塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中定日鏡控制方案研究

塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中定日鏡控制方案研究

現(xiàn)在，經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展與能源不足之間的矛盾日益突出。人類面臨著資源和環(huán)境的雙重壓力?？沙掷m(xù)發(fā)展是解決經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展之間的主要矛盾之一。以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)造成環(huán)境污染和溫室效應(yīng),從戰(zhàn)略角度出發(fā),調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、依靠科技進(jìn)步,利用太陽能、風(fēng)能等可再生資源是一個有效途徑。與風(fēng)能、生物能相比,太陽能具有儲量無限、存在普遍、利用清潔及開發(fā)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。中科院院士何祚庥在北京科協(xié)舉行人類發(fā)展研討會上說:“大力開發(fā)太陽能資源,是解決人類能源危機(jī)的重要舉措”,大規(guī)模發(fā)展太陽能市場可降低發(fā)電成本,有利于實現(xiàn)能源與環(huán)境的和諧發(fā)展。通過聚光實現(xiàn)太陽能發(fā)電,光-熱轉(zhuǎn)換率大,可產(chǎn)生足夠高工質(zhì)溫度,應(yīng)用前景十分廣闊。目前太陽能聚光類發(fā)電中,塔式發(fā)電系統(tǒng)理論聚光比達(dá)200～1000,熔融鹽吸熱溫度達(dá)565℃,更可能取代常規(guī)能源、實現(xiàn)大功率發(fā)電。然而,塔式系統(tǒng)定日鏡控制方案不一,探討一種合理有效的控制思路對塔式太陽能系統(tǒng)的發(fā)展很有必要。1本文的背景和發(fā)展1.1太陽能熱發(fā)電技術(shù)塔式太陽能系統(tǒng)原理是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群,將陽光聚集到1個固定在塔頂部的接收器上,用以產(chǎn)生高溫,加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫氣體,驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電,從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。塔式太陽能系統(tǒng)分為聚光、集熱、蓄熱、輔助能源和發(fā)電5個子系統(tǒng),能量傳遞的過程中存在太陽能→熱能→機(jī)械能→電能的轉(zhuǎn)換。塔式系統(tǒng)具有規(guī)模大、熱傳遞路程短、熱損耗少、聚光比大等特點,能量集中過程中靠定日鏡反射太陽光線一次完成,且受熱器散熱面積相對較小,光熱轉(zhuǎn)換效率較高。綜合治理環(huán)境污染的代價,與常規(guī)化石能源發(fā)電相比,太陽能發(fā)電前景更加廣闊。美國能源部研究表明,在大規(guī)模發(fā)電方面,塔式太陽能熱發(fā)電將是所有太陽能發(fā)電技術(shù)中成本最低的一種方式。塔式太陽能研究始于20世紀(jì)70年代,1981年法國、德國和意大利建造了額定功率為1MW的第一座塔式太陽能電站。隨后美國、德國、瑞士及日本等9個國家均相繼建造了塔式電站,至今已建成此類電站14座,其中最為著名的是美國SolarOne、SolarTwo。我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)起步較晚,為緩解能源問題和環(huán)境壓力,中國科學(xué)院、上海交通大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等多家科研機(jī)構(gòu)加強(qiáng)了這方面的技術(shù)研究。