定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)的研究

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院　欒玉靜

1　定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)的研究背景

太陽(yáng)能熱發(fā)電，也叫聚焦型太陽(yáng)能熱發(fā)電，與傳統(tǒng)發(fā)電站不同,它是通過(guò)聚集太陽(yáng)輻射獲得熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)來(lái)發(fā)電的。

當(dāng)前，太陽(yáng)能熱發(fā)電按照太陽(yáng)能采集方式的不同，可以分為太陽(yáng)能槽式發(fā)電、太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電和太陽(yáng)能碟式熱發(fā)電三種。其中，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電控制系統(tǒng)中，定日鏡跟蹤控制裝置設(shè)計(jì)的是否合理至關(guān)重要，因?yàn)橹挥羞@樣才能使得所有定日鏡都能將太陽(yáng)光全部反射到集熱器，但是現(xiàn)有的定日鏡跟蹤控制技術(shù)大多采用定日鏡單鏡光跟蹤控制方式或群鏡時(shí)控跟蹤方式，這些方法用于大規(guī)模鏡場(chǎng)時(shí)，成本高、跟蹤精度差、熱效率低，更大的問(wèn)題是管理維護(hù)成本過(guò)高，檢測(cè)維修困難。

2　定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)工作原理

定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)是一種解決現(xiàn)有技術(shù)中的控制系統(tǒng)在鏡場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，產(chǎn)生的跟蹤精度變差、管理維護(hù)困難和綜合成本過(guò)高的問(wèn)題。

圖1　定日鏡跟蹤控制工作原理圖a

圖2　定日鏡跟蹤控制工作原理圖b

圖示說(shuō)明：1.基準(zhǔn)樁；2.匯聚鏡；3.上位機(jī)控制器；4.基準(zhǔn)樁控制箱；5.陽(yáng)光傳感器；6.陽(yáng)光傳感器云臺(tái)；7.陽(yáng)光傳感器云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)組；8.跟蹤激光器；9.跟蹤激光器云臺(tái)；10.跟蹤激光器云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)組；11.掃描式激光傳感器；12.掃描式激光傳感器驅(qū)動(dòng)電機(jī)；13.導(dǎo)向激光器；14.從動(dòng)鏡鏡面；15.從動(dòng)鏡云臺(tái)；16.從動(dòng)鏡云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)組；17.從動(dòng)鏡控制箱；18.入射光；19.鏡面法線20.反射鏡面；21.出射光；22.反射塔；α.陽(yáng)光入射角；β.陽(yáng)光出射角；γ.偏轉(zhuǎn)角。

基準(zhǔn)樁的陽(yáng)光傳感器云臺(tái)驅(qū)動(dòng)陽(yáng)光傳感器跟蹤直射陽(yáng)光，當(dāng)陽(yáng)光傳感器定位直射陽(yáng)光后，陽(yáng)光傳感器云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)機(jī)組的旋轉(zhuǎn)角度信息與陽(yáng)光傳感器云臺(tái)的基準(zhǔn)信息比較，得到陽(yáng)光入射角α和陽(yáng)光傳感器云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)角度+△α。

跟蹤激光器云臺(tái)根據(jù)陽(yáng)光入射角α及陽(yáng)光傳感器云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)角度+△α，確定跟蹤激光角度，也即陽(yáng)光出射角β和跟蹤激光器云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)角度-△α；當(dāng)跟蹤激光器云臺(tái)確定了陽(yáng)光出射角β和云臺(tái)偏轉(zhuǎn)角度-△α以后，跟蹤激光器啟動(dòng)，以出射光的光路，照射匯聚鏡。陽(yáng)光入射角α=陽(yáng)光出射角β。

當(dāng)陽(yáng)光傳感器沒(méi)有定位直射陽(yáng)光，即光敏電橋沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，陽(yáng)光傳感器云臺(tái)不斷偏轉(zhuǎn)，以感知直射陽(yáng)光，使光敏電橋達(dá)到平衡；當(dāng)無(wú)陽(yáng)光時(shí)，陽(yáng)光傳感器不工作，即光敏電橋處于休眠狀態(tài)，陽(yáng)光傳感器云臺(tái)按照時(shí)控程序，模擬跟蹤陽(yáng)光。

當(dāng)跟蹤激光器與導(dǎo)向激光器同時(shí)以反射光的光路工作后，激光傳感器工作，用以校驗(yàn)跟蹤激光出射精度；激光傳感器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，帶動(dòng)激光傳感器旋轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量跟蹤激光與導(dǎo)向激光間距信息，檢驗(yàn)跟蹤激光與導(dǎo)向激光的平行度，從而校驗(yàn)跟蹤激光的出射精度。

經(jīng)校驗(yàn)的跟蹤激光出射角度和跟蹤激光器云臺(tái)偏轉(zhuǎn)角度信息，上傳至上位機(jī)控制器，經(jīng)上位機(jī)控制器處理后，放射狀傳輸至依基準(zhǔn)樁為標(biāo)稱的從動(dòng)鏡群組。從動(dòng)鏡群組依據(jù)上位機(jī)控制器下傳的跟蹤角度信息調(diào)整反射鏡的角度，使反射陽(yáng)光匯聚至匯聚鏡。

從動(dòng)鏡云臺(tái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果數(shù)據(jù)，反饋至上位機(jī)控制器，以監(jiān)控從動(dòng)鏡群組工作狀態(tài)，從動(dòng)鏡群組完成一天定日跟蹤周期，依據(jù)上位機(jī)控制器的指令，折返至起始點(diǎn)。從動(dòng)鏡群組規(guī)模，依據(jù)匯聚鏡匯聚光斑的精度確定。

3　采用定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)的效果

1)本系統(tǒng)能夠判斷基準(zhǔn)樁反射的陽(yáng)光在匯聚鏡上的位置；同時(shí)無(wú)需在每面定日鏡上安裝跟蹤設(shè)備；定日鏡的安裝也不需要高精密度，大大提高鏡場(chǎng)的安裝速度、調(diào)試速度。

2)本系統(tǒng)適用于大型定日鏡鏡場(chǎng)，滿足大規(guī)模定日鏡的高精度控制，具有較高的可靠性和可用性，可以用于建造50兆瓦以上的商業(yè)化塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電機(jī)組。

3)定日鏡跟蹤控制由上位機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)樁信息上傳、從動(dòng)鏡接受信息的集中控制。另外，各從動(dòng)鏡跟蹤信息可上傳至上位機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)信息反饋。

[1]李俊峰.中國(guó)光伏發(fā)電商業(yè)化發(fā)展報(bào)告[M].中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2001:1-6.

[2]齊占慶,王振臣.電氣控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]楊金煥,等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2009:27-32.