一種水面定日鏡追光系統(tǒng)及其追光方法

郭其秀

（綠華能源（福建）有限公司，福建 福州 350000）

0 引 言

隨著化石燃料的燃燒，人類可利用的常規(guī)能源越來越少?；茉吹氖褂脮殡S著有害氣體的排放，嚴重破壞人類生存的環(huán)境，威脅著人類的安全和生存。為保護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境，必須采取措施減少化石能源的使用，大力開發(fā)清潔、干凈的新能源和可再生能源，走綠色能源道路。

太陽能是世界上最豐富的永久能源。太陽能光熱發(fā)電是太陽能利用的主要方式之一。配備儲熱系統(tǒng)的太陽能光熱電站，可以實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的電力輸出，尤其是夜間不間斷的電力輸出。太陽能光熱發(fā)電技術(shù)主要有塔式技術(shù)、槽式技術(shù)、蝶式技術(shù)和線性菲涅爾技術(shù)等技術(shù)。其中，塔式技術(shù)具有高聚光比，可實現(xiàn)更高的介質(zhì)溫度和蒸氣溫度，發(fā)電效率較高[1]。塔式技術(shù)主要包括定日鏡和中心塔?，F(xiàn)有的塔式太陽能光熱電站主要建設(shè)在陸地上[2]，缺陷在于：地勢起伏，影響光熱電站的建設(shè)規(guī)模和發(fā)電效率；定日鏡場排布方式需要考慮中心塔的陰影遮擋，排布不夠緊湊；定日鏡場采用單獨雙軸追光裝置，跟蹤成本較高；水資源調(diào)用成本較高；追光不夠準確。

1 光路系統(tǒng)組成圖

整體光路系統(tǒng)，如圖1所示。

2 工作原理

水上定日鏡追光系統(tǒng)，包括中心塔、設(shè)置于中心塔塔頂?shù)慕邮斩ㄈ甄R反射太陽光的二次聚光裝置、圍繞中心塔的至少一個漂浮單元、中央處理器和感應判斷裝置。

漂浮單元包括平面桁架、固定于平面桁架下部的浮塊及設(shè)置于平面桁架上表面支撐裝置。支撐裝置包括承接定日鏡的承接桁架框和驅(qū)動承接桁架框?qū)崿F(xiàn)角度調(diào)整的動力機構(gòu)，分別如圖2、圖3所示。

圖1 整體光路示意圖

圖2 漂浮單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 漂浮單元側(cè)視圖

感應判斷裝置包括固定于定日鏡上端面中部的光線感應器、角度感應器及固定于定日鏡上端面的若干光線判斷器。光線感應器包括刻度盤和指針，指針下端固定于刻度盤上端面。指針與刻度盤平面呈夾角設(shè)置。太陽光照射下，指針在刻度盤上形成投影。光線判斷器包括電信號連接的攝像頭和中心處理器。

攝像頭獲取光線感應器的指針投影在刻度盤上的圖像信息，并將該信息發(fā)送給中心處理器；中心處理器與角度感應器電信號連接；角度感應器將測量的定日鏡的角度信息傳輸給中心處理器；中央處理器分別與中心處理器、動力機構(gòu)電信號連接；中央處理器接收中心處理器的承接桁架框調(diào)整信號判斷后，得出中值并控制動力機構(gòu)工作。

二次聚光裝置包括固定框架和設(shè)置于固定框架內(nèi)的下凹的凹形發(fā)射鏡；凹形發(fā)射鏡內(nèi)表面設(shè)置有環(huán)狀的凸起結(jié)構(gòu)，定日鏡將太陽光射入凹形發(fā)射鏡內(nèi)表面，經(jīng)凸起結(jié)構(gòu)折射后光線聚集于中心塔內(nèi)的集熱器，如圖4所示。

圖4 凹形發(fā)射鏡的仰視圖

3 功能實現(xiàn)步驟

該水上定日鏡追光系統(tǒng)的追光方法，步驟如下。

步驟1：光線判定器的攝像頭采集光線感應器圖像信息，并傳輸給中心處理器；角度測量器測出定日鏡相對于中心塔底端的方位角γD和傾角αD，從而確定當前定日鏡的單位法向量傳輸給中心處理器。

步驟2：中心處理器將圖像信息中指針在刻度盤上投影的長短和方向信息，結(jié)合定日鏡相對于中心塔底端的方位角γD和傾角αD與標準圖像信息比對，得出此時太陽的高度角αS和方位角γS；中心處理器計算定日鏡需要的調(diào)整信息數(shù)據(jù)。

步驟3：若干光線判斷器的中心處理器分別將計算所得的調(diào)整信息傳輸給中央處理器，中央處理器提取出中位數(shù)，下達指令給動力機構(gòu)。

其中，步驟2的中心處理器計算定日鏡需要的調(diào)整信息數(shù)據(jù)以PID控制的方式實現(xiàn)，具體計算過程如下。

以該定日鏡場所在平面為基準，中心塔頂端的二次聚光裝置接收點到該平面的垂直方向為Z軸正向坐標建立坐標系，如圖6所示。

圖5 信號連接示意圖

圖6 坐標系示意圖

化簡式（1）～式（4），并將化簡結(jié)果與式（6）比對，確定定日鏡的調(diào)整信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)PID過程。

4 系統(tǒng)優(yōu)點

該系統(tǒng)能準確地自動跟蹤太陽光線入射方位角和仰角的變化，使得太陽光反射率達到最大化，同時提高太陽能利用效率。此外，系統(tǒng)無需外部信號控制，可以自主完成對光線的追蹤，降低了裝置安裝的復雜度，減少了故障點。

5 結(jié) 論

該系統(tǒng)設(shè)計以中央處理器為核心控制器，利用傳感器功能進行數(shù)據(jù)校正，便于精確、實時追蹤太陽，提高太陽能轉(zhuǎn)化成電能的效率，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益的最大化。