CN104990284B - 群组控制太阳能高温热发电集热控制系统 - Google Patents

Abstract

群组控制太阳能高温热发电集热控制系统，属于太阳能热发电集热控制技术领域，主要包括若干基准桩(1)、若干从动镜群组、用于汇聚从动镜镜场反射阳光的汇聚镜(2)，上位机控制器(3)实时接收基准桩(1)上传的各云台的偏转角度及阳光入射角(α)与阳光出射角(β)和偏转角(γ)的信息，并分配传输至被控从动镜群组。本系统能够判断基准桩(1)反射的阳光在汇聚镜(2)上的位置，并据此调整从动镜的角度，使从动镜的角度更加精确；同时，该控制系统无需在每面定日镜上安装传感设备，降低了成本，也降低了维修率；定日镜不需要高精度的安装，提高了镜场的安装及调试速度。

Description

群组控制太阳能高温热发电集热控制系统

技术领域

本发明属于太阳能热发电集热控制技术领域，具体涉及一种群组控制太阳能高温热发电集热控制系统。

背景技术

太阳能主要有两种利用途径：一种是通过光电池把太阳辐射转化为电能，常见的利用途径是太阳能光伏电池；第二种是通过太阳能集热器把太阳能辐射转化为热能，最简单的就是居家使用的屋顶太阳能热水器；利用太阳热能发电目前已成为国内外研究的一个重点领域，其原理是通过聚光装置把太阳光线聚集在装有某种液体的管道或容器里，借助太阳热能，液体被加热到一定温度，产生蒸汽，然后驱动蒸汽涡轮机发电，热能转化为电能。这种发电方式被人们称为太阳能热发电。太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能热发电，与传统发电站不一样的是，它们是通过聚集太阳辐射获得热能，将热能转化成高温蒸汽驱动蒸汽轮机来发电的。由于太阳能热发电需要充足的太阳直接辐射，才能保持一定的发电能力，因此沙漠戈壁是最理想的建厂选址地区。与传统的电厂相比，太阳能热电厂具有两大优势：整个发电过程清洁，没有任何碳排放；利用的是太阳能，无需任何燃料成本。太阳能热发电还有一大特色，那就是其热能储存成本要比电池储存电能的成本低很多。

当前，太阳能热发电按照太阳能采集方式的不同，可以分为太阳能槽式发电、太阳能塔式热发电和太阳能碟式热发电三种。槽式发电是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内的传热工质加热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电；塔式热发电是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的汇聚镜后，再反射到高温集热器上，加热工质产生过热蒸汽，或者直接加热集热器中的水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电；碟式热发电是利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处直接放置斯特林发动机发电，由于槽式发电的运行温度只能达到400℃，即只能停留在中温阶段，碟式热发电的商业化的可行性需要证实，处于实验阶段，而塔式热发电的运行温度能超过1000℃，可以高温蓄热，且热效率和利用率均较高，所以现在较多采用的是塔式太阳能热发电的方式。塔式太阳能热发电是采用大量的定向反射镜，即定日镜，将太阳光聚集到一个装在塔顶的中央接收器上，接收器一般可以收集100兆瓦的辐射功率，产生1100℃的高温。

目前已建成的位于延庆的八达岭塔式太阳能热发电实验电站，是我国已投产的最大规模的塔式太阳能热发电站，热发电实验基地占地208亩，装机容量1兆瓦，集热塔高119米，共设置一百多面定日镜，控制系统的优劣，极大的制约了该项技术的镜场规模及商业应用。另外，塔式太阳能热发电控制系统中，定日镜跟踪控制装置设计的是否合理至关重要，因为只有这样才能使得所有定日镜都能将太阳光全部反射到集热器，但是现有的定日镜跟踪控制技术大多采用定日镜单镜光跟踪控制方式或群镜时控跟踪方式，这些方法当用于大规模镜场时，或造成成本高，或造成跟踪精度差、热效率低，更大的问题是管理维护成本过高，检测维修困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种群组控制太阳能高温热发电集热控制系统，以解决现有技术中的控制系统在镜场规模扩大时，产生的跟踪精度变差、管理维护困难和综合成本过高的问题。

