塔式太陽能熱發電站定日鏡追蹤控制系統的設計

王金偉

揚州電力設備修造廠 江蘇揚州 225003

1 研究背景

太陽能熱發電是一種可再生清潔能源發電,發電穩定,可以與電網友好連接,易于被電網接受。定日鏡作為太陽能熱發電站聚光系統的核心部件,其性能直接影響聚光場的全年效率,從而影響發電站的年發電效率。開發高精度、高可靠性和低成本的定日鏡,對于塔式太陽能熱發電站而言,不僅具有經濟效益,而且可以降低碳排放,減少各種污染物排放,具有廣泛的社會效益[1-2]。目前,在光熱發電項目中,槽式發電系統占比約為85%,塔式發電系統占比約為12%,其它發電技術占比約為3%。在世界范圍內,槽式光熱發電系統占比最高,但塔式光熱發電系統聚光比高,運行溫度高,熱轉換效率高,非常適合大規模、大容量商業化應用。在規劃建設的光熱發電站項目中,塔式光熱發電技術所占的比例已經超過了槽式光熱發電技術[3]。

未來,塔式光熱發電將是光熱發電的主要技術流派,是今后的發展方向。筆者根據光熱產業結構調整要求,結合定日鏡的特點,設計了一種塔式太陽能熱發電站定日鏡追蹤控制系統,實現了現地定日鏡單體自動跟蹤,以及鏡場管理系統對定日鏡集體調度,解決了一般定日鏡跟蹤精度低的問題,為定日鏡高精度跟蹤及鏡場高效發電提供了保證。

2 系統結構

塔式太陽能熱發電站定日鏡追蹤控制系統結構分為三級,分別為鏡場管理系統、數據交換層、現地控制器子網,如圖1所示。鏡場管理系統通過以太網與整個光熱電站集散控制系統進行數據通信,光熱發電站集散控制系統可以根據吸熱器表面能流密度來調整相關鏡組[4],以滿足吸熱器熱能量的均勻分布,并依托光束界定系統,采用輪詢的方式進行定日鏡的光斑校正,保證定日鏡的控制精度。集散控制系統向鏡場管理系統發出調度和管理控制指令,鏡場管理系統與管理型數據交換機構成以太網環形通信網絡,控制指令由鏡場管理系統發送至管理型數據交換機,管理型數據交換機將數據傳送至每個現地控制器子網交換機,子網交換機將數據傳送至子網內每一臺現地控制器內的可編程序控制器,可編程序控制器接收指令并解析后,控制電機進行相應的方位運動,實現定日跟蹤[5]。每個現地控制器子網由若干臺現地控制器組成,可以根據成本和可靠性要求決定數量。

圖1 塔式太陽能熱發電站定日鏡追蹤控制系統結構

3 硬件設計

塔式太陽能熱發電站定日鏡追蹤控制系統硬件主要由成百上千臺現地控制器組成。在綜合考慮裝置運行可靠性與精準性的前提下,確定定日鏡裝置以施耐德可編程序控制器為控制核心,旋轉角與俯仰角控制選用施耐德伺服電機驅動,水平初始限位、水平終止限位、俯仰初始限位、俯仰終止限位等四個限位采用施耐德磁感應傳感器控制[6]。現地觸摸屏或遠方鏡場管理系統與現地控制器內的可編程序控制器通信。可編程序控制器采用擴展太陽位置算法及空間模型轉換算法,實時計算定日鏡高度角和方位角目標位置。主控制程序根據當前鏡面姿態、運行死區及當前目標位置的偏差,發送指令驅動高度角、方位角伺服電機,伺服電機根據反饋脈沖不斷調整輸出精度,帶動傳動裝置運轉,進行鏡面姿態的實時調整,將太陽光高效精準地聚焦在遠方集熱塔上,進行光熱發電[7],塔式太陽能熱發電站定日鏡追蹤控制系統硬件如圖2所示。

圖2 塔式太陽能熱發電站定日鏡追蹤控制系統硬件

4 控制程序開發

在保證定日鏡實現自動跟蹤功能的前提下,編寫定日鏡控制程序,增加定日鏡停止、待機、清洗、歸零、自動跟蹤、手動跟蹤、避險等工作模式。部分控制程序如圖3～圖5所示[8]。

圖3 自診斷程序

現地觸摸屏通過網線與現地控制器中的可編程序控制器通信,監控界面顯示定日鏡的高度角、方位角及其曲線,脈沖、角度目標值與實際值,水平與高度極限等。參數錄入界面設置定日鏡、集熱塔的經緯度、鏡場的海拔及大氣壓力等數值[9]。手動模式下,通過上、下、左、右鍵控制定日鏡轉動。絕對角度確認控件在初次安裝鏡面時確定初始角度,誤差校正控件選取一天中三個時間點的角度誤差值,通過誤差補償法來對定日鏡角度進行校正。現地觸摸屏界面如圖6所示。

圖4 自動跟蹤程序

圖5 手動跟蹤程序

鏡場管理系統位于中控室,通信測試界面顯示整個鏡場定日鏡及其通信地址,通信異常與否在界面上有相應顯示。定日鏡狀態監控畫面顯示對定日鏡進行的監控。在自動跟蹤模式下,定日鏡現地控制器實時完成太陽位置和定日鏡控制角度的計算,定日鏡自動跟蹤太陽當前位置。在停止模式下,停止計算定日鏡輸出的控制角度,保持當前運行參數。在歸零模式下,定日鏡回轉至初始零位。在清洗模式下,定日鏡調整至預先定義的清洗位置。鏡場管理系統監控界面如圖7所示。

圖6 現地觸摸屏界面

圖7 鏡場管理系統監控界面

5 試驗驗證

為保證定日鏡光斑誤差小于4 mrad,必須要求定日鏡鏡面角度調整誤差小于2 mrad。同時考慮系統誤差裕量,在跟蹤控制算法中設置合理的運行死區。運行死區為1 mrad,即在現地控制器算法中設置當太陽位置變化超過1 mrad時,立即控制高度角、方位角電機運行,從而驅動定日鏡至對應位置[10-11]。在4 m/s、8 m/s、11 m/s風速下進行角度測量試驗,測量20臺定日鏡從8:00至16:30最佳光照時間下定日鏡的角度誤差,取平均值繪制曲線,如圖8所示。試驗結果表明,在三種工況下,定日鏡鏡面角度誤差均小于2 mrad。

圖8 定日鏡角度誤差試驗曲線

6 結束語

針對塔式太陽能熱發電站設計了一種定日鏡追蹤控制系統。這一系統在生產應用中運行正常,解決了塔式太陽能熱發電站鏡場整體調度與定日鏡精準追日問題。為進一步降低成本,未來可以研發基于單片機控制的現地控制器,并將鏡面高度角、方位角由伺服電機驅動改為由步進電機驅動。