双轴液压式全景太阳能自动跟踪系统设计.pdf

2 0 1 5 年 6月 第 4 3卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I C S J u n ．2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 3 2 双轴液压式全景太阳能自动跟踪系统设计 刘松 ，黄钱飞 ，李仁浩 ，杨帆 ，刘佳川 ，李小兵 1 ． 南昌大学机电工程 学院，江西南昌 3 3 0 0 3 1 ；2 ． 江西现代职业技术学院，江西南昌3 3 0 0 9 5 摘要针对太阳能存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，为了达到更充分高效地利用太阳能 ，设计了一 种双轴液压全景太阳能自动跟踪系统。该系统采用液压装置作为动力源，同时为液压马达和液压缸提供动力，合理地分配 系统动力；机械系统具有 自锁以及较强的抗风、抗干扰、稳定性能；通过电控系统控制电磁阀开关 ，实现系统的三维运 动；通过传感与控制系统实现太阳能的全方位自动跟踪。 关键词太阳能；自动跟踪；双轴液压 ；机械系统；电控系统 中图分类号T K 5 1 3 ． 4 文献标志码A 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 1 1 1 5 - 4 De s i g n o f Bi a x i a l Hy d r a ul i c Pa no r a mi c So l a r Ene r g y Au t o ma t i c T ra c k i n g Sy s t e m L I U S o n g ， H U A N G Q i a n f e i ，L I R e n h a o ， Y A N G F a n ，L I U J i a e h u a n ， L I X i a o b i n g 1 ．S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ， N a n c h a n g U n i v e r s i t y ， N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 ．J i a n g x i Mo d e m P o l y t e c h n i c C o l l e g e ， N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 9 5 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e s o l a r e n e r g y o f s o me d i s a d v a n t a g e s e x i s t e d s u c h a s l o w d e n s i t y，i n t e r mi t t e n t a n d c o n t i n u o u s l y c h a n g i n g s p a t i a l d i s t rib u t i o n，i n o r d e r t o u s e t h e s o l a r e n e r g y mo r e f u l l y a n d e f f e c t i v e l y ，a k i n d o f b i a x i a l h y d r a u l i c p a n o r a mi c s o l a r e n e r gy a u t o - ma t i c t r a c k i n g s y s t e m wa s d e s i g n e d ． T h e h y d r a u l i c e q u i p me n t w a s u s e d a s p o w e r s u p p l y b y t h e s y s t e m ，a n d a l s o p r o v i d e d p o we r f o r t h e h y d r a u l i c mo t o r a n d h y d r a u l i c c y l i n d e r S O t h a t t h e s y s t e m p o we r wa s r e a s o n a b l e d i s t ri b u t e d ． T h e me c h a n i c a l s y s t e m h a d t h e s t a b i l i t y o f t h e s e l f - l o c k i n g ， s t r o n g a n t i w i n d ， ant i i n t e rf e r e n c e a n d s t a b l e p e rf o r m a n c e ． T h e t h r e e d i me n s i o n al 3 - Dm o t i o n o f t h e s y s t e m w a s r e a l i z e d b y t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m t o c o n t r o l e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e s wi t c h ．