塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電鏡場(chǎng)跟蹤控制裝置研制

南京南瑞太陽(yáng)能科技有限公司 ■ 談?dòng)扬w王啟揚(yáng) 林晨江蘇省太陽(yáng)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ■ 周元興南京嘉業(yè)新能源有限公司 ■ 袁銀鳳

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塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電鏡場(chǎng)跟蹤控制裝置研制

南京南瑞太陽(yáng)能科技有限公司 ■ 談?dòng)扬w*王啟揚(yáng) 林晨江蘇省太陽(yáng)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ■ 周元興
南京嘉業(yè)新能源有限公司 ■ 袁銀鳳

摘 要：針對(duì)太陽(yáng)輻射能存在密度低、間歇性和空間分布不均勻等特征，如何有效地收集和利用太陽(yáng)能成為塔式太陽(yáng)能發(fā)電中的首要問(wèn)題。通過(guò)研究鏡場(chǎng)各種工作狀態(tài)，研制出鏡場(chǎng)跟蹤控制裝置。并通過(guò)北京延慶光熱現(xiàn)場(chǎng)塔式集熱器光斑采集情況，驗(yàn)證所研制的就地控制裝置及中控裝置的準(zhǔn)確性和有效性。

關(guān)鍵詞：定日鏡；就地控制裝置；中控裝置；塔式集熱器

0 引言

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電原理為：鏡場(chǎng)中的定日鏡將太陽(yáng)光精確反射并聚焦至集熱器表面，由集熱器吸熱介質(zhì)吸收太陽(yáng)輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能，再經(jīng)過(guò)換熱器換熱，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電相比其他3種(槽式、碟式、菲涅爾式)太陽(yáng)能熱發(fā)電模式，具有集熱溫度高、熱電轉(zhuǎn)化率高、可儲(chǔ)能等優(yōu)點(diǎn)。此外，高精度鏡場(chǎng)跟蹤控制裝置的研制是本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。在鏡場(chǎng)中，如何精確、穩(wěn)定控制定日鏡的偏轉(zhuǎn)將直接影響太陽(yáng)能利用效率[2-4]。

本文在跟蹤控制裝置的研制過(guò)程中，采用開(kāi)環(huán)控制方法，根據(jù)現(xiàn)有太陽(yáng)高度角、方位角的計(jì)算方法，計(jì)算出當(dāng)前控制時(shí)刻內(nèi)定日鏡所需偏轉(zhuǎn)角度，完成對(duì)太陽(yáng)方位的精確跟蹤。

1 鏡場(chǎng)跟蹤控制系統(tǒng)構(gòu)成

定日鏡鏡場(chǎng)跟蹤控制裝置主要包括就地控制裝置及中控裝置兩部分。

1.1 就地控制裝置

就地控制裝置包括：開(kāi)關(guān)電源、CPU控制板、伺服驅(qū)動(dòng)板、I/O板、伺服電機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)的傳感器。其中，每臺(tái)就地控制裝置包括俯仰和方位兩臺(tái)伺服電機(jī)，包括正限位、負(fù)限位4個(gè)PNP常閉的傳感器，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)位置的自動(dòng)跟蹤。

1.2 中控裝置

中控裝置由開(kāi)關(guān)電源和M258組成，對(duì)定日鏡場(chǎng)進(jìn)行組織協(xié)調(diào)，上位的命令通過(guò)中控裝置組織后分發(fā)給鏡場(chǎng)中的定日鏡[5-7]。中控裝置與鏡場(chǎng)定日鏡采用無(wú)線WiFi通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 鏡場(chǎng)跟蹤控制方案及策略

目前，塔式太陽(yáng)能系統(tǒng)中定日鏡的跟蹤控制方式主要有3種：光電跟蹤方式、天文跟蹤方式及天文與光電混合跟蹤方式。光電跟蹤方式是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，而天文跟蹤方式和天文與光電混合跟蹤方式是開(kāi)環(huán)的程控系統(tǒng)[7]。

