塔式太陽能發(fā)電定日鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

陳 偉，楊 光，梁偉平，李國(guó)營(yíng)

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院電研華源公司，北京102200;2.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定071003;3.中煤電氣有限公司綜合利用部，北京101300)

0 引言

太陽能已經(jīng)成為最具潛能的新能源形式之一[1，2]。塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)也稱為集中型太陽能系統(tǒng)，其工作過程是通過規(guī)模龐大的定日鏡陣列將太陽光反射到太陽能集熱器從而進(jìn)行收集;每個(gè)定日鏡都是由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且通過計(jì)算機(jī)來控制使之能跟蹤太陽轉(zhuǎn)動(dòng);太陽能最終轉(zhuǎn)化為熱能來驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。太陽能熱發(fā)電高效與否的關(guān)鍵在于跟蹤水平和太陽聚光的提升，所以說定日鏡是收集太陽能的關(guān)鍵部件，也是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)投資最大的部分[3];因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的實(shí)時(shí)跟蹤會(huì)直接提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，所以進(jìn)行定日鏡跟蹤控制的研究是非常必要的。

1 定日鏡系統(tǒng)

1.1 定日鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)介

定日鏡由反射鏡、軸桿和電機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 定日鏡結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of heliostat

定日鏡的工作原理是:當(dāng)太陽光入射光線經(jīng)過反射鏡反射之后，其反射的太陽光線垂直穿過位于鏡前方的光電傳感器并投射到高塔頂部的集熱裝置內(nèi)。當(dāng)太陽相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鏡面通過光電傳感器判斷其所在位置，由跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整定日鏡面的角度，使光電傳感器、定日鏡面中心與塔頂?shù)慕邮昭b置始終成一條直線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光線的積聚[4～6]。

1.2 定日鏡系統(tǒng)控制系統(tǒng)分類

研究表明，對(duì)于完全相同的反射鏡面，太陽輻射朝南鉛直方向和垂直方向兩者一天中收到的太陽輻射的比是1∶3，可見選用合理的控制方式可以有效提高太陽能的利用率[7]。對(duì)于定日鏡系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外主要有3種控制方式:程序傳感器混合控制、程序時(shí)鐘控制以及傳感器控制[8]。

程序控制是預(yù)先設(shè)計(jì)好計(jì)算公式灌裝到控制器中，通過GPS時(shí)間來計(jì)算出該時(shí)間太陽的位置，然后再計(jì)算出該跟蹤裝置在此時(shí)的朝向，通過控制電機(jī)來控制鏡面的轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)最佳位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的跟蹤，原理如圖2所示[9]。

圖2 程序控制的工作流程Fig.2 Working process of process control

時(shí)鐘控制方式原理如圖3所示。太陽運(yùn)動(dòng)的軌道是從東向西均勻變化的。相似于時(shí)鐘，控制器控制跟蹤設(shè)備以預(yù)設(shè)好的速度對(duì)太陽進(jìn)行跟蹤。

圖3 時(shí)鐘控制方式的工作流程Fig.3 Working process of the clock control

傳感器控制方式原理是:利用光電阻傳感器向控制器反饋信號(hào);反饋信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)定值相比較;當(dāng)這個(gè)差值大于系統(tǒng)的設(shè)定值時(shí)，就會(huì)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)其機(jī)械部分進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)來減少這個(gè)偏差，直到入射光線與設(shè)定光軸重新平行，其原理如圖4所示。

圖4 傳感器控制方式的工作流程Fig.4 Working process of sensor control

這3種定日鏡的控制方法都存在各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性:程序控制的優(yōu)點(diǎn)是具有實(shí)時(shí)性，能夠?qū)⑻栠\(yùn)動(dòng)周期的影響降至最低;缺點(diǎn)是每臺(tái)定日鏡需設(shè)置兩個(gè)高精度角度傳感器，計(jì)算過程復(fù)雜，控制方式不完善。時(shí)鐘控制的優(yōu)點(diǎn)是如果運(yùn)行時(shí)，太陽輻射非常良好，那么系統(tǒng)的運(yùn)算就會(huì)非常簡(jiǎn)單快捷;缺點(diǎn)是出現(xiàn)誤差后不能自動(dòng)調(diào)整。傳感器控制的優(yōu)點(diǎn)是有陀螺儀式、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)式等多達(dá)7種的跟蹤方式。缺點(diǎn)是控制跟蹤精度較低、響應(yīng)慢，并且在多云天氣情況下，會(huì)自動(dòng)跟蹤位于云層邊緣的亮點(diǎn)位置，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的往返重復(fù)運(yùn)行，造成部件額外磨損和能量的浪費(fèi)。總之，這3種控制方式的缺點(diǎn)都是計(jì)算過程比較復(fù)雜，故控制方式還不完善。

2 太陽能跟蹤器的設(shè)計(jì)

2.1 太陽能跟蹤器的設(shè)計(jì)

由于目前并沒有太好的控制方式來控制定日鏡，所以本文結(jié)合以往的控制經(jīng)驗(yàn)提出下面的控制方案。控制原理是:電機(jī)1帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)來控制反射鏡跟隨太陽在方位上的變化。電機(jī)2帶動(dòng)絲桿使反射鏡圍繞軸1進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來控制反射鏡在高度上的變化。傳感器將位置信號(hào)送到控制器再通過比對(duì)發(fā)出指令控制電機(jī)進(jìn)行反射鏡的調(diào)整。

要使反射鏡高效地反射太陽光，需要傳感器能夠精確定位太陽的位置以調(diào)整反射鏡的角度;本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)比較依賴傳感器的精度，系統(tǒng)中采用了2種傳感器:細(xì)調(diào)式傳感器和粗調(diào)式傳感器。

