CN105700567B - 一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法以及试验台 - Google Patents

一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法以及试验台 Download PDF

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Abstract

本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法以及试验台,包含有:支架(1),支架(1)位于以定日镜(7)中心为球心的球面上,且支架(1)绕定日镜(7)中心旋转;灯源(3),灯源(3)沿支架(1)移动,灯源(3)发出的光照射向定日镜(7);定日镜(7),定日镜(7)沿其中心进行水平和垂直面旋转;靶位(10),靶位(10)接收定日镜(7)反射过来的灯源(3)发出的光。本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法以及试验台,能够实现塔式太阳光热发电方式中定日镜在各工况条件下的模拟聚光发电、试验、精度验证和控制系统改进测试。

Description

一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法以及试验台
技术领域
本发明涉及一种仿真试验方法以及该方法所用的光热发电试验台,尤其是涉及一种塔式光热定日镜追日控制算法研究及太阳轨迹模拟仿真的试验方法及试验平台,用于通过模拟试验塔式光热发电控制算法优化、精度的提高和验证。
背景技术
太阳能热发电通常叫做聚光式太阳能发电,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;当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为太阳能槽式发电、太阳能塔式热发电、太阳能碟式热发电。
槽式系统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;塔式系统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高温集热器(太阳锅炉)上,加热工质产生过热蒸汽,或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;碟式系统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。
目前槽式系统控制精度要求低,技术最为成熟,商业化程度最高,但槽式系统管路长转换效率低,塔式系统和碟式系统转换效率高但成本及控制要求高,其中塔式系统因具有较高的转化效率已经在商业化电站中有所应用,目前国内外已对塔式光热发电的制造、工程、控制等多方面进行技术攻关。作为新能源的重要技术,我国在国产化光热发电产业装备过程中有许多技术难点没有攻克,尤其是塔式光热中的定日镜控制精度,由于安装误差、在长期运行过程中累计误差、机械磨损等原因,聚光效果难以保证。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法以及试验台,利用本专利所示方法和试验台能够实现塔式太阳光热发电方式中定日镜在各工况条件下的模拟聚光发电、试验、精度验证和控制系统改进测试;通过本专利可提供仿真环境进行长期反复的试验,为算法优化、控制系统优化改进提供试验平台。
本发明的目的是这样实现的:
一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台,所述试验台包含有:
支架,支架位于以定日镜中心为球心的球面上,且支架绕定日镜中心旋转;
灯源,灯源沿支架移动,灯源发出的光照射向定日镜;
定日镜,定日镜沿其中心进行水平和垂直面旋转;
靶位,靶位接收定日镜反射过来的灯源发出的光。
本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台,所述支架由四段圆弧段构成,一圆弧段上嵌置有导轨一,电机一及减速箱驱动灯源沿导轨一行走;构成支架的四段圆弧段的底部嵌置在底座导轨上,所述底座导轨的圆心与定日镜的中心相重合,且至少一段圆弧段的底部设置有电机二及变速箱驱动支架沿底座导轨旋转。