本发明的控制系统主要包括若干基准桩、若干从动镜群组、用于汇聚从动镜镜场反射阳光的汇聚镜，上位机控制器实时接收基准桩上传的跟踪激光角度信息，并分配传输至被控群组从动镜，从动镜群组实时跟踪阳光并反射阳光至汇聚镜，同时，各从动镜群组将角度信息反馈至上位机控制器。解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的基准桩主要包括阳光传感器、阳光传感器云台、阳光传感器云台步进电机组；跟踪激光器、跟踪激光器云台、跟踪激光器云台步进电机组；校准反射光路的扫描式激光传感器及驱动电机；基准桩至汇聚镜定位导向的导向激光器；基准桩控制箱。所述的上位机控制器包括上位机可编程控制器、集热控制系统软件、总控计算机和用于信号、电力传输的传输光、电缆；所述的从动镜包括从动镜镜面、从动镜云台、从动镜云台步进电机组及用于控制从动镜定日运行的从动镜控制箱。

本发明进一步的改进在于：上述的扫描式激光传感器为平行校正式激光传感器。

本发明进一步的改进在于：所述的基准桩控制箱(4)设计为单片机控制实时光跟踪系统。

本发明进一步的改进在于：上述的基准桩控制箱还设置有随地球公转自动跟踪阳光的时间控制系统。整个系统正常工作的过程为：以随地球公转自动跟踪阳光的时间控制系统为主，定时插入实时光跟踪控制。

本发明进一步的改进在于：本系统对于基准桩(1)上传阳光定位信息，即跟踪激光器云台步进电机组旋转角度信息，上位机控制器(3)处理和传输信息，从动镜接收信息进行控制处理，即从动镜云台步进电机组同步跟踪。另外，各从动镜将跟踪信息上传至上位机控制器(3)，实现从动镜跟踪信息反馈。

相对于现有技术来说，采用本发明的积极效果是：

1、本发明能够判断基准桩反射的阳光在汇聚镜上的位置，从而可以据此调整从动镜的角度，使得从动镜的角度更加精确；同时，该控制系统无需在每面定日镜上安装跟踪设备，降低了成本，降低了故障率和维修率；定日镜的安装也不需要高精密度，可以大大提高镜场的安装速度以及定日镜的调试速度。

2、本发明的控制系统可以适用于控制数量规模达到几万面的大型定日镜镜场，可以优化整个控制网络结构，能大幅降低控制系统建造成本，很好的满足大规模定日镜的高精度控制，最大程度的体现控制分散、管理集中的原则，具有较高的可靠性和可用性，可以用于建造50兆瓦以上的商业化塔式太阳能热发电机组。

3、将整个镜场大量定日镜由局部基准桩采样，到分部从动镜从动，直至整个镜场跟踪从动，从整体到局部实现分层控制，可大面积减少控制器数量；使用低成本单片机控制单面定日镜，能有效的降低控制成本。

4、本发明的控制系统由上位机控制器，实现了基准桩信息上传、从动镜接受信息的集中控制。另外，各从动镜跟踪信息可上传至上位机控制器，实现信息反馈。

附图说明

图1是本发明控制系统原理示意图；

图2是本发明控制系统整体结构示意图；

图3是本发明控制系统的镜场基准桩位置示意图；

图4是本发明控制系统的逻辑框图；

图5是本发明控制系统的基准桩系统电原理框图；

图6是本发明控制系统的上位机控制器工作原理框图；

图7是本发明控制系统的从动镜工作原理框图；

图中：

1基准桩、2汇聚镜、3上位机控制器、4基准桩控制箱、5阳光传感器、6阳光传感器云台、7阳光传感器云台步进电机组、8跟踪激光器、9跟踪激光器云台、10跟踪激光器云台步进电机组、11扫描式激光传感器、12扫描式激光传感器驱动电机、13导向激光器、14从动镜镜面、15从动镜云台、16从动镜云台步进电机组、17从动镜控制箱、18入射光、19镜面法线、20反射镜镜面、21出射光、22反射塔；以及

α阳光入射角、β阳光出射角、γ偏转角。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步更详细的说明，具体参照图1至图7：

群组控制太阳能高温热发电集热控制系统，主要包括若干基准桩1，若干从动镜群组，用于汇聚从动镜镜场反射阳光的汇聚镜2，上位机控制器3实时接收基准桩1上传的反射镜出射光角β的角度信息，即跟踪激光器8的角度信息，并分配传输至被控群组从动镜。基准桩1主要包括基准桩控制箱4、阳光传感器5、阳光传感器云台步进电机组7、跟踪激光器8、跟踪激光器云台步进电机组10、扫描式激光传感器11、扫描式激光传感器驱动电机12；用于基准桩至汇聚镜定位导向的导向激光器13。所述的上位机控制器3包括上位机可编程控制器、集热控制系统软件、总控计算机和用于信号、电力传输的传输光、电缆。所述的从动镜群组包括从动镜镜面14、从动镜云台15、从动镜云台步进电机组16及用于驱动控制从动镜定日运行的从动镜控制箱17。

