塔式太陽能熱發電鏡場跟蹤控制裝置研制

南京南瑞太陽能科技有限公司 ■ 談友飛王啟揚 林晨江蘇省太陽能技術重點實驗室 ■ 周元興南京嘉業新能源有限公司 ■ 袁銀鳳

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塔式太陽能熱發電鏡場跟蹤控制裝置研制

南京南瑞太陽能科技有限公司 ■ 談友飛*王啟揚 林晨江蘇省太陽能技術重點實驗室 ■ 周元興
南京嘉業新能源有限公司 ■ 袁銀鳳

摘 要：針對太陽輻射能存在密度低、間歇性和空間分布不均勻等特征，如何有效地收集和利用太陽能成為塔式太陽能發電中的首要問題。通過研究鏡場各種工作狀態，研制出鏡場跟蹤控制裝置。并通過北京延慶光熱現場塔式集熱器光斑采集情況，驗證所研制的就地控制裝置及中控裝置的準確性和有效性。

關鍵詞：定日鏡；就地控制裝置；中控裝置；塔式集熱器

0 引言

塔式太陽能熱發電原理為：鏡場中的定日鏡將太陽光精確反射并聚焦至集熱器表面，由集熱器吸熱介質吸收太陽輻射能，并將其轉化為熱能，再經過換熱器換熱，產生蒸汽，驅動汽輪機和發電機發電[1]。塔式太陽能熱發電相比其他3種(槽式、碟式、菲涅爾式)太陽能熱發電模式，具有集熱溫度高、熱電轉化率高、可儲能等優點。此外，高精度鏡場跟蹤控制裝置的研制是本文重點研究內容之一。在鏡場中，如何精確、穩定控制定日鏡的偏轉將直接影響太陽能利用效率[2-4]。

本文在跟蹤控制裝置的研制過程中，采用開環控制方法，根據現有太陽高度角、方位角的計算方法，計算出當前控制時刻內定日鏡所需偏轉角度，完成對太陽方位的精確跟蹤。

1 鏡場跟蹤控制系統構成

定日鏡鏡場跟蹤控制裝置主要包括就地控制裝置及中控裝置兩部分。

1.1 就地控制裝置

就地控制裝置包括：開關電源、CPU控制板、伺服驅動板、I/O板、伺服電機、現場的傳感器。其中，每臺就地控制裝置包括俯仰和方位兩臺伺服電機，包括正限位、負限位4個PNP常閉的傳感器，實現太陽位置的自動跟蹤。

1.2 中控裝置

中控裝置由開關電源和M258組成，對定日鏡場進行組織協調，上位的命令通過中控裝置組織后分發給鏡場中的定日鏡[5-7]。中控裝置與鏡場定日鏡采用無線WiFi通訊。系統結構圖如圖1所示。

圖1　系統架構圖

2 鏡場跟蹤控制方案及策略

目前，塔式太陽能系統中定日鏡的跟蹤控制方式主要有3種：光電跟蹤方式、天文跟蹤方式及天文與光電混合跟蹤方式。光電跟蹤方式是閉環的隨機系統，而天文跟蹤方式和天文與光電混合跟蹤方式是開環的程控系統[7]。

國內塔式示范電站中，定日鏡的跟蹤控制方式以開環跟蹤控制為主，其他跟蹤控制方式為輔。由于國內沒有大規模的塔式光熱電站建設經驗，以及國外對前沿技術的壟斷，尚缺少對定日鏡大規模聚光跟蹤控制策略的研究。同時，在定日鏡建模方面，北京延慶光熱示范電站已有較為成熟的方案，但定日鏡鏡場控制規模較小，是否適用于更大規模的商業化電站還需經驗的積累。為了填補國內在這方面的空缺，定日鏡大規模聚光跟蹤控制策略和精確建模技術還有待研究。

通過分析研究北京延慶光熱現場實際情況，擬選用天文跟蹤方式為主要研究對象，研制就地控制裝置和中控裝置；同時為實現定日鏡大規模精確跟蹤控制，保證定日鏡的跟蹤控制時間與鏡場就地控制裝置、中控裝置、上位機和當地時間保持一致，本研究在鏡場跟蹤控制系統中加入GPS模塊，每隔10 min進行一次系統時間校對，保證在任意時刻定日鏡的實時精確跟蹤控制。

3 鏡場跟蹤控制裝置

3.1 就地控制裝置

3.1.1 就地控制裝置硬件組成

就地控制裝置包括：定日鏡控制器、低壓伺服電機驅動器、低壓伺服電動機、柜體和附件，如圖2所示。就地控制裝置硬件設計如圖3所示。

圖2　就地控制裝置

圖3　就地控制裝置硬件設計

研制的就地控制裝置硬件包含：

1)兩塊電機驅動板，水平對應A路，俯仰對應B路。CPU板所接的電機驅動板定義為A路，I/O板所接的電機驅動板定義為B路。

2)電機驅動板的24 V電源不分正負。

3)關于DI接口：設計的是接PNP型傳感器，公共端接地，8路接口接信號輸入。其中DI0為A路正向限位；DI1為A路負向限位；DI2為B路正向限位；DI3為B路負向限位；DI4～7為用戶自定義功能。