本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台,构成支架的四段圆弧段的圆弧半径5米,弧长1/4圆周,圆弧间夹角为90°,组成对称结构。
本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台,导轨一为齿条结构,电机一及减速箱输出轴上套装有的齿轮与导轨一相啮合;底座导轨上设置有与电机二及变速箱的输出轴上的齿轮相啮合的齿。
本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,
灯源沿支架移动模拟太阳位置,定日镜同步进行旋转,将灯源发出的光反射至靶位,实测靶位上的反射光斑偏离靶位中心的距离,测算控制系统、机械传动等系统的误差。
本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,所述电机一及减速箱中的电机为伺服电机,电机精度为2400步,减速箱减速比为60:1,减速箱输出轴齿轮为20齿与导轨一上齿条啮合,所述导轨一内嵌齿条齿数N为540,导轨一上每个齿对应的距离ΔL=2πR/(4N)=2×π×5000mm/(4×540)=14.5444mm;所述的电机一及减速箱中电机驱动最小距离ΔL’=ΔL×(减速箱输出轴最小控制角度/减速箱输出轴一个齿对应弧度)=ΔL×(360°/2400/60)/(360°/20)=0.002mm;
构成支架的四段圆弧段的四个底部支点均与齿轮状的底座导轨相啮合,所述底座导轨内嵌N’=2160个齿,
所述电机二及减速箱中的电机为伺服电机,电机精度为2400步,减速箱减速比为60:1,减速箱输出轴齿轮为20齿与底座导轨上齿条啮合,底座导轨上每个齿对应的距离ΔL’=2πR/(N’)=2×π×5000mm/(2160)=14.5444mm;
所述的电机二及减速箱中电机驱动最小距离ΔL’’=ΔL’×(减速箱输出轴最小控制角度/减速箱输出轴一个齿对应弧度)=ΔL’×(360°/2400/60)/(360°/20)=0.002mm;
所述定日镜,位于支架与底座导轨所构成的球心位置,使得定日镜镜面中心与球心重合,定日镜可以镜面中心为原点,通过定日镜支架上的二轴电机进行水平旋转、倾斜角度的调整;所述定日镜中的二轴驱动电机采用6400线的伺服电机及180:1的减速器、轴端配置高精度编码器,实现定日镜镜面控制角度精度达0.0003°。
本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,所述靶位为2m×2m的幕布,中心位置可调,以定日镜和支架所处球心为空间坐标原点,确定靶位中心的空间坐标,通过调整靶位进行模拟不同镜面与靶位位置关系的聚光试验。
本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,控制柜一用于控制电机一及变速箱和电机二及变速箱,从而通过灯源模拟太阳位置;控制柜二用于控制定日镜的二轴电机,从而模拟定日镜位置。
本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,控制柜一由plc可编程逻辑器件、电机驱动、通讯模块构成,控制柜一模拟发生时间,并通过太阳位置SPA算法根据当前模拟时间进行推算当时太阳的真实空间位置:太阳高度角和太阳方位角,同时plc经过计算得出灯源在导轨一上的位置、支架在底座导轨上的位置即为模拟太阳的高度和方位;执行时,plc记录并输出电机一和电机二的执行步数,到达目标位置,并根据时间变化,不断模拟太阳位置变化;
所述控制柜二由plc可编程逻辑器件、电机驱动、通讯模块构成,控制柜二与控制柜一进行模拟时间同步,通过太阳位置SPA算法根据当前模拟时间进行推算当时太阳的真实空间位置:太阳高度角和太阳方位角,根据靶位的位置可通过空间几何关系确定定日镜法线的空间向量,从而计算出定日镜对应的水平、倾斜角度,plc发出指令控制定日镜的二轴电机,并通过角度闭环精度控制镜面姿态。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明突破传统依靠真实太阳试验中的气候、时间、速度等限制,可进行人工调整模拟太阳东升西落的速度,加快试验进程,可随时调整一年四季各时间段、各地理位置的太阳轨迹,可随时调整靶位与定日镜的位置关系,满足各种工况进行系统模拟和试验,方便验证工作过程、控制系统精度和优化算法等。
