CN101614444B - 塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法，它是采用一个控制定日镜运动行程的DPU控制器、一个与定日镜连接的执行机构和一个在DPU控制器与执行机构之间对传输数据进行通讯转换的DCS模件，使定日镜自动跟踪太阳轨迹运动；它可以使定日镜精确的全自动跟踪太阳运行轨迹，使辐射到定日镜表面的太阳能量最大化，提高聚光系统的聚热效率，大幅度提高电站的发电效率和降低电站的运营成本。

Description

塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能热发电技术，具体地说，是涉及一种塔式太阳能热发电系统中使定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制技术。

背景技术

传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够随意利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1％的太阳能转为电能，转变率5％，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前全世界能耗的40倍。

据《1999白皮书，中国新能源与可再生能源》介绍，我国属太阳能资源丰富的国家之一，辐射总量在3340～8400MJ/平方米·年之间，中间值为5852MJ/平方米·年，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时，陆地面积每年接受的太阳辐射能相当于24000亿吨标准煤，约等于数万个三峡工程发电量的总和。开发和利用太阳能对中国经济社会走可持续发展之路和保护生态环境以及解决偏远地区无电人口和某些特殊用途都具有重大的战略意义：

(1)太阳能是人类社会未来能源的基石之一，是大量燃用的化石能源最好的替代能源。

(2)太阳资源丰富，是清洁干净、无污染的可再生能源。

(3)解决偏远地区无电人口和某些特殊用途。

太阳能热发电系统，不耗用化石能源，无污染物排放，是与生态环境和谐的清洁能源利用系统。目前槽式、塔式和碟式太阳能热发电系统同样受到世界各国的重视，并正在积极开展工作。而塔式系统以其规模大、热损耗小和温度高等特点已初步显露出优势。

塔式太阳能热电站(即塔式太阳能热发电系统)主要由聚光系统，吸/换热系统，储热系统和发电系统四部分组成，其中聚光系统的效率及其成本很大程度上影响热电站的性价比，是构建太阳能热电站中需要着重考虑的因素。聚光系统主要由定日镜和集热器组成；定日镜的作用是收集太阳辐射能并将其汇聚到集热器处，它由按一定方式排列的可绕双轴跟踪的定日镜组成，每个定日镜通过绕轴转动跟踪太阳并将辐射到其表面的太阳能反射到塔顶集热器，完成聚光(即聚热)的目的。

塔式太阳能热发电系统采用光-热-电转化的工艺路线，即先将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能。通过太阳能分级分段加热，先采用普通太阳能集热器使水低段加热，再由聚光式太阳能集热器加热至中温，再由跟踪聚光式太阳能高温加热器加热至高温。由高温蒸汽驱动汽轮发电机进行发电，实现高效热电转换。能量转换过程为：太阳能→热能→机械能→电能。主要的工作过程是，通过多面定日镜收集太阳能，集中反射到塔炉的顶部的集热器上，热传输系统以良好的效率将集热系统所收集的热量通过热交换系统转到储热介质，再次通过热交换将储热介质的热量传给做功介质，介质带动汽轮机做功发电。

热效率主要取决于集热效率，热交换效率，散热损失和朗肯循环热效率，其中集热效率和朗肯循环热效率占主导因素。

综上，无论从聚光系统的效率、集热效率方面考虑，还是从整个电站的成本角度考虑，在塔式太阳能热电站中的核心部分，就是如何使定日镜精确地自动跟踪太阳转动，使辐射到其表面的太阳能量最大化。现有技术中，都是把定日镜运动轨迹的运算集中到智能执行机构或者就地的PLC中，这样的控制方法，与本发明的智能性比起来是有局限的，完成的功能也是有局限的，所以控制精度是很低的。

发明内容

本发明的目的是，提供一种塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法。本发明可以使定日镜精确的全自动跟踪太阳运行轨迹，使辐射到定日镜表面的太阳能量最大化，提高聚光系统的聚热效率。

上述目的通过以下技术方案来实现。

塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法，特点是采用一个控制定日镜运动行程的DPU控制器、一个与定日镜连接的执行机构和一个在DPU控制器与执行机构之间对传输数据进行通讯转换的DCS模件，使定日镜自动跟踪太阳轨迹运动。

上述塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法中，所述的控制定日镜运动行程的DPU控制器，是一个DCS系统的分布处理单元，该单元根据给定的太阳角运动公式和控制方式，为执行机构提供定日镜跟踪太阳轨迹运动的设定值，并将定日镜的实际位置值与设定值比较，根据比较结果通过执行机构使定日镜运动到精确的给定位置。