國(guó)內(nèi)塔式示范電站中，定日鏡的跟蹤控制方式以開(kāi)環(huán)跟蹤控制為主，其他跟蹤控制方式為輔。由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有大規(guī)模的塔式光熱電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以及國(guó)外對(duì)前沿技術(shù)的壟斷，尚缺少對(duì)定日鏡大規(guī)模聚光跟蹤控制策略的研究。同時(shí)，在定日鏡建模方面，北京延慶光熱示范電站已有較為成熟的方案，但定日鏡鏡場(chǎng)控制規(guī)模較小，是否適用于更大規(guī)模的商業(yè)化電站還需經(jīng)驗(yàn)的積累。為了填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在這方面的空缺，定日鏡大規(guī)模聚光跟蹤控制策略和精確建模技術(shù)還有待研究。

通過(guò)分析研究北京延慶光熱現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擬選用天文跟蹤方式為主要研究對(duì)象，研制就地控制裝置和中控裝置；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)定日鏡大規(guī)模精確跟蹤控制，保證定日鏡的跟蹤控制時(shí)間與鏡場(chǎng)就地控制裝置、中控裝置、上位機(jī)和當(dāng)?shù)貢r(shí)間保持一致，本研究在鏡場(chǎng)跟蹤控制系統(tǒng)中加入GPS模塊，每隔10 min進(jìn)行一次系統(tǒng)時(shí)間校對(duì)，保證在任意時(shí)刻定日鏡的實(shí)時(shí)精確跟蹤控制。

3 鏡場(chǎng)跟蹤控制裝置

3.1 就地控制裝置

3.1.1 就地控制裝置硬件組成

就地控制裝置包括：定日鏡控制器、低壓伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、低壓伺服電動(dòng)機(jī)、柜體和附件，如圖2所示。就地控制裝置硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2　就地控制裝置

圖3　就地控制裝置硬件設(shè)計(jì)

研制的就地控制裝置硬件包含：

1)兩塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，水平對(duì)應(yīng)A路，俯仰對(duì)應(yīng)B路。CPU板所接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板定義為A路，I/O板所接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板定義為B路。

2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的24 V電源不分正負(fù)。

3)關(guān)于DI接口：設(shè)計(jì)的是接PNP型傳感器，公共端接地，8路接口接信號(hào)輸入。其中DI0為A路正向限位；DI1為A路負(fù)向限位；DI2為B路正向限位；DI3為B路負(fù)向限位；DI4～7為用戶自定義功能。

4)關(guān)于DO接口：DO接口引出的是繼電器的常開(kāi)端，共有4路，每路允許最大電流為500 mA。3.1.2 就地控制裝置軟件設(shè)計(jì)

定日鏡鏡場(chǎng)就地控制系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖4所示。由CPU板給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供脈沖信號(hào)、方向信號(hào)等控制信號(hào)，然后由驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在高度角方向和方位角方向分別由不同的角度傳感編碼器進(jìn)行鏡面角度檢測(cè)并將檢測(cè)值反饋到控制器，進(jìn)而由控制器進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理和分析，從而使系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖4　閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，第一，由太陽(yáng)位置確定方式和定日鏡反射角度的計(jì)算過(guò)程可知，數(shù)據(jù)處理涉及到多次復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，因此控制器要能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，且需較快的運(yùn)算速度，否則系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較低，就會(huì)影響定日鏡的跟蹤精度；第二，計(jì)算太陽(yáng)位置時(shí)，需將當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)時(shí)間轉(zhuǎn)換后，根據(jù)時(shí)間和觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度進(jìn)行計(jì)算，因此，控制器需能提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘；第三，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在定日鏡俯仰方向和旋轉(zhuǎn)方向上分別采取不同角度檢測(cè)方案，而不同角度傳感器帶有不同通訊端口，因此需控制器能方便地支持多種通訊方式，如Modbus、CAN、以太網(wǎng)等，從而方便與不同傳感器建立通訊連接；第四，控制器要能在復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。其整個(gè)控制程序流程如圖5所示。單片機(jī)，它有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，能快速實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算；一般都帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，能方便地與當(dāng)?shù)貢r(shí)間進(jìn)行同步或根據(jù)系統(tǒng)需要虛擬時(shí)間；另外，具有多種通訊接口，能方便可靠地與外圍設(shè)備建立連接，可節(jié)省大量的通訊協(xié)議設(shè)計(jì)工作。