附图说明
图1为本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台的总体示意图。
图2为本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台的支架立体结构示意图。
图3 为本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台的定日镜的结构示意图。
图4 为本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台的定日镜的工作状态示意图。
图5 为本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法的流程图。
其中:
支架1、导轨一2、灯源3、电机一及变速箱4、电机二及变速箱5、底座导轨6、定日镜7、控制柜一8、控制柜二9、靶位10。
具体实施方式
参见图1~5,本发明涉及的一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台,所述试验台包含有:
支架1,支架1位于以定日镜7中心为球心的球面上,且支架1绕定日镜7中心旋转;
灯源3,灯源3沿支架1移动,灯源3发出的光照射向定日镜7;
定日镜7,定日镜7沿其中心进行水平和垂直面旋转;
靶位10,靶位10接收定日镜7反射过来的灯源3发出的光;
本发明一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法为:
灯源3沿支架1移动模拟太阳位置,定日镜7同步进行旋转,将灯源3发出的光反射至靶位10,实测靶位10上的反射光斑偏离靶位10中心的距离,测算控制系统、机械传动等系统的误差。
并且,在上述试验方法中,可通过程序设定加快时间倍率,使实际太阳东升西落的一天时间缩短为几个小时、几十分钟,可快速验证系统的控制效果,加快系统优化、试验的进程。试验时,可加速、暂定系统运行状态,研究偏差原因,实现对光热发电定日镜控制系统的改进。
下面结合图1~5对本发明的太阳光热发电定日镜控制仿真试验台做具体展开描述:
支架1由四段圆弧段构成,一圆弧段上嵌置有导轨一2,电机一及减速箱4驱动灯源3沿导轨一2行走;构成支架1的四段圆弧段的底部嵌置在底座导轨6上,所述底座导轨6的圆心与定日镜7的中心相重合,且至少一段圆弧段的底部设置有电机二及变速箱5驱动支架1沿底座导轨6旋转;
构成支架1的四段圆弧段的圆弧半径5米,弧长1/4圆周,圆弧间夹角为90°,组成对称结构,5米的半径使得试验台运转过程中模拟位置精度能够达到0.01°;
导轨一2为齿条结构,电机一及减速箱4输出轴上套装有的齿轮与导轨一2相啮合;
底座导轨6上设置有与电机二及变速箱5的输出轴上的齿轮相啮合的齿;
电机二及变速箱5和底座导轨6的控制最小移动距离为0.5mm(ΔS),得到模拟太阳位置的精度为360°×ΔS /S=360°×0.5mm/(2*π*5000mm)=0.0057°(其中S为半径为5米的圆周长),满足试验台控制精度0.01°的要求;
具体的讲:
所述灯源3为高亮度聚光灯,射出光束集中,灯源为单轴活动部件,可调整角度对准试验台定日镜中心;
所述电机一及减速箱4中的电机为伺服电机,电机精度为2400步,减速箱减速比为60:1,减速箱输出轴齿轮为20齿与导轨一2上齿条啮合,所述导轨一2内嵌齿条齿数N为540,导轨一2上每个齿对应的距离ΔL=2πR/(4N)=2×π×5000mm/(4×540)=14.5444mm;所述的电机一及减速箱4中电机驱动最小距离ΔL’=ΔL×(减速箱输出轴最小控制角度/减速箱输出轴一个齿对应弧度)=ΔL×(360°/2400/60)/(360°/20)=0.002mm;
构成支架1的四段圆弧段的四个底部支点均与齿轮状的底座导轨6相啮合,所述底座导轨6内嵌N’=2160个齿,
