Energy Laboratory, 2012; . 基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(LY17E050029)；浙江理工大学521拔尖人才培养计划资助项目；浙江理工大学研究生创新项目(YCX16025) 邮 箱：xqiangdu@zstu.edu.cn