塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡追蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王金偉

揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠 江蘇揚(yáng)州 225003

1 研究背景

太陽能熱發(fā)電是一種可再生清潔能源發(fā)電,發(fā)電穩(wěn)定,可以與電網(wǎng)友好連接,易于被電網(wǎng)接受。定日鏡作為太陽能熱發(fā)電站聚光系統(tǒng)的核心部件,其性能直接影響聚光場(chǎng)的全年效率,從而影響發(fā)電站的年發(fā)電效率。開發(fā)高精度、高可靠性和低成本的定日鏡,對(duì)于塔式太陽能熱發(fā)電站而言,不僅具有經(jīng)濟(jì)效益,而且可以降低碳排放,減少各種污染物排放,具有廣泛的社會(huì)效益[1-2]。目前,在光熱發(fā)電項(xiàng)目中,槽式發(fā)電系統(tǒng)占比約為85%,塔式發(fā)電系統(tǒng)占比約為12%,其它發(fā)電技術(shù)占比約為3%。在世界范圍內(nèi),槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)占比最高,但塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)聚光比高,運(yùn)行溫度高,熱轉(zhuǎn)換效率高,非常適合大規(guī)模、大容量商業(yè)化應(yīng)用。在規(guī)劃建設(shè)的光熱發(fā)電站項(xiàng)目中,塔式光熱發(fā)電技術(shù)所占的比例已經(jīng)超過了槽式光熱發(fā)電技術(shù)[3]。

未來,塔式光熱發(fā)電將是光熱發(fā)電的主要技術(shù)流派,是今后的發(fā)展方向。筆者根據(jù)光熱產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整要求,結(jié)合定日鏡的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡追蹤控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)地定日鏡單體自動(dòng)跟蹤,以及鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)對(duì)定日鏡集體調(diào)度,解決了一般定日鏡跟蹤精度低的問題,為定日鏡高精度跟蹤及鏡場(chǎng)高效發(fā)電提供了保證。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡追蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三級(jí),分別為鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換層、現(xiàn)地控制器子網(wǎng),如圖1所示。鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與整個(gè)光熱電站集散控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,光熱發(fā)電站集散控制系統(tǒng)可以根據(jù)吸熱器表面能流密度來調(diào)整相關(guān)鏡組[4],以滿足吸熱器熱能量的均勻分布,并依托光束界定系統(tǒng),采用輪詢的方式進(jìn)行定日鏡的光斑校正,保證定日鏡的控制精度。集散控制系統(tǒng)向鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)發(fā)出調(diào)度和管理控制指令,鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)與管理型數(shù)據(jù)交換機(jī)構(gòu)成以太網(wǎng)環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò),控制指令由鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)發(fā)送至管理型數(shù)據(jù)交換機(jī),管理型數(shù)據(jù)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳送至每個(gè)現(xiàn)地控制器子網(wǎng)交換機(jī),子網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳送至子網(wǎng)內(nèi)每一臺(tái)現(xiàn)地控制器內(nèi)的可編程序控制器,可編程序控制器接收指令并解析后,控制電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的方位運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)定日跟蹤[5]。每個(gè)現(xiàn)地控制器子網(wǎng)由若干臺(tái)現(xiàn)地控制器組成,可以根據(jù)成本和可靠性要求決定數(shù)量。

圖1 塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡追蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡追蹤控制系統(tǒng)硬件主要由成百上千臺(tái)現(xiàn)地控制器組成。在綜合考慮裝置運(yùn)行可靠性與精準(zhǔn)性的前提下,確定定日鏡裝置以施耐德可編程序控制器為控制核心,旋轉(zhuǎn)角與俯仰角控制選用施耐德伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),水平初始限位、水平終止限位、俯仰初始限位、俯仰終止限位等四個(gè)限位采用施耐德磁感應(yīng)傳感器控制[6]?，F(xiàn)地觸摸屏或遠(yuǎn)方鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)與現(xiàn)地控制器內(nèi)的可編程序控制器通信?？删幊绦蚩刂破鞑捎脭U(kuò)展太陽位置算法及空間模型轉(zhuǎn)換算法,實(shí)時(shí)計(jì)算定日鏡高度角和方位角目標(biāo)位置。主控制程序根據(jù)當(dāng)前鏡面姿態(tài)、運(yùn)行死區(qū)及當(dāng)前目標(biāo)位置的偏差,發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)高度角、方位角伺服電機(jī),伺服電機(jī)根據(jù)反饋脈沖不斷調(diào)整輸出精度,帶動(dòng)傳動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)行鏡面姿態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)整,將太陽光高效精準(zhǔn)地聚焦在遠(yuǎn)方集熱塔上,進(jìn)行光熱發(fā)電[7],塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡追蹤控制系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡追蹤控制系統(tǒng)硬件