20世紀(jì)70年代中期,天津建造了一套功率1kW的塔式太陽能熱發(fā)電模擬裝置;2005年南京建成額定功率為70kW國內(nèi)第一座塔式太陽能電站,標(biāo)志著我國在塔式太陽能領(lǐng)域已取得初步成果;2008年開始籌劃在在北京延慶建設(shè)功率為1MW塔式太陽能電站,2009年8月已開始部分項目的競標(biāo),將陸續(xù)進(jìn)入施工階段。然而,太陽能能流密度低,定日鏡要達(dá)到理想聚光比需要采用雙軸跟蹤,控制系統(tǒng)復(fù)雜、代價高,國內(nèi)技術(shù)處于探索階段,制約著塔式發(fā)電的商業(yè)化進(jìn)程;發(fā)電效率隨定日鏡反射率和集熱塔高度的增加而提升,要實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電,需投入大量費用;系統(tǒng)流程復(fù)雜,熱損大。1.2定日鏡機(jī)械誤差太陽光線能流密度低、輻射具有間歇性,需采用跟蹤、聚焦方式實現(xiàn)對太陽的實時跟蹤,使太陽能聚集并在集熱器上形成聚焦光斑,繼而產(chǎn)生熱能。塔式太陽能發(fā)電技術(shù)中,定日鏡的功能在于跟蹤太陽,反射聚焦太陽光到集熱器,是能量傳遞的關(guān)鍵部件,系統(tǒng)效率是定日鏡效率、動力系統(tǒng)效率和發(fā)電效率的乘積,定日鏡效率取決于對太陽的跟蹤精度,聚光跟蹤精度上升,則成像光斑面積就會減小,光線能流密度上升,在達(dá)到期望溫度的同時還可減少熱損失。聚光子系統(tǒng)由定日鏡群和跟蹤裝置組成,定日鏡是由反射鏡、支撐結(jié)構(gòu)及傳動機(jī)構(gòu)組成的二維運(yùn)動聚光裝置,分別對應(yīng)太陽的方位角和高度角。定日鏡運(yùn)行及能量反射需可靠、穩(wěn)定和高效才能保證整個發(fā)電系統(tǒng)安全運(yùn)作,選材輕、機(jī)械強(qiáng)度高才能克服因太陽運(yùn)動而產(chǎn)生的誤差;根據(jù)反射率的要求,鏡面需具有一定弧度,目前有張力金屬膜反射鏡和玻璃反射鏡兩種鏡面。國外定日鏡反射面多為微弧面熱彎成型玻璃銀鏡,結(jié)構(gòu)簡單、抗傾覆性好,缺點是單立柱支撐使跟蹤誤差較大;隨時間推移,鏡架機(jī)械變形影響聚光效果。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研發(fā)出一種極軸式跟蹤輪胎面定日鏡,具有高聚光比、全天跟蹤光斑變化小等優(yōu)點;張耀明院士及其團(tuán)隊自行開發(fā)的“玻璃-金屬框架”結(jié)構(gòu)的定日鏡,創(chuàng)造性解決定日鏡技術(shù)方案不盡合理的難題;中科院電工所研制出有13個連接點、4mm厚的微弧球面反射鏡,提高了定日鏡的性價比;韓國三星公司在鋼化玻璃反射鏡制造方面具有世界領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢,鋼化玻璃反射鏡的平均反射率大于93%。定日鏡投資占總投資的51%,是制約塔式太陽能發(fā)展的原因之一,定日鏡的機(jī)械誤差給系統(tǒng)控制帶來不便,誤差來源有:立柱傾斜、重力變形、定日鏡面中心與旋轉(zhuǎn)中心偏離以及初始位置誤差等,各種誤差導(dǎo)致太陽位置變?yōu)橄鄬Φ姆蔷€性變化;外界環(huán)境因素,如大風(fēng)使定日鏡承受過大應(yīng)力,導(dǎo)致跟蹤精度降低,這些因素都應(yīng)考慮在定日鏡的控制方式中。1.3定日鏡旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽能輻射到地球表面的能量密度較低,定日鏡的運(yùn)轉(zhuǎn)方式能否與太陽運(yùn)動同步,決定塔式發(fā)電系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)高效利用太陽能。