上述的基准桩1还包括以下结构：阳光传感器5和用于调整阳光传感器并跟随直射阳光运转的阳光传感器云台6，跟踪激光器8和用于调整跟踪激光并使跟踪激光与出射阳光光路相同的跟踪激光器云台9，校准跟踪激光精度的扫描式激光传感器11和用于基准桩至汇聚镜定位导向的导向激光器13。

进一步地，上述的扫描式激光传感器11为平行校正式激光传感器。

进一步地，上述的基准桩控制箱4为单片机控制实时光跟踪系统。

进一步地，上述的基准桩控制箱4还设置有随地球公转自动跟踪阳光的时间控制系统。

更进一步地，本系统对于基准桩1上传阳光定位信息，即跟踪激光器云台步进电机组旋转角度信息，上位机控制器3处理和传输信息，从动镜接收信息进行控制处理，即从动镜云台步进电机组同步跟踪。另外，各从动镜将跟踪信息上传至上位机控制器3，实现从动镜跟踪信息反馈。

云台：是指设置在光学设备底部与固定支架间的转向装置，其设置有两个电动机，分别负责云台的前后和左右方向的转动，电动机通过接收电信号进行精确的转动，可以通过控制系统对云台进行远程控制。

本发明的群组控制太阳能高温热发电集热控制系统主要的构成有：

基准桩1：为从动镜群组实时提供偏转角度信息。

上位机控制器3：实时接收基准桩1上传的偏转角度信息，并分配传输至被控从动镜群组。

从动镜群组：接收上位机控制器3下传的偏转角度信息，调整从动镜镜面14，反射太阳光。

汇聚镜2：汇聚镜场反射的阳光。

反射塔22：用于安装汇聚镜2。

以下为各主要组成部分的详细说明：

基准桩1构成：

1、阳光传感器5：感知直射阳光。

2、阳光传感器云台6：调整阳光传感器5。

3、阳光传感器云台步进电机组7：以步进电机旋转角度，标定入射光18角度α。

4、跟踪激光器8：指示反射阳光光路。

5、跟踪激光器云台9：调整跟踪激光，使跟踪激光与出射阳光光路相同，跟踪激光角度等于出射阳光角度β。

6、跟踪激光器云台步进电机组10：以步进电机旋转角度，标定出射光21角度β。

7、导向激光器13：用以标定基准桩1至汇聚镜2的光路方向，导向激光不因反射光出射角改变而改变。

8、扫描式激光传感器11：校验跟踪激光与导向激光之间的平行度，以调整跟踪激光的光路精度，即反射阳光的光路精度。

9、扫描式激光传感器驱动电机12：驱动两激光传感器11旋转。

10、基准桩控制箱4：为云台电机、驱动电机及激光器提供电源，为传感器步进电机组提供存贮、处理、传输信息通道和程序。

上位机控制器3构成：

1、上位机可编程控制器：集中控制镜场集热控制系统运行。

2、集热控制系统软件：用于系统运行、信号检测、传输等全部功能。

3、总控计算机：用于监测镜场运行工作状态。

4、传输光、电缆：用于信号、电力传输。

从动镜群组构成：

1、从动镜镜面14：用于反射阳光，汇聚太阳能。

2、从动镜云台15：用于调整从动镜镜面14。

3、从动镜云台步进电机组16：接收从动镜控制箱17传送的电信号，驱动从动镜云台15。

4、从动镜控制箱17：接收上位机控制器3传输的控制信号，并将信号传输给从动镜云台步进电机组16；同时，接收从动镜云台步进电机组16反馈的电信号，并上传至上位机控制器3。

本发明的群组控制太阳能高温热发电集热控制系统的工作原理：

反射镜20置水平，即基准桩1上的阳光传感器云台6、跟踪激光器云台9置水平，镜面法线19呈垂直位。该状态定义为基准状态，即零位。

阳光传感器5依靠其内部的光敏电桥感知阳光，当无阳光时，光敏电桥处于休眠状态，即阳光传感器5不工作，阳光传感器云台6按照地球公转时控系统工作，模拟跟踪阳光；当有阳光时，若阳光传感器5没有定位直射阳光，即光敏电桥没有达到平衡状态时，阳光传感器云台6不断偏转，以感知直射阳光，使光敏电桥达到平衡。