前述塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法中，所述的太阳角运动公式，是可提供太阳随着时间变化，太阳光照射到指定位置的太阳高度角和太阳方位角的公式；所述的控制方式，是依据太阳在经度和纬度方向上运动的高度角和方位角的设定值，通过设置两个解耦的闭环控制回路，将定日镜跟踪过程中的高度角和方位角的位置值，分别按照设定的经度函数X(t)和纬度函数Y(t)进行比较，控制定日镜的跟踪运动。

前述的塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法中，所述的太阳角运动公式如下；

太阳高度角(以水平为0度角)：

sin(h⊙)＝sin(δ)×sin(Ф)+cos(δ)×cos(Ф)×cos(τ)

太阳方位角(以正南为0度角)：

cosA＝(sin(h⊙)×sin(Ф)-sinδ)/cos(h⊙)×cos(Ф)

其中：

h⊙：太阳高度角；

A：太阳方位角；

δ：太阳赤纬角；

δ＝23.45×sin(360×(284+n)/365)

n：积日，一年中的天数，从1月1日到要计算日的天数，即计算日的日期在当年内的顺序号；

Ф：地理纬度；

τ：太阳时角，以正午时，τ＝0计算；

太阳对塔的计算：

定义：塔高为Z，镜中心线高T1，塔到定日镜的长度为X，塔到定日镜的宽度距离为Y；

则有如下：

定日镜的高度角为H1；

定日镜的方位角为A1；

TanH1＝(Z-T1)/X；

TanA1＝Y/X；

则：

镜子的实际纬度函数：X(t)＝(h⊙+H1)/2；

镜子的实际经度函数：Y(t)＝(A+A1)/2。

前述塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法中，所述的与定日镜连接的执行机构，是一个可提供定日镜的高度角和方位角的位置值和对定日镜的高度角和方位角进行控制的智能远程测控装置，是RIO3000智能远程系列产品，通过RS485接口通讯远程传输运动指令和状态值，液晶显示温度、电源等状态值和操作命令，还有就地手操的功能，它通过RS485接口与DCS模件进行数据交互。

前述塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法中，所述的对传输数据进行通讯转换的DCS模件，是MODBUS转CAN的协议转换模件。

前述塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法中，所述的MODBUS与CAN的协议转换模件有两个，一个用于定日镜纬度方向上控制数据传输的转换，一个用于定日镜经度方向上控制数据传输的转换。

前述塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法中，还包括采用一个操作员站计算机，该计算机可与DPU控制器实时对时，从而自动运算并确定太阳运行的方位；该计算机还可对定日镜进行手动控制。

本发明的有益效果如下：

1)本发明可以使定日镜精确的全自动跟踪太阳运行轨迹，使辐射到定日镜表面的太阳能量最大化，提高聚光系统的聚热效率。

2)在本发明的基础上，运用DCS分散控制技术，可实现同步控制全场多面定日镜自动跟踪太阳运行轨迹，大幅度提高电站的发电效率和降低电站的运营成本。

3)采用智能远程测控装置，通过硬接线方法与定日镜的执行元件连接，通过通讯方法经DCS模件与DPU控制器连接，接受DPU控制器的命令和向DPU控制器传输定日镜的现场数据；既可节约大量的控制电缆，又可以保证控制的可靠性。通过智能远程测控装置的人机界面，可以就地实现手动操作和监测。

4)具有很强的保护功能指，可根据当地气象资料设置各种保护状态命令，每当天气恶劣时，可一键命令，将定日镜调制到预定的安全位置。

5)塔式太阳能热电站的核心部分是聚热系统，而太阳能聚热可以高达2000多度，保护聚热面不超热非常重要，可以根据需要调整定日镜场的辐射强度，即通过调整投射到塔炉上的定日镜的数量，从而保护吸热器面的安全。

附图说明

图1用于定日镜控制的DCS系统图；

图2智能远程测控装置与DCS和定日镜的连接示意图；

图3本发明闭环控制原理图；

图4镜面反射光斑方位角度随时间变化曲线图；

图5是镜面方位运动的位置反馈随时间变化曲线图；

图6是镜面反射光斑高度角度随时间变化曲线图；

图7是镜面高度运动的位置反馈随时间变化曲线图；

图8是镜面反射光斑方位角度和方位位置反馈对比列表；

图9是镜面反射光斑高度角度和高度位置反馈对比列表。

具体实施方法

实施例。选择一面定日镜，定日镜的传动执行元件选用的是施耐德LXM智能伺服驱动器和施耐德BSH1402P32F1A的伺服电机，通过系统的MODBUS转CAN的协议转换模件与系统的DPU控制器进行数据传输，DPU控制器根据太阳角运动公式，计算镜面实时反射太阳光至吸热器需要运动的行程，再由伺服驱动器通过协议转换模件反馈定日镜行程位置值到DPU控制器，形成闭环控制，完成定日镜全自动精确跟踪太阳轨迹并反射太阳光至塔顶的吸热器。如图1所示，智能测控装置4、操作员站5、DPU控制器6和通讯协议转换模件7构成了控制系统。智能远程测控装置的连接如图2所示，DCS系统1(即DPU控制器6)经智能远程测控装置4、执行机构3控制定日镜2动作。