所述电机二及减速箱5中的电机为伺服电机,电机精度为2400步,减速箱减速比为60:1,减速箱输出轴齿轮为20齿与底座导轨6上齿条啮合,底座导轨6上每个齿对应的距离ΔL’=2πR/(N’)=2×π×5000mm/(2160)=14.5444mm;
所述的电机二及减速箱5中电机驱动最小距离ΔL’’=ΔL’×(减速箱输出轴最小控制角度/减速箱输出轴一个齿对应弧度)=ΔL’×(360°/2400/60)/(360°/20)=0.002mm;
所述定日镜7,位于支架1与底座导轨6所构成的球心位置,使得定日镜7镜面中心与球心重合,定日镜7可以镜面中心为原点,通过定日镜7支架上的二轴电机进行水平旋转、倾斜角度的调整;所述定日镜中的二轴驱动电机采用6400线的伺服电机及180:1的减速器、轴端配置高精度编码器,实现定日镜镜面控制角度精度达0.0003°;
所述靶位10为2m×2m的幕布,中心位置可调,以定日镜7和支架1所处球心为空间坐标原点,可确定靶位中心的空间坐标,通过调整靶位10进行模拟不同镜面与靶位位置关系的聚光试验。
进一步的:
控制柜一8用于控制电机一及变速箱4和电机二及变速箱5,从而通过灯源3模拟太阳位置;
控制柜二9用于控制定日镜7的二轴电机,从而模拟定日镜位置;
控制柜一8——太阳位置模拟控制柜由plc可编程逻辑器件、电机驱动、通讯模块构成,控制柜一8模拟发生时间,并通过太阳位置SPA算法根据当前模拟时间进行推算当时太阳的真实空间位置(太阳高度角、太阳方位角),同时plc经过计算得出灯源3在导轨一2上的位置、支架1在底座导轨6上的位置即为模拟太阳的高度和方位;执行时,plc记录并输出电机一和电机二的执行步数,到达目标位置,并根据时间变化,不断模拟太阳位置变化。
所述控制柜二9——定日镜模拟控制柜有plc可编程逻辑器件、电机驱动、通讯模块构成,控制柜二9与控制柜一8进行模拟时间同步,通过太阳位置SPA算法根据当前模拟时间进行推算当时太阳的真实空间位置(太阳高度角、太阳方位角),根据靶位10的位置可通过空间几何关系确定定日镜法线的空间向量,从而计算出定日镜对应的水平、倾斜角度,plc发出指令控制定日镜7的二轴电机,并通过角度闭环精度控制镜面姿态。
试验时,先运行控制柜一8、控制柜二9进行程序复位,并依次控制支架1、灯源3、定日镜7回到初始位置,进行归零复位,其中灯源7位置为模拟太阳东升位置,定日镜7为水平正南位置。试验开始,控制柜一8和控制柜二9进行时间同步,并采用同一时间倍率,进行太阳位置SPA计算,控制柜一8计算太阳位置高度角和方位角控制支架1和灯源3步进,并记录当前步数,开环控制模拟灯源与计算太阳高度、方位角一致;控制柜二9计算太阳位置高度、方位角与控制柜一8一致,同时根据靶位位置计算镜面姿态分别控制定日镜7二个自由度的角度,实现反射光投射到靶位中心,
另外:需要注意的是,上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案,本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进,均在本专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台,其特征在于:所述试验台包含有:
支架(1),支架(1)位于以定日镜(7)中心为球心的球面上,且支架(1)绕定日镜(7)中心旋转;
灯源(3),灯源(3)沿支架(1)移动,灯源(3)发出的光照射向定日镜(7);
定日镜(7),定日镜(7)沿其中心进行水平和垂直面旋转;
靶位(10),靶位(10)接收定日镜(7)反射过来的灯源(3)发出的光;
所述支架(1)由四段圆弧段构成,一圆弧段上嵌置有导轨一(2),电机一及减速箱(4)驱动灯源(3)沿导轨一(2)行走;构成支架(1)的四段圆弧段的底部嵌置在底座导轨(6)上,所述底座导轨(6)的圆心与定日镜(7)的中心相重合,且至少一段圆弧段的底部设置有电机二及变速箱(5)驱动支架(1)沿底座导轨(6)旋转;
构成支架(1)的四段圆弧段的圆弧半径5米,弧长1/4圆周,圆弧间夹角为90°,组成对称结构;导轨一(2)为齿条结构,电机一及减速箱(4)输出轴上套装有的齿轮与导轨一(2)相啮合;底座导轨(6)上设置有与电机二及变速箱(5)的输出轴上的齿轮相啮合的齿。