4)關于DO接口：DO接口引出的是繼電器的常開端，共有4路，每路允許最大電流為500 mA。3.1.2 就地控制裝置軟件設計

定日鏡鏡場就地控制系統的硬件原理框圖如圖4所示。由CPU板給步進電機驅動器提供脈沖信號、方向信號等控制信號，然后由驅動器根據控制信號來驅動電機正反轉運動，在高度角方向和方位角方向分別由不同的角度傳感編碼器進行鏡面角度檢測并將檢測值反饋到控制器，進而由控制器進行相應數據處理和分析，從而使系統構成一個閉環控制系統。

圖4　閉環控制系統圖

在設計過程中，第一，由太陽位置確定方式和定日鏡反射角度的計算過程可知，數據處理涉及到多次復雜的浮點運算，因此控制器要能實現較復雜的浮點運算，且需較快的運算速度，否則系統實時性較低，就會影響定日鏡的跟蹤精度；第二，計算太陽位置時，需將當地實時時間轉換后，根據時間和觀測點經緯度進行計算，因此，控制器需能提供實時時鐘；第三，由于系統設計過程中，在定日鏡俯仰方向和旋轉方向上分別采取不同角度檢測方案，而不同角度傳感器帶有不同通訊端口，因此需控制器能方便地支持多種通訊方式，如Modbus、CAN、以太網等，從而方便與不同傳感器建立通訊連接；第四，控制器要能在復雜多變的工業環境中長期穩定工作。其整個控制程序流程如圖5所示。單片機，它有較強的運算能力，能快速實現較復雜的浮點運算；一般都帶有實時時鐘，能方便地與當地時間進行同步或根據系統需要虛擬時間；另外，具有多種通訊接口，能方便可靠地與外圍設備建立連接，可節省大量的通訊協議設計工作。

3.2 中控裝置

3.2.1 中控裝置硬件組成

中控裝置又稱中控PLC裝置，采用模件化設計，按功能可分CPU模件、I/O模件、電源模件和通訊模件等。經I/O BUS X總線與I/O的通訊，由10 M/100 M工業以太網實現各控制器之間及操作站的通訊。同時，PLC及模塊的安裝使用背板機架的方式。

中控PLC裝置由開關電源和PLC控制系統(M258)組成。上位計算機作為顯示和操作平臺，M258內置CAN open主站、1個Modbus通訊口，1個Modbus TCP以太網通訊口。支持U盤下載程序，便于售后服務和程序升級，如圖6所示。

綜合以上因素，本系統選取可編程邏輯控制器作為定日鏡控制系統的控制器，它是專為工業環境應用而設計的，具有抗干擾能力強、可靠性高、編程簡單、能耗低等優點；其硬件結構和微型計算機基本相同，包括：電源、中央處理單元、存儲器、通信單元、輸入輸出單元等。相比普通

圖5　控制程序流程

M258以太網可支持的服務：內置FTP Server、內置Web Server、網絡變量(PLC to PLC通訊)、用于 HMI或PC通訊、下載程序。中控PLC對定日鏡場進行組織協調，上位的命令通過PLC組織后分發給鏡場中的定日鏡。中控PLC與鏡場定日鏡采用無線WiFi通訊。中控PLC裝置如圖7所示。

圖6　M258結構件

3.2.2 中控裝置軟件設計

在中控裝置的軟件設計中，其程序流程如圖8所示。

Heliopathupg4：第四組路徑上鏡程序；

Heliopathupg5：第五組路徑上鏡程序；

helioposition_download：定日鏡旋轉坐標下發程序；

helioPath_down：全部定日鏡下鏡程序(未使用)；

helioinit_download：定日鏡初始角度下發；

heliopathdowng1：第一組路徑下鏡程序；

heliopathdowng2：第二組路徑下鏡程序；

heliopathdowng3：第三組路徑下鏡程序；

heliopathdowng4：第四組路徑下鏡程序；

heliopathdowng5：第五組路徑下鏡程序；

communication：通訊握手程序；

comunicationalarm：通訊不上報警程序；

OTC：實時時鐘下發程序；

date_read：上位日期讀取轉換程序；

manual_up_down：手動上下鏡程序；

date_write：定日鏡實時時鐘寫入轉換程序。

控制流程如圖9所示。

考慮到現場通訊量大，所以程序使用結構型變量數組對應每個定日鏡的通訊變量。現場每臺定日鏡的IP地址都對應一個鏡號，通過鏡號來做輪訓。使用數組輪訓的方式來執行數據判斷，對應數據寫入等操作。

