定日鏡跟蹤控制系統的研究

德州職業技術學院　欒玉靜

1　定日鏡跟蹤控制系統的研究背景

太陽能熱發電，也叫聚焦型太陽能熱發電，與傳統發電站不同,它是通過聚集太陽輻射獲得熱能，再將熱能轉化成高溫蒸汽驅動蒸汽輪機來發電的。

當前，太陽能熱發電按照太陽能采集方式的不同，可以分為太陽能槽式發電、太陽能塔式熱發電和太陽能碟式熱發電三種。其中，塔式太陽能熱發電控制系統中，定日鏡跟蹤控制裝置設計的是否合理至關重要，因為只有這樣才能使得所有定日鏡都能將太陽光全部反射到集熱器，但是現有的定日鏡跟蹤控制技術大多采用定日鏡單鏡光跟蹤控制方式或群鏡時控跟蹤方式，這些方法用于大規模鏡場時，成本高、跟蹤精度差、熱效率低，更大的問題是管理維護成本過高，檢測維修困難。

2　定日鏡跟蹤控制系統工作原理

定日鏡跟蹤控制系統是一種解決現有技術中的控制系統在鏡場規模擴大時，產生的跟蹤精度變差、管理維護困難和綜合成本過高的問題。

圖1　定日鏡跟蹤控制工作原理圖a

圖2　定日鏡跟蹤控制工作原理圖b

圖示說明：1.基準樁；2.匯聚鏡；3.上位機控制器；4.基準樁控制箱；5.陽光傳感器；6.陽光傳感器云臺；7.陽光傳感器云臺步進電機組；8.跟蹤激光器；9.跟蹤激光器云臺；10.跟蹤激光器云臺步進電機組；11.掃描式激光傳感器；12.掃描式激光傳感器驅動電機；13.導向激光器；14.從動鏡鏡面；15.從動鏡云臺；16.從動鏡云臺步進電機組；17.從動鏡控制箱；18.入射光；19.鏡面法線20.反射鏡面；21.出射光；22.反射塔；α.陽光入射角；β.陽光出射角；γ.偏轉角。

基準樁的陽光傳感器云臺驅動陽光傳感器跟蹤直射陽光，當陽光傳感器定位直射陽光后，陽光傳感器云臺步進電機機組的旋轉角度信息與陽光傳感器云臺的基準信息比較，得到陽光入射角α和陽光傳感器云臺的偏轉角度+△α。

跟蹤激光器云臺根據陽光入射角α及陽光傳感器云臺的偏轉角度+△α，確定跟蹤激光角度，也即陽光出射角β和跟蹤激光器云臺的偏轉角度-△α；當跟蹤激光器云臺確定了陽光出射角β和云臺偏轉角度-△α以后，跟蹤激光器啟動，以出射光的光路，照射匯聚鏡。陽光入射角α=陽光出射角β。

當陽光傳感器沒有定位直射陽光，即光敏電橋沒有達到平衡狀態時，陽光傳感器云臺不斷偏轉，以感知直射陽光，使光敏電橋達到平衡；當無陽光時，陽光傳感器不工作，即光敏電橋處于休眠狀態，陽光傳感器云臺按照時控程序，模擬跟蹤陽光。

當跟蹤激光器與導向激光器同時以反射光的光路工作后，激光傳感器工作，用以校驗跟蹤激光出射精度；激光傳感器驅動電機工作，帶動激光傳感器旋轉，通過測量跟蹤激光與導向激光間距信息，檢驗跟蹤激光與導向激光的平行度，從而校驗跟蹤激光的出射精度。

經校驗的跟蹤激光出射角度和跟蹤激光器云臺偏轉角度信息，上傳至上位機控制器，經上位機控制器處理后，放射狀傳輸至依基準樁為標稱的從動鏡群組。從動鏡群組依據上位機控制器下傳的跟蹤角度信息調整反射鏡的角度，使反射陽光匯聚至匯聚鏡。

從動鏡云臺驅動步進電機組運轉的結果數據，反饋至上位機控制器，以監控從動鏡群組工作狀態，從動鏡群組完成一天定日跟蹤周期，依據上位機控制器的指令，折返至起始點。從動鏡群組規模，依據匯聚鏡匯聚光斑的精度確定。

3　采用定日鏡跟蹤控制系統的效果

1)本系統能夠判斷基準樁反射的陽光在匯聚鏡上的位置；同時無需在每面定日鏡上安裝跟蹤設備；定日鏡的安裝也不需要高精密度，大大提高鏡場的安裝速度、調試速度。

2)本系統適用于大型定日鏡鏡場，滿足大規模定日鏡的高精度控制，具有較高的可靠性和可用性，可以用于建造50兆瓦以上的商業化塔式太陽能熱發電機組。

3)定日鏡跟蹤控制由上位機控制器，實現了基準樁信息上傳、從動鏡接受信息的集中控制。另外，各從動鏡跟蹤信息可上傳至上位機控制器，實現信息反饋。

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