3.2 中控裝置

3.2.1 中控裝置硬件組成

中控裝置又稱中控PLC裝置，采用模件化設(shè)計(jì)，按功能可分CPU模件、I/O模件、電源模件和通訊模件等。經(jīng)I/O BUS X總線與I/O的通訊，由10 M/100 M工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各控制器之間及操作站的通訊。同時(shí)，PLC及模塊的安裝使用背板機(jī)架的方式。

中控PLC裝置由開(kāi)關(guān)電源和PLC控制系統(tǒng)(M258)組成。上位計(jì)算機(jī)作為顯示和操作平臺(tái)，M258內(nèi)置CAN open主站、1個(gè)Modbus通訊口，1個(gè)Modbus TCP以太網(wǎng)通訊口。支持U盤下載程序，便于售后服務(wù)和程序升級(jí)，如圖6所示。

綜合以上因素，本系統(tǒng)選取可編程邏輯控制器作為定日鏡控制系統(tǒng)的控制器，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、能耗低等優(yōu)點(diǎn)；其硬件結(jié)構(gòu)和微型計(jì)算機(jī)基本相同，包括：電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、通信單元、輸入輸出單元等。相比普通

圖5　控制程序流程

M258以太網(wǎng)可支持的服務(wù)：內(nèi)置FTP Server、內(nèi)置Web Server、網(wǎng)絡(luò)變量(PLC to PLC通訊)、用于 HMI或PC通訊、下載程序。中控PLC對(duì)定日鏡場(chǎng)進(jìn)行組織協(xié)調(diào)，上位的命令通過(guò)PLC組織后分發(fā)給鏡場(chǎng)中的定日鏡。中控PLC與鏡場(chǎng)定日鏡采用無(wú)線WiFi通訊。中控PLC裝置如圖7所示。

圖6　M258結(jié)構(gòu)件

3.2.2 中控裝置軟件設(shè)計(jì)

在中控裝置的軟件設(shè)計(jì)中，其程序流程如圖8所示。

Heliopathupg4：第四組路徑上鏡程序；

Heliopathupg5：第五組路徑上鏡程序；

helioposition_download：定日鏡旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下發(fā)程序；

helioPath_down：全部定日鏡下鏡程序(未使用)；

helioinit_download：定日鏡初始角度下發(fā)；

heliopathdowng1：第一組路徑下鏡程序；

heliopathdowng2：第二組路徑下鏡程序；

heliopathdowng3：第三組路徑下鏡程序；

heliopathdowng4：第四組路徑下鏡程序；

heliopathdowng5：第五組路徑下鏡程序；

communication：通訊握手程序；

comunicationalarm：通訊不上報(bào)警程序；

OTC：實(shí)時(shí)時(shí)鐘下發(fā)程序；

date_read：上位日期讀取轉(zhuǎn)換程序；

manual_up_down：手動(dòng)上下鏡程序；

date_write：定日鏡實(shí)時(shí)時(shí)鐘寫入轉(zhuǎn)換程序。

控制流程如圖9所示。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)通訊量大，所以程序使用結(jié)構(gòu)型變量數(shù)組對(duì)應(yīng)每個(gè)定日鏡的通訊變量。現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)定日鏡的IP地址都對(duì)應(yīng)一個(gè)鏡號(hào)，通過(guò)鏡號(hào)來(lái)做輪訓(xùn)。使用數(shù)組輪訓(xùn)的方式來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)判斷，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)寫入等操作。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)上位機(jī)控制底端定日鏡跟蹤太陽(yáng)。上位機(jī)界面功能如圖10所示。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，保證控制系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，為太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)提供穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。