2.一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,其特征在于:所述方法采用如权利要求1所述的一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验台,
灯源(3)沿支架(1)移动模拟太阳位置,定日镜(7)同步进行旋转,将灯源(3)发出的光反射至靶位(10),实测靶位(10)上的反射光斑偏离靶位(10)中心的距离,测算控制系统、机械传动系统的误差。
3.如权利要求2所述一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,其特征在于:所述电机一及减速箱(4)中的电机为伺服电机,电机精度为2400步,减速箱减速比为60:1,减速箱输出轴齿轮为20齿与导轨一(2)上齿条啮合,所述导轨一(2)内嵌齿条齿数N为540,导轨一(2)上每个齿对应的距离ΔL=2πR/(4N)=2×π×5000mm/(4×540)=14.5444mm;所述的电机一及减速箱(4)中电机驱动最小距离ΔL’=ΔL×(减速箱输出轴最小控制角度/减速箱输出轴一个齿对应弧度)=ΔL×(360°/2400/60)/(360°/20)=0.002mm;
构成支架(1)的四段圆弧段的四个底部支点均与齿轮状的底座导轨(6)相啮合,所述底座导轨(6)内嵌N’=2160个齿,
所述电机二及减速箱(5)中的电机为伺服电机,电机精度为2400步,减速箱减速比为60:1,减速箱输出轴齿轮为20齿与底座导轨(6)上齿条啮合,底座导轨(6)上每个齿对应的距离ΔL’=2πR’/(N’)=2×π×5000mm/(2160)=14.5444mm;
所述的电机二及减速箱(5)中电机驱动最小距离ΔL’’=ΔL’×(减速箱输出轴最小控制角度/减速箱输出轴一个齿对应弧度)=ΔL’×(360°/2400/60)/(360°/20)=0.002mm;
所述定日镜(7),位于支架(1)与底座导轨(6)所构成的球心位置,使得定日镜(7)镜面中心与球心重合,定日镜(7)可以镜面中心为原点,通过定日镜(7)支架上的二轴电机进行水平旋转、倾斜角度的调整;所述定日镜中的二轴驱动电机采用6400线的伺服电机及180:1的减速器、轴端配置高精度编码器,实现定日镜镜面控制角度精度达0.0003°。
4.如权利要求2所述一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,其特征在于:所述靶位(10)为2m×2m的幕布,中心位置可调,以定日镜(7)和支架(1)所处球心为空间坐标原点,确定靶位中心的空间坐标,通过调整靶位(10)进行模拟不同镜面与靶位位置关系的聚光试验。
5.如权利要求2所述一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,其特征在于:控制柜一(8)用于控制电机一及变速箱(4)和电机二及变速箱(5),从而通过灯源(3)模拟太阳位置;控制柜二(9)用于控制定日镜(7)的二轴电机,从而模拟定日镜位置。
6.如权利要求5所述一种太阳光热发电定日镜控制仿真试验方法,其特征在于:控制柜一(8)由plc可编程逻辑器件、电机驱动、通讯模块构成,控制柜一(8)模拟发生时间,并通过太阳位置SPA算法根据当前模拟时间进行推算当时太阳的真实空间位置:太阳高度角和太阳方位角,同时plc经过计算得出灯源(3)在导轨一(2)上的位置、支架(1)在底座导轨(6)上的位置即为模拟太阳的高度和方位;执行时,plc记录并输出电机一和电机二的执行步数,到达目标位置,并根据时间变化,不断模拟太阳位置变化;
所述控制柜二(9)由plc可编程逻辑器件、电机驱动、通讯模块构成,控制柜二(9)与控制柜一(8)进行模拟时间同步,通过太阳位置SPA算法根据当前模拟时间进行推算当时太阳的真实空间位置:太阳高度角和太阳方位角,根据靶位(10)的位置可通过空间几何关系确定定日镜法线的空间向量,从而计算出定日镜对应的水平、倾斜角度,plc发出指令控制定日镜(7)的二轴电机,并通过角度闭环精度控制镜面姿态。
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