目前,定日鏡運(yùn)轉(zhuǎn)方式有兩種:第一種,通用太陽高度角和方位角確定太陽位置,可通過二維控制方式使定日鏡旋轉(zhuǎn),改變其朝向,以及實時跟蹤太陽位置,依據(jù)旋轉(zhuǎn)方式繞固定軸的不同,分為繞豎直軸和水平軸旋轉(zhuǎn)兩種方式,即方位角-仰角跟蹤方式,定日鏡運(yùn)行時采用轉(zhuǎn)動基座或基座上部轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)調(diào)整定日鏡方位變化,同時調(diào)整鏡面仰角的方式;第二種,自旋-仰角跟蹤方式(國際上現(xiàn)稱為“陳的曲面”和“陳的跟蹤方法”),是利用行與列的運(yùn)動來代替點的二維運(yùn)動的數(shù)學(xué)控制模式,這樣由子鏡組成光學(xué)矩陣鏡面的控制可以由幾何級數(shù)減少為代數(shù)級數(shù),采用鏡面自旋,同時調(diào)整鏡面仰角的方式實現(xiàn)定日鏡朝向的改變。1.4定日鏡跟蹤方式簡介為使定日鏡在不同硬件誤差、突發(fā)天氣狀況(如多云、大風(fēng))下穩(wěn)定工作,需選取一種合理的鏡面控制方式使定日鏡實現(xiàn)將不同時刻的太陽直射輻射全部反射到集熱器。若使用太陽跟蹤系統(tǒng),使太陽光始終垂直照射在接收面,則接收到的太陽輻射將大大增加。研究表明,對于完全相同的平板,與太陽輻射方向垂直的表面和朝南鉛直方向的固定表面,一天中兩者接收到的太陽輻射的比值大約是3∶1,可見應(yīng)用太陽自動跟蹤系統(tǒng)可以有效提高太陽能的利用率。國內(nèi)外常用的定日鏡跟蹤方式有傳感器控制、程序(或時鐘)控制以及程序傳感器混合控制3種方式。目前,利用傳感器實現(xiàn)太陽能自動跟蹤的控制方式有差壓式、比較控制式、立柱轉(zhuǎn)動式、陀螺儀式、齒輪轉(zhuǎn)動式、五點法自動跟蹤和五象限法自動跟蹤7種方式,美國研制的步進(jìn)電機(jī)電腦程控跟日機(jī)和日本研制的陰影-傳感器是當(dāng)今世界自動跟日技術(shù)的最高成果。傳感器控制原理如圖1所示,使用一個傳感器來測定入射太陽光線和系統(tǒng)光軸間的偏差,當(dāng)偏差超過一個值時,通過電機(jī)驅(qū)動機(jī)械部分轉(zhuǎn)動,減少偏差,直到使太陽光線與系統(tǒng)光軸重新平行,優(yōu)點是只要投射到傳感器的太陽光線正常,就能實時測出入射太陽輻射的方向,常用的傳感器有光電池、光敏電阻、光電管和雙金屬條等;時鐘跟蹤方式原理如圖2所示,太陽運(yùn)動的時角是自東向西勻速變化的,相當(dāng)于時鐘,跟蹤時以一個預(yù)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)跟蹤,這種跟蹤方式可以看作是對太陽運(yùn)動的時角進(jìn)行跟蹤,優(yōu)點是如果太陽在同一軌道長時間運(yùn)行,系統(tǒng)運(yùn)算簡便;程序控制方式如圖3,這種跟蹤方式采用與計算機(jī)相結(jié)合的方法,首先用一套公式通過計算機(jī)算出給定時間的太陽位置,再計算出跟蹤裝置被要求的位置,最后通過電機(jī)轉(zhuǎn)動裝置達(dá)到要求的位置,實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤,優(yōu)點是是按計算的太陽運(yùn)動規(guī)律來計算聚光鏡的位置,實時性好,受太陽運(yùn)動周期的影響較小。這3種定日鏡控制方式都存在各自的缺陷:傳感器控制跟蹤精度差、響應(yīng)慢和適應(yīng)性差,且多云天氣會跟蹤云層邊緣的亮點,導(dǎo)致電機(jī)往復(fù)運(yùn)行,造成能源浪費和部件額外磨損,且傳感器表面如果長時間不清潔就會導(dǎo)致無法跟蹤;時鐘控制跟蹤和程序控制跟蹤,開始運(yùn)行前精確定位,出現(xiàn)誤差后不能自動調(diào)整,需要利用精度和成本極高的位置傳感器和驅(qū)動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn);傳統(tǒng)程序傳感器混合控制,每臺定日鏡需設(shè)置兩個高精度角度傳感器,計算過程復(fù)雜,控制方式不完善?，F(xiàn)有塔式太陽能定日鏡控制系統(tǒng)中,國外定日鏡的典型控制是利用開環(huán)原理,需要利用精度和成本極高的位置傳感器和驅(qū)動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)這個功能,我國在南京的首座塔式太陽能電站中采用開環(huán)方式使定日鏡處于初始的準(zhǔn)確位置,當(dāng)系統(tǒng)啟動后應(yīng)用閉環(huán)控制,首次在實踐中實現(xiàn)了定日鏡跟蹤偏差的逐步校正。