整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試完成后進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，不斷地進(jìn)行改進(jìn)和完善系統(tǒng)，使得系統(tǒng)更加合理和穩(wěn)定，不斷提高系統(tǒng)的精度，測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，結(jié)果表明達(dá)到了設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。

試驗(yàn)設(shè)備：定日鏡場(chǎng)、中央吸熱塔；

試驗(yàn)次數(shù)：2014年8月15日、9月4日；

試驗(yàn)天氣：晴天，微風(fēng)。

圖7　中控裝置

Main：主程序，所有子程序調(diào)用都在主程序里；Heliostandby：定日鏡上準(zhǔn)備好點(diǎn)子程序；

Adjustment_download：歷史糾偏數(shù)據(jù)下發(fā)；Adjustment：糾偏程序；

Heliopathupg1：第一組路徑上鏡程序；

Heliopathupg2：第二組路徑上鏡程序；

Heliopathupg3：第三組路徑上鏡程序；

圖8　程序流程

圖9　控制流程

圖10　定日鏡控制系統(tǒng)圖

4.1 第一次跟蹤測(cè)試

試驗(yàn)時(shí)間：2014年8月15日。

跟蹤時(shí)間：13:00～15:30。

目標(biāo)點(diǎn)：位于中央吸熱塔上部的白靶中心位置，目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)：(-1, -81.5, 105)。

測(cè)試過(guò)程：控制鏡場(chǎng)跟蹤太陽(yáng)前，首先，需將PLC時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行校正；其次，將每臺(tái)定日鏡進(jìn)行零點(diǎn)位確定；然后，確定每臺(tái)定日鏡的初始角度；最后，通過(guò)中控PLC下發(fā)跟蹤指令至每臺(tái)定日鏡控制柜中，完成自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。

采集過(guò)程中的匯聚光斑圖像如圖11所示。測(cè)試過(guò)程：與第一次跟蹤測(cè)試過(guò)程相同。采集過(guò)程中的匯聚光斑圖像如圖12所示。定日鏡場(chǎng)跟蹤測(cè)試結(jié)果表明：1)定日鏡均可自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)；2)定日鏡跟蹤光斑為近似的圓形，光斑中心亮、四周暗；3)由定日鏡組成的定日鏡場(chǎng)可連續(xù)跟蹤太陽(yáng)，并將太陽(yáng)光準(zhǔn)確反射到目標(biāo)點(diǎn)位置，滿足定日鏡場(chǎng)跟蹤控制的工作要求。

5 結(jié)論

定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成，通過(guò)分析塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電鏡場(chǎng)跟蹤控制裝置的必要性，分別研制就地控制裝置和中控裝置，并采用無(wú)線通訊方式解決裝置間通訊問(wèn)題；同時(shí)，在裝置中加入GPS模塊，保證整個(gè)跟蹤控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。最后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，根據(jù)上位機(jī)界面顯示信息及當(dāng)天光斑實(shí)際成像效果，驗(yàn)證研制的跟蹤控制裝置達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。研制出的鏡場(chǎng)跟蹤控制裝置具有可靠性高、高跟蹤控制精度，為塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電裝置的產(chǎn)品生產(chǎn)化提供依據(jù)。

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圖11　采集跟蹤過(guò)程中2014年8月15日的匯聚光斑圖像

4.2 第二次跟蹤測(cè)試

試驗(yàn)時(shí)間：2014年9月4日。

跟蹤時(shí)間：13:00～15:30。

目標(biāo)點(diǎn)：北京延慶光熱基地，中央吸熱塔上部第3個(gè)吸熱器口，目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)：(-1, -81.5, 67.5)。

圖12　采集跟蹤過(guò)程中2014年9月4日的匯聚光斑圖像

基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(項(xiàng)目名稱：塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)集成及控制技術(shù)研究；出資方：河北省電力公司)通信作者：談?dòng)扬w(1990—)，男，助理工程師、本科，主要從事太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)方面的研究。1076988902@qq.com

收稿日期：2014-10-20