4 現場驗證

在實際試驗過程中，通過上位機控制底端定日鏡跟蹤太陽。上位機界面功能如圖10所示。

經過多次測試，保證控制系統能穩定工作，為太陽跟蹤系統提供穩定的控制系統。

整個系統調試完成后進行試驗，經過多次試驗，不斷地進行改進和完善系統，使得系統更加合理和穩定，不斷提高系統的精度，測量試驗數據并進行分析，結果表明達到了設計的性能指標。

試驗設備：定日鏡場、中央吸熱塔；

試驗次數：2014年8月15日、9月4日；

試驗天氣：晴天，微風。

圖7　中控裝置

Main：主程序，所有子程序調用都在主程序里；Heliostandby：定日鏡上準備好點子程序；

Adjustment_download：歷史糾偏數據下發；Adjustment：糾偏程序；

Heliopathupg1：第一組路徑上鏡程序；

Heliopathupg2：第二組路徑上鏡程序；

Heliopathupg3：第三組路徑上鏡程序；

圖8　程序流程

圖9　控制流程

圖10　定日鏡控制系統圖

4.1 第一次跟蹤測試

試驗時間：2014年8月15日。

跟蹤時間：13:00～15:30。

目標點：位于中央吸熱塔上部的白靶中心位置，目標點坐標：(-1, -81.5, 105)。

測試過程：控制鏡場跟蹤太陽前，首先，需將PLC時間與系統時間進行校正；其次，將每臺定日鏡進行零點位確定；然后，確定每臺定日鏡的初始角度；最后，通過中控PLC下發跟蹤指令至每臺定日鏡控制柜中，完成自動跟蹤太陽。

采集過程中的匯聚光斑圖像如圖11所示。測試過程：與第一次跟蹤測試過程相同。采集過程中的匯聚光斑圖像如圖12所示。定日鏡場跟蹤測試結果表明：1)定日鏡均可自動跟蹤太陽；2)定日鏡跟蹤光斑為近似的圓形，光斑中心亮、四周暗；3)由定日鏡組成的定日鏡場可連續跟蹤太陽，并將太陽光準確反射到目標點位置，滿足定日鏡場跟蹤控制的工作要求。

5 結論

定日鏡跟蹤控制系統開發完成，通過分析塔式太陽能光熱發電鏡場跟蹤控制裝置的必要性，分別研制就地控制裝置和中控裝置，并采用無線通訊方式解決裝置間通訊問題；同時，在裝置中加入GPS模塊，保證整個跟蹤控制系統的實時準確性。最后，通過現場驗證，根據上位機界面顯示信息及當天光斑實際成像效果，驗證研制的跟蹤控制裝置達到預期目標。研制出的鏡場跟蹤控制裝置具有可靠性高、高跟蹤控制精度，為塔式太陽能光熱發電裝置的產品生產化提供依據。

參考文獻

[1] 郭蘇, 劉德有. 考慮接受塔陰影的定日鏡有效利用率計算[J]. 太陽能學報, 2007, 28(11): 1182－1187．

[2] 王軍, 張耀明, 王俊毅, 等. 太陽能熱發電系列文章(11)：槽式太陽能熱發電中的真空集熱管[J]. 太陽能學報, 2007, 14(5): 24－28．

[3] Gareia P, Ferrere A, Bezian J J. Codes for solar flux calculation dedicated to central receiver system applications: A comparative review[J]. Solar Energy, 2008, 82(3): 189－197．

[4] 劉巍, 王志超, 沈垣, 等. 太陽自動跟蹤系統的研究與設計[J]. 水電能源科學, 2009, 27(2): 215－218．

[5] 劉化果. 高性能塔式太陽能定日鏡控制系統研究[D]. 濟南:濟南大學, 2010．

[6] 徐明, 祝雪妹. 聚光式太陽能熱發電技術的現狀及發展趨勢[J]. 南京師范大學學報(工程版), 2011, 11(l): 27－32．

[7] Alpert D J, Kolb G J. Performance of the solar one power plant as simulated by the SOLERGY computer code[R]. Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM, 1988, SAND-88-0321．

圖11　采集跟蹤過程中2014年8月15日的匯聚光斑圖像

4.2 第二次跟蹤測試

試驗時間：2014年9月4日。

跟蹤時間：13:00～15:30。

目標點：北京延慶光熱基地，中央吸熱塔上部第3個吸熱器口，目標點坐標：(-1, -81.5, 67.5)。

圖12　采集跟蹤過程中2014年9月4日的匯聚光斑圖像

基金項目：國家電網公司科技項目(項目名稱：塔式光熱發電系統集成及控制技術研究；出資方：河北省電力公司)通信作者：談友飛(1990—)，男，助理工程師、本科，主要從事太陽能光熱發電技術方面的研究。1076988902@qq.com

收稿日期：2014-10-20