2鏡定日鏡控制系統(tǒng)2.1定日鏡的控制器設(shè)計控制系統(tǒng)由終端機(jī)和上位機(jī)組成,終端控制器將采集到的各傳感器數(shù)據(jù)通過串行總線發(fā)送至上位機(jī),或執(zhí)行上位機(jī)發(fā)來的動作指令,通過電機(jī)驅(qū)動定日鏡器跟蹤太陽。上位機(jī)根據(jù)時間日期、經(jīng)緯度及每臺定日鏡與塔的坐標(biāo)關(guān)系,計算每臺定日鏡的目標(biāo)位置;可編程控制器(ProgrammableLogicController,PLC)控制兩臺伺服電機(jī)(或變頻器控制的帶旋轉(zhuǎn)編碼器的變頻電機(jī))的正反轉(zhuǎn),通過傳動機(jī)構(gòu)可將定日鏡水平或俯仰旋轉(zhuǎn)至允許范圍內(nèi)的任意位置;通過接近開關(guān)(光電開關(guān)或機(jī)械開關(guān))加以限位。控制系統(tǒng)的硬件配置圖如圖4所示?？刂齐娐酚蒔LC、伺服電機(jī)和傳動裝置組成,根據(jù)同一時刻太陽和定日鏡的相對位置,計算出定日鏡需要轉(zhuǎn)過的角度,PLC通過改變脈沖占空比改變伺服電機(jī)電樞上電壓從而調(diào)整平均電壓的大小,達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。通過脈沖輸出模塊,PLC發(fā)出脈沖信號給伺服電機(jī),伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比,電機(jī)步距角與脈沖個數(shù)成正比,脈沖頻率越高,脈沖個數(shù)越多,電機(jī)速度和步距角越大。伺服電機(jī)啟動、停車、反轉(zhuǎn)都可以在少數(shù)脈沖內(nèi)完成,且在一定頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。2.2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計ABB集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem,DCS)系列AC800F為上位機(jī),下位機(jī)采用AC500PLC。每臺定日鏡的控制需要的點數(shù)共14個。輸入信號:4個限位信號,2個故障信號,4個手自動切換信號;輸出信號:2個脈沖輸出信號,2個故障復(fù)位信號。PLC的配置:電源模塊選用CP-E24/2.5A,CPU單元為PM571,CPU單元底板為TB511-ETH,脈沖輸出模塊為DC541-CM,輸入/輸出模塊為DC522,I/O模塊底板為TU516,以太網(wǎng)模塊為E-ILPH?？刂葡到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。上位機(jī)接收主控制的指令,將各個定日鏡旋轉(zhuǎn)到要求的位置,與圖像采集系統(tǒng)相連,通過圖像采集系統(tǒng),校正每臺定日鏡的跟蹤偏差。工程師站(EngineerStation,ES)用來設(shè)計、組態(tài)和調(diào)試。操作員站(OperatorStation,OS)用于參數(shù)和狀態(tài)的顯示,設(shè)備的啟停、參數(shù)調(diào)整和故障的復(fù)位,實現(xiàn)集中監(jiān)測、控制。上位機(jī)系統(tǒng)的各站點之間通過光纖環(huán)網(wǎng)和控制器通訊,采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,傳輸速率為100Mbit/s,AC800F控制器與PLC之間,以及PLC與PLC之間采用ProfibusDP通訊協(xié)議,傳輸速率為12Mbit/s。2.3定日鏡控制系統(tǒng)采用二維跟蹤的驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu),由太陽的方位角和高度角兩個自動跟蹤信號分別驅(qū)動兩個伺服電機(jī)。太陽位置算法通過上位機(jī)編程實現(xiàn),輸入時間、地點、環(huán)境參數(shù)和定日鏡的信息就可以得到此刻太陽位置,將太陽高度角和方位角轉(zhuǎn)換為定日鏡需要轉(zhuǎn)到的位置,并與定日鏡當(dāng)前位置信息比較,得出定日鏡需要轉(zhuǎn)動的角度,上位機(jī)將此信息傳給PLC,PLC發(fā)送脈沖給伺服電機(jī)控制定日鏡的轉(zhuǎn)動。