所述的太阳角运动公式如下；

太阳高度角(以水平为0度角)：

sin(h⊙)＝sin(δ)×sin(Ф)+cos(δ)×cos(Ф)×cos(τ)

太阳方位角(以正南为0度角)：

cosA＝(sin(h⊙)×sin(Ф)-sinδ)/cos(h⊙)×cos(Ф)

其中：

h⊙：太阳高度角；

A：太阳方位角；

δ：太阳赤纬角；

δ＝23.45×sin(360×(284+n)/365)

n：积日，一年中的天数，从1月1日到要计算日的天数，即计算日的日期在当年内的顺序号；

Ф：地理纬度；

τ：太阳时角，以正午时，τ＝0计算；

太阳对塔的计算：

定义：塔高为Z，镜中心线高T1，塔到定日镜的长度为X，塔到定日镜的宽度距离为Y；

则有如下：

定日镜的高度角为H1；

定日镜的方位角为A1；

TanH1＝(Z-T1)/X；

TanA1＝Y/X；

则：

镜子的实际纬度函数：X(t)＝(h⊙+H1)/2；

镜子的实际经度函数：Y(t)＝(A+A1)/2。

施耐德LXM05A智能伺服驱动器，内部带有通讯功能和智能反馈功能，兼具有智能远程测控装置的功能。有其通讯功能和智能反馈功能的专用智能远程测控装置，成本将会低于智能伺服驱动器，开发性、操作性、维护性均要好于智能执行机构。

伺服驱动器通过RS485接口与系统中的MODBUS转CAN协议转换模件相连接，通过MODBUS RTU协议进行通讯数据的交互，协议转换模件把数据实时的传递给系统的DPU控制器，DPU控制器通过网关(HUB)与操作员站计算机连接，操作员站计算机应用MOXGRAF组态软件结合太阳角运动公式和闭环控制原理(如图3)编写程序和人机界面的设计。DPU控制器是TCS3000系统的重要核心组件PN300B(采用主处理器：Pentium400，内存128MB)。

在操作员站计算机上，通过RS232-RS485的转换器把计算机和定日镜驱动器连接，通过MODBUS通讯接口手动调试，让伺服驱动器驱动伺服电机从而让镜面可以随之运动。

在操作员站计算机上，应用MOXGRAF组态软件编写太阳角运动公式的程序，计算出定日镜把反射光斑投射到吸热器时定日镜的实时位置，从而精确的计算出把定日镜运动到正确位置时所需要发出的方向信号指令和运动信号指令。把程序下载到DPU控制器中，并且把定日镜的驱动器和MODBUS转CAN的协议转换模件相连接，此时系统控制定日镜是开环控制，即使太阳运行轨迹公式再准确，也不能避免定日镜长时间运行后的机械磨损以及传动执行元件所造成的误差。

将闭环控制算法加入到DPU控制器运行的程序中去，设定值是太阳在经度和纬度方向上运动的高度角和方位角的二维函数；反馈值是定日镜运动位置的行程值。通过DPU运算把定日镜运动的指令通过两套MODBUS转CAN的协议转换模件传送给定日镜的伺服驱动器，一套传送定日镜水平方向上的运动指令，一套传送定日镜垂直方向上的运动指令。指令分为运动的方向指令和位置指令，以开关量和脉冲量的形式传送。伺服驱动器接收伺服电机定日镜实时运行的位置信号，即电机转动实际圈数，分别通过两套MODBUS转CAN的协议转换模件把定日镜水平方向和垂直方向上运动的位置信号反馈传送到DPU控制器，形成闭环控制。

清晨太阳上升到一定高度的时候，定日镜启动，通过本发明的控制方法，定日镜全自动跟踪太阳运行，当全天运行后，太阳下降到一定的高度时，定日镜停止继续跟踪太阳运行，并且调整运行方位，运行到定日镜保护位置，避免镜面受到损害。

当定日镜运行时，把太阳辐射到镜面的光能反射到塔顶的吸热器上，可以看到镜面反射的光斑被投射到吸热器上。普通的控制方法由于不能精确的跟踪太阳运行轨迹，在吸热器上是看不到镜面投射的光斑的；本发明的控制方法可以精确的让定日镜跟踪太阳运行轨迹，实时的将光斑投射到吸热器上。

