CN103984360A

CN103984360A - 碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统

Info

Publication number: CN103984360A
Application number: CN201310050280.2A
Authority: CN
Inventors: 吴建农
Original assignee: Zhejiang Tong Jing Science And Technology Ltd
Current assignee: Zhejiang Tong Jing Science And Technology Ltd
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-13

Abstract

本发明的目的在于提供一种碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统，以提高对日跟踪的精度。其包括安装在集热器上的、对称分布于集热器的受热点的东侧、西侧、南侧、北侧的测温元件，比较元件，脉冲装置，驱动器以及动力装置；其中，东侧测温元件和西侧测温元件的温度信号输入到比较元件，比较元件输出温差信号到脉冲装置，脉冲装置输出脉冲信号到驱动器，驱动器输出方位角偏差信号至动力装置，以使动力装置驱动聚光器进行方位角的调整；南侧测温元件和北侧测温元件的温度信号输入到比较元件，比较元件输出温差信号到脉冲装置，脉冲装置输出脉冲信号到驱动器，驱动器输出高度角偏差信号至动力装置，以使动力装置驱动聚光器进行高度角的调整。

Description

碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电系统的对日跟踪的控制系统。

背景技术

碟式太阳能热发电系统利用自动跟踪太阳的聚光器将太阳能聚集到热机的集热器，从而加热斯特林发动机进行运动做功，发动机拖动发电机，从而实现发电。聚光器的镜面为抛物面，对日跟踪常用的方案是采用定时跟踪方式，光敏传感器跟踪方式或定时跟踪方式与光敏传感器相结合的跟踪方式。光敏传感器跟踪方式是在抛物面开口边的东、西、南、北位置上设置光敏器件（常用光敏电阻），分别检测照射到这四个点上的光的强度，用四点的光强度是否一致来确定抛物面中轴偏向何处。这种方案理论上可行，但实际上要求测量的灵敏度极高，检测设备要求放大倍数很高，因此容易受到干扰而不太实用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统，以提高对日跟踪的精度。

为实现所述目的的碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统，该碟式太阳能热发电系统包括聚光器以及集热器，其特征在于，该四象限测量控制系统包括安装在集热器上的、对称分布于集热器的受热点的东侧、西侧、南侧、北侧的测温元件，比较元件，脉冲装置，驱动器以及动力装置；其中，东侧测温元件和西侧测温元件的温度信号输入到比较元件，比较元件输出温差信号到脉冲装置，脉冲装置输出脉冲信号到驱动器，驱动器输出方位角偏差信号至动力装置，以使动力装置驱动聚光器进行方位角的调整；南侧测温元件和北侧测温元件的温度信号输入到比较元件，比较元件输出温差信号到脉冲装置，脉冲装置输出脉冲信号到驱动器，驱动器输出高度角偏差信号至动力装置，以使动力装置驱动聚光器进行高度角的调整。

由测温元件来替代传统的光敏元件，这使得测量精度被提高。

本发明的前述目的、特征和优点将在后述的实施例中详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例中碟式太阳能热发电系统对日跟踪的动作原理图。

图2是本发明实施例中碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统的工作原理图。

图3是本发明实施例中碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统的高度角偏差调节回路的示意图。

图4是本发明实施例中碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统的方位角偏差调节回路的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

如图1所示，碟式太阳能热发电系统包括聚光器1，支撑聚光器1的立柱2，聚光器1和立柱2之间通过转向节连接，转向节使得聚光器1可以在东西方向转动，即绕O点进行平面内的转动，该转动可以通过聚光器1的高度角α来表达，高度角α为聚光器1的中轴11与水平方向的夹角。转向节还使得聚光器可以在在南北方向转动，即绕立柱2的转动，该转动可以通过聚光器1的方位角β来表达。

根据地球物理学的原理，应用解析几何的分析方法，可以推导出地面上的任何一点（用经度、纬度表示），看到太阳的高度角等基本算式。

太阳的高度角，可以由下式确定

Sin(α)=sin(γ)sin(δ)+cos(γ)cos(δ)cos(ω)