(1)細(xì)調(diào)式傳感器。將9個(gè)光敏電阻原件排列在同一平面上并對(duì)其編號(hào)，如圖5所示，再將其放置于一個(gè)小孔開口直徑相當(dāng)于光敏電阻直徑的密閉遮光的殼體中，并放在頂端中心位置上。

圖5 光敏電阻陣列Fig.5 Photosensitive resistance array

如果光線垂直照射于這個(gè)小孔，那么光線肯定正好照射在9號(hào)光敏電阻上，而光敏電阻的阻值取決于光照的強(qiáng)度，所以可以根據(jù)每個(gè)光敏原件的阻值來確定光照的方向。但是，有時(shí)光線射入小孔后是一個(gè)光柱，這樣光就會(huì)照射到不同的光敏電阻原件上，在這種情況下認(rèn)為電阻最大的光敏原件是光照電阻。

如圖6所示，太陽光線通過小孔照射在光敏原件上的位置與中心電阻的距離是D，光線入射角度為β，殼體的深度為H，那么可知tanβ=D/H。當(dāng)D一定時(shí)，隨著H的增大，測(cè)量角度也會(huì)越來越精確。在光敏原件的直徑是個(gè)定值時(shí)，增加殼體的深度可以增加測(cè)量的精確性。假如殼體的深度過大，并且當(dāng)入射角度β也過大時(shí)，光線會(huì)照在側(cè)壁上，那么光敏原件的電阻就會(huì)為0，因此將無法判別光源的位置，而此時(shí)就需要粗調(diào)式傳感器來控制大角度的問題。

圖6 殼體結(jié)構(gòu)布置Fig.6 Shell structure arrangement

(2)粗調(diào)式傳感器。在殼體頂部的四周放置4根相同的光敏電阻原件。

如圖7所示，把光敏電阻元件1和2做為第一組比較電阻，將光敏電阻元件3和4做為第二組比較電阻。如果2組電阻相同，則說明太陽光直射該平面，同理如果其中一組的電阻差值不等于0，那么就說明光線偏射與該組的方向上，這樣就看哪個(gè)電阻的阻值大。如果電阻2的阻值明顯高于電阻1，那么說明太陽明顯的在向下位移，如果電阻1的阻值明顯高于2，那么就說明太陽在向上出現(xiàn)了位移。同理，通過第二組的比較電阻可知太陽左右的位移。通過這樣的傳感器可以快速調(diào)整反射鏡的移動(dòng)來跟蹤太陽的位移。

圖7 粗調(diào)式傳感器Fig.7 Coarse mode sensor

2.2 太陽能跟蹤器控制策略

粗調(diào)式傳感器的信號(hào)先傳給控制器。當(dāng)?shù)谝唤M比較電阻的阻值差P1(P1=M1(光敏電阻1的阻值)減M2(光敏電阻2的阻值))為很明顯的正數(shù)時(shí)，說明光敏電阻2比光敏電阻1接受到的太陽光多，也就是太陽在跟蹤器的下方，這樣就需要電機(jī)2來帶動(dòng)絲桿來減少反射鏡的仰角;如果第一次讀取的P1值在圖8的1號(hào)位置，這時(shí)繼續(xù)減小仰角，然后第二次讀取P1的值。

圖8 控制器讀取反饋數(shù)值方式Fig.8 Feedback controller to read the numerical approach

如果第二次P1值比第一次P1的值更趨近于0，那么此時(shí)要繼續(xù)減小仰角;繼續(xù)讀取P1值，如果第三次P1的值比第二次P1的值還趨近于0，那么還需要繼續(xù)減小仰角，但是如果第三次的P1值比第二次P1值要大，那么說明反射鏡的調(diào)整角度過大，需要返回第二次測(cè)量時(shí)的位置，直到讀數(shù)能夠無限趨近于0為止。

若定日鏡跟蹤器的P1和P2無線趨近于0，大角度調(diào)整完畢，這時(shí)開始通過精密傳感器傳回的信號(hào)來進(jìn)行細(xì)調(diào)，如果精密傳感器中1～8號(hào)電阻元件中的某一個(gè)阻值最小，那么就根據(jù)粗調(diào)時(shí)的原理來驅(qū)動(dòng)電機(jī)1或2進(jìn)行調(diào)整，直到調(diào)整到9號(hào)電阻的阻值小于1～8號(hào)電阻的阻值，則粗調(diào)和細(xì)調(diào)都已完成，反射鏡的調(diào)整角度也調(diào)整到了最佳的位置。

為了減少定日鏡調(diào)整時(shí)所作的無用功，最大限度減少能源的損失，在陰天和夜間的時(shí)候，跟蹤器不應(yīng)頻繁的采集信號(hào)，或者就保持不動(dòng)。這樣在設(shè)置采集信號(hào)的時(shí)候就應(yīng)該設(shè)置一個(gè)合理的采集頻率，根據(jù)這個(gè)頻率可以推算出從采集直到調(diào)整到合理的位置的動(dòng)作時(shí)間。如果超過這一時(shí)間，跟蹤器仍然無法采集到合理的信號(hào)時(shí)，則可以判斷為陰天，程序流程圖如圖9所示。夜間工況可以根據(jù)時(shí)間設(shè)定來完成。

圖9 控制策略的流程圖Fig.9 Flow chart of control strategy

3 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的定日鏡跟蹤系統(tǒng)主要采用了細(xì)調(diào)和粗調(diào)相結(jié)合的方式，其控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)算函數(shù)清晰簡(jiǎn)潔，而且定位迅速準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了在任何氣候條件下對(duì)太陽的穩(wěn)定可靠跟蹤。

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