当启动系统让定日镜全自动跟踪太阳轨迹运行后，在操作员站计算机上，通过HMI人机界面手动调整定日镜位置，把光斑打偏，使之不能被投射到吸热器上，此时定日镜能够根据DPU控制器运算的公式以及反馈值自动找到正确运行位置，并把光斑重新投射到吸热器上。经过实验，人为的调整定日镜的位置，测试定日镜可以根据闭环控制，自动找到跟踪的正确位置。在实际工作中，有可能非人为的发生定日镜脱离轨道，位置偏移的状况，只有闭环控制才能精确的将定日镜自动的带回到正确运行的轨道上。

根据多次定日镜自动跟踪太阳轨迹、反射光斑至吸热器的试验，形成了可靠的试验数据以及曲线。

系统全自动闭环跟踪太阳轨迹，反射光斑至吸热器，记录由公式计算定日镜与吸热器的方位角和高度角以及伺服驱动器反馈的位置信号的对比数据，如图8，图9。

Zin——镜面反射光斑方位角度(单位：度)

Zout——镜面方位运动的位置反馈，由伺服驱动器根据电机旋转圈数累计得出(单位：usr/10000)

Hin——镜面反射光斑高度角度(单位：度)

Hout——镜面高度运动的位置反馈，由伺服驱动器根据电机旋转圈数累计得出(单位：usr/10000)

对数据表1的数据进行曲线分析可以得出以下数据图，如图4，图5。

对数据表2的数据进行曲线分析可以得出以下数据图，如图6，图7。

从数据中可以看出，本发明精确的完成了定日镜全自动跟踪太阳运行轨迹，并把辐射到镜面的光能反射到吸热器上。这种精确性是其他控制方法无法达到的。

并且完成定日镜全场的控制、协调、保护，即当大风、冰雹、雨雪等恶劣天气，以及其他未可知状况发生导致定日镜不能正常工作时，所需要采取的协调和保护措施。

Claims (5)

1.塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法，其特征在于，是采用一个控制定日镜运动行程的DPU控制器、一个与定日镜连接的执行机构和一个在DPU控制器与执行机构之间对传输数据进行通讯转换的DCS模件，使定日镜自动跟踪太阳轨迹运动；所述的控制定日镜运动行程的DPU控制器，是一个DCS系统的分布处理单元，该单元根据给定的太阳角运动公式和控制方式，为执行机构提供定日镜跟踪太阳轨迹运动的设定值，并将定日镜的实际位置值与设定值比较，根据比较结果通过执行机构使定日镜运动到精确的给定位置；所述的太阳角运动公式，是可提供太阳随着时间变化，太阳光照射到指定位置的太阳高度角和太阳方位角的公式；所述的控制方式，是依据太阳在经度和纬度方向上运动的高度角和方位角的设定值，通过设置两个解耦的闭环控制回路，将定日镜跟踪过程中的高度角和方位角的位置值，分别按照设定的纬度函数X(t)和经度函数Y(t)进行比较，控制定日镜的跟踪；所述的太阳角运动公式如下；

太阳高度角(以水平为0度角)：

sin(h⊙)＝sin(δ)×sin(Φ)+cos(δ)×cos(Φ)×cos(τ)

太阳方位角(以正南为0度角)：

cosA＝(sin(h⊙)×sin(Φ)-sinδ)/cos(h⊙)×cos(Φ)

其中：

h⊙：太阳高度角；

A：太阳方位角；

δ：太阳赤纬角；

δ＝23.45×sin(360×(284+n)/365)

n：积日，一年中的天数，从1月1日到要计算日的天数，即计算日的日

期在当年内的顺序号；

Φ：地理纬度；

τ：太阳时角，以正午时，τ＝0计算；

太阳对塔的计算：

定义：塔高为Z，镜中心线高T1，塔到定日镜的长度为X，塔到定日镜的宽度距离为Y；

则有如下：

定日镜的高度角为H1；

定日镜的方位角为A1；

TanH1＝(Z-T1)/X；

TanA1＝Y/X；

则：

镜子的实际纬度函数：X(t)＝(h⊙+H1)/2；

镜子的实际经度函数：Y(t)＝(A+A1)/2。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法，其特征在于，所述的与定日镜连接的执行机构，是一个可提供定日镜的高度角和方位角的位置值和对定日镜的高度角和方位角进行控制的智能远程测控装置。

3.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法，其特征在于，所述的对传输数据进行通讯转换的DCS模件，是MODBUS与CAN的协议转换模件。

4.根据权利要求3所述的塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法，其特征在于，所述的MODBUS与CAN的协议转换模件有两个，一个用于定日镜水平方向上控制数据传输的转换，一个用于定日镜垂直方向上控制数据传输的转换。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制方法，其特征在于：还包括采用一个操作员站计算机，该计算机可与DPU控制器实时对时，自动确定太阳运行的方位；该计算机还可对定日镜进行手动控制。

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