碟式太阳能俯仰轴跟踪精度研究

许幼奇 江 兵 黄振军 梁伟青 吴伟炯上海齐耀动力技术有限公司

碟式太阳能俯仰轴跟踪精度研究

许幼奇 江 兵 黄振军 梁伟青 吴伟炯
上海齐耀动力技术有限公司

通过非线性回归的方法克服了由于加工精度、安装精度等带来的机械精度变差的影响，提高了碟式太阳能俯仰轴的跟踪精度，使得碟式太阳能的发电效率大为提高。

机械精度；非线性回归；碟式太阳能发电

太阳能作为一种储量近似无限、清洁利用以及运行经济的能源，对其开发利用将成为解决能源短缺、温室效应及环境污染等问题的一个重要路径[1]。试验证明，采用相同功率的太阳电池板，自动跟踪式光伏发电设备要比固定式光伏发电设备提高发电量至少在25%以上，成本下降20%[2]。

碟式太阳能的发电效率与其跟踪精度有很大关系。而目前传统的碟式太阳能的跟踪大多采用基于模型的前馈跟踪算法，然而由于其俯仰方向的非线性，其精度受模型中各运动轴长度数值的精确性的影响很大。然而机械设计的数值是期望的数值，实际上有不同的加工精度，并且即使以最高精度加工，也无法保证100%无偏差。后期的机械安装同样也无法避免进一步引入误差。

但上述误差，在机械已经安装结束后已经确定。而且只要机械受力的形变在设计范围内（通常认为此项满足要求），就可以通过各种方法来确认实际各项机械数值，从而提高俯仰的运动/定位精度。确认实际轴的长度最简单的方法为直接测量，但实际受限于现场的各种条件，如无法准确确认轴两侧的运动中心等情况，这实际上不是一种好的选择。如果采用非线性回归，则无上述问题。但非线性回归计算工作量比较大，现场的控制器计算能力有限，无法在不影响实时控制情况下满足此计算的要求。实际上一个好的机械系统，在其寿命期限内的形变都在受控范围内。因此可以采用离线计算的方法，来解决上述缺陷。

1 运动模型

如图1所示，虚线为水平方向；a轴为立柱，垂直于水平面；b轴为横梁；c轴为涡轮蜗杆，它带动b轴运动；d轴为目标轴，它与b轴有一固定夹角γ，并与水平面的夹角为∠x。

图1 俯仰传动模型

则a轴与b轴夹角：

由余弦定理可得：

当伺服寻参回零后，如图2所示，假设此时c轴长度为c0，则当俯仰方向由图2运行到图1位置时，c轴长度的变化为：

2 初始试验

按照设计a=550 mm，b=780 mm，γ=20.5°，代入计算模型，得到实际结果如图3所示。

图3 按设计数据所走出的运动误差

由图3可见，误差在1.25°～2.25°。在直径为6 m，焦距为6.8 m的光碟中，光斑的偏差为：

Δd=6.8×tan(1.25~2.25)≈14.84~26.72cm

这样的偏差使得聚焦的太阳能大部分偏离热头，严重影响太阳能光碟的发电效率。

图2 寻参回零后，俯仰传动模型

3 非线性回归即非线性曲线拟合

曲线拟合是指设法找出某条光滑的曲线，这里并不要求曲线一定要经过每一个数据电，只要可以反映这些离散数据的变化趋势，使数据点的误差平方和最小，就是最佳的曲线拟合[3]。

如图4所示，对采集的数据按式（3）进行非线性回归（采用Trust-Region方法），其中delta_L为式（3）中的Δc，x为式（3）中的∠x值。

图4 非线性回归

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

由以上数据与设计数据相比较，发现：

a轴即立柱误差为：

(550.3–550)/550≈0.5‰

b轴即横梁误差为：

(775.9–780)/780 ≈ -5.3‰

d轴即目标轴与b轴夹角误差为：

(20.47–20.5)/20.5≈-1.5‰以b轴即横梁为例，它的设计精度为7级，查机械手册[4]误差值为±0.04 mm，其零件的验收精度也在此范围内。然而，实际设备安装为两根横梁，中间焊接两根运动轴。实际的b轴应为两运动轴中心的长度。

而作为零件的两根横梁虽然加工精度很高，但安装后很有可能并不是在一个平面上。再加上运动轴中安装轴承的偏差。因此即使再提高加工精度，b轴的实际长度与设计精度的误差不可避免的有数量级以上的差异。

如果将设计数值代入运动模型，可想而知，其运动精度大受影响。实际运行的结果图3正说明了此问题。

4 数据修正后试验

将以上计算出来的数值代入计算模型，重新采集数据。

图5 按非线性回归得到的数值，走出的运动误差

由图 5可以看出，俯仰轴的运动误差在0.0～0.08°之内。在直径为6 m，焦距为6.8 m的光碟中，光斑的偏差为：

从上式的计算可以看出相对于采用设计数据的运动模型的精度大为提高，聚焦的太阳能大部分进效率大为提高。

[1]郭金童。能源经济的动态分析及能效水平研究[D]，天津：天津大学，2007

[2]赵争鸣、刘建政、孙晓英，等。太阳能光伏发电及其应用[M]，北京：科学出版社，2005.

[3]唐家德。基于MATLAB的非线性曲线拟合[J]，计算机与现代化，2008，（6）：15-19

[4]徐灏。机械设计手册[S]，第3卷，第二版，北京：机械工业出版社，2001.

节能信息与动态

瑞士公投通过《能源战略2050》

5月21日, 瑞士举行全民公投，通过《能源战略2050》。《2050能源战略》提出，禁止筹建新的核电站、提高太阳能、风能、生物质能、地热能能效和补贴力度，为亏损的水力发电企业提供额外政府补贴，降低建筑物、机动车辆及电气设备能源消耗和二氧化碳排放。要求可再生能源发电量到2020年、2035年和2050年分别增至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，人均用电量要求2020年、2035年和2050年分别下降3%,、13%和18%。

（李忠东 译 ）

嘉定区成立循环化改造工作推进小组

近日，嘉定区经委会同区发改委、区环保局，召开嘉定区园区循环化改造工作会议，成立了嘉定区循环化改造工作推进小组，并就循环化改造工作进行部署。

（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