上式中：α为高度角；γ为地面上一点的纬度；δ为地球在某一天的赤纬角；ω为地球上一点的某一天的时角。

赤纬角δ可用Cooper（库柏）方程近似计算，即δ=23.45sin(360*(284+n)/365) n为一年中的日期天数。

更为精确的计算，可用下面算是近似，即δ=23.45sin(π/2*(α₁/N₁+α₂/N₂+α₃/N₃+α₄/N₄))

α₁为从春分日开始计算的天数；N₁=92.975为从春分日到夏至日的天数；

α₂为从夏至日开始计算的天数；N₂=93.629为从夏至日到秋分日的天数；

α₃为从秋分日开始计算的天数；N₃=89.865为从秋分日到冬至日的天数；

α₄为从冬至日开始计算的天数；N₄=89.012为从冬至日到春分日的天数；

在春分日α₁=0，依次类推。该式计算精度比Cooper近似式提高5倍。

太阳的方位角，用下式确定表示：

Sin(β)=cos(δ)sin(ω)/cos(α)

日出、日落的时角：由于日出和日落，太阳的高度角α=0°，，显然时角对称时角。

日照时间：是日落时间减去日出时间，再除以15°。

在图1中，没有示出的是，驱动聚光器的动力装置可以是步进电机和蜗轮蜗杆减速机构，蜗轮蜗杆减速机构具有止逆的功能，这使得聚光器受到风力作用后可以保持控制位置不变（抛物面因自身强度的原因可能会引起朝向变化）。对于步进电机的功率选择，由于抛物面旋转速度比较小，且又有蜗轮蜗杆的减速，因而驱动电机功率可以选的比较小，只要考虑满足当出现异常情况，需快速将抛物面停止在安全位置时所需的功率。聚光器1的实际转动位置的测量可以由角度编码器实现。对于跟踪太阳的高度角α的控制可以采用闭环控制，即根据前述公式确定α，然后利用脉冲装置输出控制脉冲信号至电机驱动器，电机驱动器再输出驱动信号至高度角步进电机，高度角步进电机驱动聚光器1进行南北方向的转动，再通过高度角测量编码器来测量聚光器1的实际转动的转动角度，利用比较元件将高度角测量编码器的输出信号与目标值进行比较，若有偏差，则输出反馈信号至脉冲装置。同样的，对于跟踪太阳的方位角β的控制可以采用闭环控制，即根据前述公式确定β，然后利用脉冲装置输出控制脉冲信号至电机驱动器，电机驱动器再输出驱动信号至高度角步进电机，高度角步进电机驱动聚光器1进行东西方向的转动，再通过方位角测量编码器来测量聚光器1的实际转动的转动角度，利用比较元件将方位角测量编码器的输出信号与目标值进行比较，若有偏差，则输出反馈信号至脉冲装置。对于方位角、高度角的转动调节，可以分别利用动力装置来实现。

如图2所示，由于实际对日跟踪工作中，聚光器1的抛物面会受到外部作用的影响（比如，风力影响，甚至下雨或下雪等因素）而发生其中轴11偏离太阳光射线方向（即中轴与太阳光线不平行），在图2中虚线表示中轴11和太阳光不平行的情况，实现表示二者平行的情况，若二者不平行就会影响光热转换的效率，换句话说，聚光器1聚集的光通量没有达到最大值。这是所不期望的，因此需要在前述跟踪方案的基础上，还需要进行调整，已使得中轴11与太阳光线平行。

借助于图1，根据本发明的中碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统，其包括在聚光器1的焦点12（如图所示，其位于中轴线11上）的东、西、南、北侧分别布置的测温元件122、124、121、123（例如为热电偶），在图1中焦点12与集热器（图中没有示出）的受热中心重合，即测温元件122、124、121、123是布置在集热器的受热中心的东西南北，并且是以受热中心对称分别。用于测温元件122、124、121、123测得的四点的温度是否一致来确定聚光器1的抛物面的中轴11是否偏离太阳射线方向。即如发生抛物面向北方向偏离，那么抛物面北半面受光面积偏大，接受光辐射量大，抛物面南半面则受光面积变小，接受的光辐射量变小，这反映在北侧的测温元件123的温度就比南侧的测温元件121的温度高。同理，东、西侧的测温元件122、124的比较也能判断出东侧或者西侧的偏离。

