并联机构式太阳自动跟踪装置设计

摘要

太阳能光伏发电作为一种新能源使用方式正在全球范围内得到广泛关注和应用，随着全球光伏新增装机容量的快速增长，在使用中如何提高太阳能光伏系统的发电效率，是一个重要且极具价值的研究方向。据研究，与固定式光伏发电相比，如果采用自动跟踪装置，可使太阳能的接受率提高35％左右，发电量可提高20％以上，但是太阳跟踪装置在实际应用中常以传统的串联结构式为主，受环境影响大，承载能力及稳定性差等问题突出。基于此，本文提出了一种新型的并联机构跟踪装置，并设计出完整的太阳追踪系统，能够快速调节并对太阳进行有效跟踪。论文研究的主要结论如下: (1)根据天球理论，建立了太阳在地平坐标系下的位置模型，采用高精度的Bourges赤纬角算法得出杭州地区全年的方位角及高度角范围，并对方位角进行零线修正及公式修正，最后以杭州地区为例求解出全年跟踪太阳时的理想追踪区域。 (2)根据单开链分析法，综合出了一类符合追踪要求的空间2R(旋转)自由度并联机构，用螺旋理论对U-PRU-PUS并联机构进行分析，证明了此机构具有2个旋转自由度且解耦的特性。通过位置变化矩阵求出并联机构的正解及逆解，并用雅克比矩阵分析出机构的奇异位形，经边界搜索法求解出并联机构的工作空间，并经过太阳位置角与机构欧拉角转换，得出机构方位角变化范围可达[-90°，90°]，机构高度角变化范围为[0°，90°]。 (3)基于变加权系数的自适应遗传算法对并联结构参数进行最优解搜索，通过Pareto解集，得出优化后的追踪区域S=12954.5，与未优化前相比增大了4.6％，优化后的驱动杆长l3=372.2mm，与未优化前比较相对减小了11.2％，优化后的结构更紧凑，能量消耗更低，追踪的范围更大。通过并联机构运动学模型求解出的实际太阳位置和理想太阳位置进行比较，检验所建立并联机构运动学模型的正确性，并通过春分日的仿真分析，进一步验证模型正确性。 (4)完成并联机构追踪装置的样机加工，对整个独立发电的太阳追踪系统进行设计，并以春分日为例，完成对追踪装置的追踪控制，得出日出、日落时刻的追踪极限位置与理论及仿真求得的位置极限角一致，验证了追踪装置设计的可靠性及有效性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．1．1新能源及光伏发电现状

1．1．2课题研究意义

1．2太阳跟踪装置国内外研究现状

1．2．1单轴跟踪装置

1．2．2双轴跟踪装置

1．2．3新型的执行机构

1．3论文的研究内容

1．4论文研究的技术路线

第2章太阳运行规律分析

2．1太阳运行的位置坐标系

2．1．1时角坐标系

2．1．2地平坐标系

2．2太阳在地平坐标系中位置

2．3太阳运行轨迹

2．4本章小结

第3章并联机构式太阳跟踪装置结构设计及运动学分析

3．1太阳跟踪系统方案设计

3．2并联机构式太阳跟踪装置主结构设计

3．2．1太阳跟踪装置用并联机构分析与综合

3．2．2优选太阳跟踪用并联机构

3．3并联机构运动特性分析

3．3．1并联机构自由度分析

3．3．2并联机构动平台位姿分析

3．3．3并联机构运动学位置逆解

3．3．4并联机构运动学位置正解

3．3．5并联机构运动学奇异性分析

3．4并联机构动平台工作空间分析

3．4．1并联机构欧拉角与太阳的高度角及方位角关系

3．4．2影响并联机构跟踪太阳时工作空间大小的因素

3．4．3并联机构有效跟踪空间及区域求解

3．5本章小结

第4章太阳跟踪装置并联机构的结构参数优化及整体结构设计

4．1太阳跟踪装置并联机构的结构参数优化

4．1．1优化参数的选取

4．1．2优化方法及优化目标

4．1．3遗传算法优化的理论模型

4．1．4遗传算法过程

4．1．5遗传算法优化结果

4．2并联机构式太阳跟踪装置运动学模型验证及位置分析

4．2．1太阳跟踪装置的并联机构运动学模型验证与分析

4．2．2并联机构式太阳跟踪装置的总体结构设计

4．2．3太阳跟踪装置的位置仿真分析

4．3本章小结

第5章并联机构式太阳跟踪装置样机加工及试验

5．1跟踪装置样机加工

5．2太阳跟踪系统设计

5．3太阳跟踪装置的测试与验证

5．4本章小结

第6章总结和展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果