發(fā)電能力與定日鏡反射的太陽輻射度有關(guān),為使系統(tǒng)比較均衡地工作,在反射光強(qiáng)較弱時盡可能增加定日鏡上接收到的太陽輻照量,光強(qiáng)度較大時適度減少接收到的太陽輻照量,因而有必要找到定日鏡法線和太陽光線在不同情況下的最佳角度。最佳角度的計算要綜合考慮連續(xù)性、均勻性和極大性,盡量滿足各月負(fù)載要求,使輻射量的差異盡可能小,而全年總輻射量盡可能大。利用集熱溫度及溫度變化率設(shè)計模糊控制器,可得到最佳太陽集熱光斑中心,從而替代集熱器的物理中心?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖6所示。運(yùn)行前輸入觀測點的經(jīng)緯度則自動計算每一時刻太陽位置并轉(zhuǎn)換成兩個方向的電機(jī)運(yùn)行步數(shù)。運(yùn)行時實時顯示太陽方位、仰角、北京時、世界時、地方時、方位角、方位驅(qū)動步數(shù)、總步數(shù)、高度角、高度角驅(qū)動步數(shù)和總步數(shù),并綜合考慮驅(qū)動機(jī)構(gòu)的啟動慣性所需要的最短時間和保證控制精度所限制的最長時間兩個因素,設(shè)定一個合適的脈沖寬度。雖然每次動作的時間常數(shù)設(shè)定后恒定不變,但輸出脈沖信號周期變化,因而可獲得自動跟蹤太陽方位角的時序控制信號。跟蹤控制系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。定日鏡控制系統(tǒng)采用就地控制、集中控制和全自動控制3種模式,正常情況下系統(tǒng)以全自動控制方式運(yùn)行,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或調(diào)試時使用就地控制和集中控制,所有定日鏡的動作都是由PLC編程實現(xiàn)的,不需要操作人員的干預(yù);在對定日鏡初步調(diào)整后,就可根據(jù)光斑能量中心對定日鏡進(jìn)行精確定位,使接收器上的光斑能量中心與接收器窗口的中心重合;鏡場設(shè)計和定日鏡成像光斑對準(zhǔn)是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)整體設(shè)計中的關(guān)鍵部分,對接收塔上的會聚光斑圖像進(jìn)行分析,通過定日鏡定位使接收塔上得到較大的太陽輻射能量,是鏡場設(shè)計必不可少的基礎(chǔ);在設(shè)定跟蹤地點和基準(zhǔn)零點后,控制系統(tǒng)會按照太陽的地平坐標(biāo)公式自動運(yùn)算太陽的高度角和方位角,然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動信號,實現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動的角度和方向變化。在日落后,跟蹤裝置停止跟蹤,按照原有跟蹤路線返回到基準(zhǔn)零點。2.4控制系統(tǒng)位置保護(hù)就地控制器與中控室通過Profibus總線通訊,可將控制器本身的狀態(tài)發(fā)送到中控,同時中控也可將環(huán)境參數(shù)信息傳遞給太陽跟蹤控制器。定日鏡的保護(hù)分為大風(fēng)保護(hù)和位置保護(hù):大風(fēng)保護(hù),由于定日鏡面積較大,當(dāng)風(fēng)速較大時,會受到很大的風(fēng)阻力,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度會降低,所以設(shè)定當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)定值時,中控室發(fā)送信號給控制器,控制器即將定日鏡面放平,以減小迎風(fēng)面積;位置保護(hù)分為軟件保護(hù)和硬件保護(hù),在軟件保護(hù)中設(shè)定定日鏡保護(hù)角度,當(dāng)轉(zhuǎn)動角度超過保護(hù)角度時,立即停止向伺服電機(jī)發(fā)送驅(qū)動脈沖信號,停止自動跟蹤。