A u t o ma t i c t r a c k i n g i s r e ali z e d b y a f u l l o r i e n t a t i o n o f s e n s i n g a n d c o n t r o l s y s t e m o f s o l a r e n e r g y ． Ke y wo r d s S o l ar e n e r gy ；Au t o ma t i c t r a c k i n g ；B i a x i al h y d r a u l i c ；Me c h a n i c a l s y s t e m ；E l e c t r o n i c c o n tr o l s y s t e m 0前言 随着矿物燃料的 日渐枯竭和全球环境的恶化 ，很 多 国家或地 区正遭受着程度不一的 自然灾 害和能源 的 争端 。矿物能源缺乏问题已成为制约各国经济发展 的瓶颈，而且如今世界各国对能源的需求 日益增大， 加之过度使用化石能源导致温室效应等环境问题 日益 严重 ，世界各国都在提倡发展低碳经济，人类现在正 在积极努力 的探索新型能源 ，太 阳能 、核能成为一 种 新 型的绿色能源得到发展和应用 。然而 日 本 的核泄漏 事件在世界范围内严重的危害到民众的生活和健康 ， 为核能的安全使用拉响了警报，突出太阳能安全、环 保的优势。所以，对具有清洁、环保 、安全等优势的 太阳能的开发利用显得越来越重要 。 中国在研究太 阳能领域于 2 0世纪 7 O年代起步， 经过近四十多年的努力，迎来了高速发展的新阶段， 太阳能热发电 和太阳能光伏发电 等得到长足发 展。太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存 在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在 着低密度 、间歇性 、空间分布不断变化的缺点。在太 阳能 跟踪方 面 ，我 国研 制 了 F S T型全 自动太 阳跟踪 器、太阳灶自动跟踪系统、单轴液压 自动跟踪系统、 立柱转动式跟踪系统、陀螺仪式跟踪系统、齿圈转动 式跟踪系统 ，以及传感器跟踪和太阳运行轨迹跟踪 两种方式 自行切换 的全 自动太 阳能跟踪器 ，基于 图 像信息工作模式 自动切换的智能太阳跟踪器 等。国 外研制了立柱风涡轮 自动太阳能板 、两轴太阳能跟 踪 系统 、一轴三位置太 阳能跟踪系统 等 。 由于当前一些太阳能跟踪系统存在精度低、稳定 性差、抗自然环境能力差等问题，而且无法应用在大 型光伏发电装置上。本文作者研制一种双轴液压驱动 式全景太 阳能 自动跟 踪 系统 ，具 有 自锁 、较强 的抗 风、抗干扰、稳定性能以及实现太阳能的全方位 自动 跟踪 。 1 机械 系统的设计 1 ． 1 跟 踪原 理 采用光电跟踪原理，基于传感器定位跟踪的方 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 3 2 8 作者简介刘松 1 9 9 4 一 ，男，本科在读，研究方向为机械设计。 通信作者 李小兵 ，E - m a i l l i x i a o b i n g n c u ． e d u ． c n 。 1 1 8 机床与液压 第 4 3 卷 4结论 该双轴液压式全景太阳能 自动跟踪系统在设计 中 主要考虑跟踪精度 、系统成本 、耗 电量和后期维护费 用等因素，能够得到比现有太阳能 自动跟踪系统更高 的太阳辐射利用率，系统成本 、耗电量都很低，后期 维护方便，自动化程度高，跟踪可以实现在全天候情 况下都能正常工作，自身能够通过反馈来消除误差。 由于三相 四通 电磁 阀的控制简单 ，系统程序设计人性 化 ，多个模块化 的协同控制 ，在保证 系统成本不高 的 前提下 ，实现主动和被动交替控制的混合控制系统， 得到最佳控制效果。 另外控制系统还兼容风力、雷电监测传感系统， 在 系统遭受大风天气可 自动调到迎风 面锁死 ，也可 以 通 过人机控制界面 ，把太阳能电池板调到指定位置锁 死 ；在 闪电和瞬时强光照射下 ，系统可 以 自动排除干 扰 ，同时系统设有多个传感器共同工作的功能 ，当由 于外界因素干扰，导致一个传感器被遮挡或者损坏， 系统会给予指示，并且通过反馈 ，通过程序控制，仍 能保证系统正常的工作。文中主要是通过光电传感器 采集信号 ，单片机处理信号并发出命令 ，从而控制液 压系统的正常工作，使系统可以精确 、稳定地追踪太 阳 ，提高采光率 。 参考文献 [ 1 ]樊东黎． 世界能源现状和未来 [ J ] ． 金属热处理， 2 0 1 1 ， 3 6 1 0 1 1 9 1 3 1 ． [ 2 ] 仵平． 浅谈国际能源现状与前景[ J ] ． 科技信息， 2 0 1 0 ， 2 6 3 5 1 1 4 8 ． [ 3 ]郝钢． 我国太阳能发展现状与前景[ J ] ．中国新技术新 产品 ， 2 0 1 0 ， 1 8 1 6 1 3 ． [ 4 ]胡云岩， 张瑞英， 王军． 中国太阳能光伏发电的发展现 状及前景[ J ] ． 河北科技大学学报， 2 0 1 4 ， 3 5 1 6 9 7 2 ． [ 5 ]许启明， 冯俊伟， 宫明． 太阳能利用跟踪技术 的研究进 展[ J ] ． 安徽农业科学， 2 0 1 1 ， 3 9 1 0 6 2 9 4 - 6 2 9 7 ． [ 6 ]吕文华， 贺晓雷 ， 于贺军， 等． 全 自动太阳跟踪器的研制 与应用[ J ] ． 光学精密工程， 2 0 0 8 ， 1 6 1 2 2 5 4 4 - 2 5 5 0 ． [ 7 ]王红睿， 王玉鹏 ， 方伟． 智能双模式太阳跟踪器 [ J ] ． 光 学精密工程， 2 0 1 1 ， 1 9 7 1 6 0 5 1 6 1 1 ． [ 8 ]S A T H I Y A MO O R T H Y S ， B H A R A T H I N ．