4 控制程序開發(fā)

在保證定日鏡實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能的前提下,編寫定日鏡控制程序,增加定日鏡停止、待機(jī)、清洗、歸零、自動(dòng)跟蹤、手動(dòng)跟蹤、避險(xiǎn)等工作模式。部分控制程序如圖3～圖5所示[8]。

圖3 自診斷程序

現(xiàn)地觸摸屏通過網(wǎng)線與現(xiàn)地控制器中的可編程序控制器通信,監(jiān)控界面顯示定日鏡的高度角、方位角及其曲線,脈沖、角度目標(biāo)值與實(shí)際值,水平與高度極限等。參數(shù)錄入界面設(shè)置定日鏡、集熱塔的經(jīng)緯度、鏡場(chǎng)的海拔及大氣壓力等數(shù)值[9]。手動(dòng)模式下,通過上、下、左、右鍵控制定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)。絕對(duì)角度確認(rèn)控件在初次安裝鏡面時(shí)確定初始角度,誤差校正控件選取一天中三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的角度誤差值,通過誤差補(bǔ)償法來對(duì)定日鏡角度進(jìn)行校正?，F(xiàn)地觸摸屏界面如圖6所示。

圖4 自動(dòng)跟蹤程序

圖5 手動(dòng)跟蹤程序

鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)位于中控室,通信測(cè)試界面顯示整個(gè)鏡場(chǎng)定日鏡及其通信地址,通信異常與否在界面上有相應(yīng)顯示。定日鏡狀態(tài)監(jiān)控畫面顯示對(duì)定日鏡進(jìn)行的監(jiān)控。在自動(dòng)跟蹤模式下,定日鏡現(xiàn)地控制器實(shí)時(shí)完成太陽位置和定日鏡控制角度的計(jì)算,定日鏡自動(dòng)跟蹤太陽當(dāng)前位置。在停止模式下,停止計(jì)算定日鏡輸出的控制角度,保持當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)。在歸零模式下,定日鏡回轉(zhuǎn)至初始零位。在清洗模式下,定日鏡調(diào)整至預(yù)先定義的清洗位置。鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖7所示。

圖6 現(xiàn)地觸摸屏界面

圖7 鏡場(chǎng)管理系統(tǒng)監(jiān)控界面

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證定日鏡光斑誤差小于4 mrad,必須要求定日鏡鏡面角度調(diào)整誤差小于2 mrad。同時(shí)考慮系統(tǒng)誤差裕量,在跟蹤控制算法中設(shè)置合理的運(yùn)行死區(qū)。運(yùn)行死區(qū)為1 mrad,即在現(xiàn)地控制器算法中設(shè)置當(dāng)太陽位置變化超過1 mrad時(shí),立即控制高度角、方位角電機(jī)運(yùn)行,從而驅(qū)動(dòng)定日鏡至對(duì)應(yīng)位置[10-11]。在4 m/s、8 m/s、11 m/s風(fēng)速下進(jìn)行角度測(cè)量試驗(yàn),測(cè)量20臺(tái)定日鏡從8:00至16:30最佳光照時(shí)間下定日鏡的角度誤差,取平均值繪制曲線,如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,在三種工況下,定日鏡鏡面角度誤差均小于2 mrad。

圖8 定日鏡角度誤差試驗(yàn)曲線

6 結(jié)束語

針對(duì)塔式太陽能熱發(fā)電站設(shè)計(jì)了一種定日鏡追蹤控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)在生產(chǎn)應(yīng)用中運(yùn)行正常,解決了塔式太陽能熱發(fā)電站鏡場(chǎng)整體調(diào)度與定日鏡精準(zhǔn)追日問題。為進(jìn)一步降低成本,未來可以研發(fā)基于單片機(jī)控制的現(xiàn)地控制器,并將鏡面高度角、方位角由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)改為由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。