当阳光传感器5定位直射阳光后，阳光传感器云台步进电机组7的旋转角度信息(阳光入射角α；偏转角γ)，α、γ是相对于零位变化的角度。以数字信号的形式上传至基准桩控制箱4，由阳光入射角α＝阳光出射角β，得到阳光出射角β。将β、γ数据传输至跟踪激光器云台步进电机组10，启动跟踪激光器8与导向激光器13，校正出射光。

当跟踪激光器8与导向激光器13启动后，扫描式激光传感器11开始工作，用以校验跟踪激光是否与导向激光平行。扫描式激光传感器驱动电机12带动激光传感器11旋转，测量跟踪激光与导向激光间距，并将间距信息传至基准桩控制箱4，基准桩控制箱4将信号处理后，控制跟踪激光器云台9偏转校准，直至跟踪激光与导向激光精确平行，跟踪激光射向汇聚镜2。

完成跟踪激光光路校准后，基准桩1上阳光出射角β和偏转角γ信息，即跟踪激光器云台步进电机组10相对于零位旋转的角度，由基准桩控制箱4上传至上位机控制器3，经上位机控制器3处理后，得到依据基准桩1为基准的从动镜群组从动镜云台15的偏转信息，并以放射形式实时传输至从动镜群组内的各从动镜。从动镜控制箱17接收上位机控制器3下传的信息，驱动从动镜云台步进电机组16，调整从动镜云台15发生偏转，使从动镜镜面14反射的阳光汇聚至汇聚镜2。

从动镜云台步进电机组16运转的结果数据反馈至上位机控制器3，以监控从动镜群组内各从动镜的工作状态。从动镜群组完成一天定日跟踪周期后，依据上位机控制器3的指令，折返至起始点。

各从动镜群组依据各基准桩定位信息而动，从而形成大规模镜场的集中控制。

从动镜群组的规模，依据汇聚镜2汇聚光斑的精度确定。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变换，这样的变换均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.群组控制太阳能高温热发电集热控制系统，主要包括若干基准桩(1)、若干从动镜群组、用于汇聚从动镜镜场反射阳光的汇聚镜(2)，上位机控制器(3)实时接收基准桩(1)上传的反射镜出射光角(β)和偏转角(γ)的角度信息，并分配传输至被控群组从动镜，其特征在于：所述的基准桩(1)主要包括反射镜镜面(23)、反射镜云台(25)、反射镜云台步进电机(24)、基准桩控制箱(4)、阳光传感器(5)及阳光传感器云台(6)、跟踪激光器(8)及跟踪激光器云台(9)、用于校准跟踪激光精度的扫描式激光传感器(11)及扫描式激光传感器驱动电机(12)，用于基准桩至汇聚镜定位导向的导向激光器(13)；所述的上位机控制器(3)包括上位机可编程控制器、集热控制系统软件、总控计算机和用于信号、电力传输的传输光、电缆；所述的从动镜群组中的从动镜包括从动镜镜面(14)、从动镜云台(15)、从动镜云台步进电机组(16)及用于驱动控制从动镜定日运行的从动镜控制箱(17)。

2.根据权利要求1所述的群组控制太阳能高温热发电集热控制系统，其特征在于：所述的基准桩包括阳光传感器(5)、用于调整阳光传感器(5)并跟随直射阳光运转的阳光传感器云台(6)、跟踪激光器(8)、用于调整跟踪激光并使跟踪激光与出射阳光光路相同的跟踪激光器云台(9)、校准跟踪激光精度的扫描式激光传感器(11)及用于基准桩至汇聚镜定位导向的导向激光器(13)。

3.根据权利要求2所述的群组控制太阳能高温热发电集热控制系统，其特征在于：所述的激光传感器(11)为平行式扫描激光传感器。

4.根据权利要求1所述的群组控制太阳能高温热发电集热控制系统，其特征在于：所述的基准桩控制箱(4)为单片机控制实时光控跟踪系统。

5.根据权利要求1所述的群组控制太阳能高温热发电集热控制系统，其特征在于：所述的基准桩控制箱(4)还设置有用于时间控制的时钟系统。

6.根据权利要求1所述的群组控制太阳能高温热发电集热控制系统，其特征在于：基准桩(1)将阳光定位信息上传、上位机控制器(3)处理、从动镜接收信息进行集中控制；另外，各从动镜将跟踪信息上传至上位机控制器(3)，实现信息反馈。