因为聚光器1的转动仅两个自由度（α，β），因而只需两个方向的判断即可确定中轴11的偏移角度，即东、西和南、北两个方向的偏移角度。根据本发明的中碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统还包括如图3所示的温差控制回路，以及包括如图4所示的温差控制回路。

如图3所示的温差控制回路包括比较元件32、脉冲装置33、高度角驱动器34、电机及减速器构成的动力装置35、高度角测量编码器36、控制器（用于根据前述计算公式计算高度角，可以是中央计算机系统）。由高度角测量编码器36测量聚光器1的实际转动位置，并将其测量信号与高度角的计算值进行比较，若存在偏差，通过开关K₁的切换，再向动力装置35产生驱动信号，以使聚光器1转动到高度角计算值，以使高度角计算值作为温差控制回路的初始值。比较元件32将南、背侧测温元件121、123的温度值T_南、T_北进行比较，将温度偏差信号输出到脉冲装置33，脉冲装置33根据温度偏差信号输出相应数量的脉冲信号至高度角驱动器，高度角驱动器34将脉冲信号放大成驱动信号，并输出至由电机及减速器构成的动力装置35，动力装置驱动聚光器1绕点O进行相应的转动（是在高度角计算值的基础上进行转动）。

同样的，如图4所示的温差控制回路包括比较元件42、脉冲装置43、方位角驱动器44、电机及减速器构成的动力装置45、方位角测量编码器46、控制器（用于根据前述计算公式计算方位角，可以是中央计算机系统）。由方位角测量编码器46测量聚光器1的实际转动位置，并将其测量信号与方位角的计算值进行比较，若存在偏差，通过开关K₂的切换，再向动力装置45产生驱动信号，以使聚光器1转动到方位角计算值，以使方位角计算值作为温差控制回路的初始值。比较元件42将东、西侧测温元件122、124的温度值T_东、T_西进行比较，将温度偏差信号输出到脉冲装置43，脉冲装置43根据温度偏差信号输出相应数量的脉冲信号至方位角驱动器，方位角驱动器44将脉冲信号放大成驱动信号，并输出至由电机及减速器构成的动力装置45，动力装置驱动聚光器1绕支柱2进行相应的转动（是在方位角计算值的基础上进行转动）。

以南、北方向控制为例，高度角计算值是由控制系统通过当前所在地的经度、纬度、当前时间计算出的太阳高度角，因为太阳的高度变化及其缓慢，不需要实时计算，可以是每间隔一个时间段（比如1分钟）计算一次。而T_南、T_北的温差是通过如图3的控制回路实时测量的。如图3的控制回路的控制的结果最终反映在T_南、T_北的温度值变化上。这是一个实时调节回路，可以跟随太阳高度的变化，全程跟踪。为了实现温差全程跟踪控制，如图3的调节回路输出（高度角），必须要有初值，否则，测得的温差不能真实反映抛物面中轴偏离太阳射线的真实值，也即本发明的东、西、南北的四象限温度测量是有条件的，如前所述，如图3所示的调节回路输出的初值（高度角），由控制系统根据所在地纬度、经度、当前时间计算的高度角，定时地调节回路输出的初值送到控制电机，这时，四象限温度检测的数值才有意义。同理，东西方向的控制也实质上一样。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉本领域的一般技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以作出种种的等效的变化或替换，例如图3所示的实施例除了实现零件不会跳动外，也使得回热器的装配可变性增加，通用性提高。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.碟式太阳能热发电系统对日跟踪的四象限测量控制系统，该碟式太阳能热发电系统包括聚光器以及集热器，其特征在于，该四象限测量控制系统包括安装在集热器上的、对称分布于集热器的受热点的东侧、西侧、南侧、北侧的测温元件，比较元件，脉冲装置，驱动器以及动力装置；其中，东侧测温元件和西侧测温元件的温度信号输入到比较元件，比较元件输出温差信号到脉冲装置，脉冲装置输出脉冲信号到驱动器，驱动器输出方位角偏差信号至动力装置，以使动力装置驱动聚光器进行方位角的调整；南侧测温元件和北侧测温元件的温度信号输入到比较元件，比较元件输出温差信号到脉冲装置，脉冲装置输出脉冲信号到驱动器，驱动器输出高度角偏差信号至动力装置，以使动力装置驱动聚光器进行高度角的调整。