H y b i r d E n e r g y Ha r v e s t i n g Us i n g Pi e z o e l e c t r i c Ma t e ria l s ，Au t o ma t i c R o t a t i o n a l S o l a r P a n e l ， V e r t i c a l A x i s Wi n d T u r b i n e [ J ] ． P r o c e ． d i a E n g i n e e rin g，2 1 0 2 ，3 8 8 4 3 8 5 2 ． 1 9 l F E R N A N D O C mz - P e r a g 6 n ，P E D R O J C a s a n o v a - P e l t e z ， F R ANCI S C O A Di a z ，e t a1．An Ap p r o a c h t o Ev alu a t e t h e e n e r gy Ad v a n t a g e o f T w o Ax e s S o l a r T r a c k i n g S y s t e ms i n S p a i n [ J ] ． A p p l i e d E n e r gy， 2 0 1 1 ，8 8 5 1 3 1 5 1 4 2 ． 1 1 0 I H U A N G B i n ． J u i n e ， HU A N G Y i n ． C h e n ， C H E N G u a n ． Y u ， e t a 1 ．I mp r o v i n g S o l a r PV S y s t e m E f f i c i e n c y Us i n g O n e a x i s 3 - P o s i t i o n S u n T r a c k i n g [ J ] ． E n e r gy P r o c e d i a ， 2 0 1 3 ， 3 32 8 0 2 8 7 ． 1 1 1 I A L U Y A J． L e a d e r s h i p S t y l e s I n e x t r i c a b l y I n t e rt w i n e d w i t h t h e Al t e r n a t i v e E n e r gy o f S o l a r ，W i n d，o r Hy b rid a s Di s r u p t i v e T e c h n o l o g i e s [ J ] ． E n e r gy S o u c e s P a p t B E c o n o m i c s P l a n n i n g A n d P o l i c y ， 2 0 1 4 ， 9 3 2 7 6 2 8 3 ． [ 1 2 ]C H A O S h e n a ，G R E E N A Ma r t i n A，B R E I T E N S T E I N B O t w i n ，e t a 1 ． I mp r o v e d L o c a l E ffic i e n c y I ma g i n g v i a P h o f o r S i l i c o n S o l ar C e l l s [ J ] ．S o l ar E n e r gy Ma t e ri a l s a n d S o l a r C e l l s ，2 0 1 4，1 2 34 1 -4 6 上接第 1 6 8页 ． 4结论 1 依据牛顿 力学 定律 、流量 连 续性 方程 ，建 立了 M 4多路阀先导减压阀的数学模型，分析了比例 减压 阀的静动态特性 ，先导阀的动态 响应及稳定性决 定 了整个 多路 阀的静动态特性 。 2 建立了 M 4电液 比例多路阀工作 系统 ，采用 功率键合图法从功率流的角度对工作系统进行建模， 推导出了数学模型，通过 M A T L A B ／ S i m u l i n k平 台进 行仿真，分析了系统动态特性，分析结果表 明M4 多路阀具有 良好的动态响应特性。 3 研究结果为 M 4型电液比例多路阀在实际中 选择和使用提供了依据。 参考文献 [ 1 ]任剡． 负载敏感泵与比例多路阀在大机上的应用[ J ] ． 流 体传动与控制， 2 0 0 8 ， 5 3 3 0 - 3 1 ． [ 2 ]俞浙青， 吴根茂 ， 路甬祥， 等． 多路阀的控制形式与控制 性能[ J ] ． 工程机械， 1 9 9 5 8 1 8 - 2 1 ． [ 3 ]吴榕， 唐雯， 林文祥． 减压阀动态性能仿真分析与测试 [ J ] ． 厦门大学学报 自然科学版， 2 0 1 1 ， 5 0 5 6 1 - 6 3 ． [ 4 ]寇伟光， 周惠群， 杨静． 液压系统建模方法研究[ J ] ． 机械 与电子 ， 2 0 1 0 5 2 4 - 2 7 ． [ 5 ]李军霞 ， 寇子明． 电液比例溢流阀特性分析与仿真研究 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 2 3 2 0 - 3 2 3 ． [ 6 ]P A Y N T E R H M． A n a l y s i s a n d D e s i g n o f E n g i n e e ri n g S y s - t e m s l M 1 ． C a m b ri d g e T h e MI T P r e s s ，1 9 6 0 1 3 2 - 1 5 3 [ 7]K AR N O P P D，M A R G O L I S L ，S Y S T E M R ．D y n a m i c s Mo d e l i n g a n d S i m u l a t i o n o f Me c h a t r o n i c S y s t e m s [ M] ． N e w Yo r kJ o h n Wi l e y a n d S o n s ，2 0 0 5 2 3 2 - 2 5 3 ．