應用於聚光太陽能發電的三臂式光跟蹤系統說明書

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/347044.htm

摘要：

隨著全球能源危機的加劇，節能減排成為了發展的主流。針對能源短缺問題，從實際應用角度出發，以節能為目的，本文提出了新型的三臂式聚光跟蹤系統。本設計由四象限光電傳感器檢測入射光，通過控制模塊處理，自動調節測角裝置中的電機運動，測得光角並傳給反光裝置，調節反光裝置使反射光始終聚焦在接收器上，適用於塔式太陽能聚光發電的場合。

作品內容簡介

塔式太陽能聚光發電產業發展迅猛，但因聚光效率低，控制系統複雜，成本高等問題至今仍未商業化。為提高聚光精度，簡化控制系統，我們設計了三臂式機械機構，採用測角裝置與反光裝置雙跟蹤系統，大大地提高了聚光發電的性價比，達到節能減排的目的。

我們通過測角裝置與太陽光垂直得到太陽光位置，並傳給各反光裝置。反光裝置根據相應算法做出調整，使所有的反射光聚焦在接收塔，提高太陽光利用率。

創新點：

1. 創新的三臂滑道式結構，結構簡單、控制方便和調整精度高，降低成本和系統功耗。
2. 將測角裝置和反光裝置分離出來，低成本高效率的得到太陽光的位置信號並精確的將反射光聚焦在一點。
3. 跟蹤系統實現了將太陽光始終聚焦在接受塔處，不受太陽方位變化的影響，大大提高了太陽能的利用率。
4. 本系統各模塊部件可單獨更換，便於維修維護；根據不同應用對相應模塊做調整，擴大系統裝置的應用範圍，如各種跟蹤系統，趨光系統，導光系統，有效地實現節能減排的目的。

本系統的模型及功能已完成，後續工作是系統的測試及優化。我們堅信本系統在新能源利用，節能減排方面發揮了巨大作用，創造高社會經濟效益。

1項目背景及意義

太陽能取之不盡用之不竭，而且不會產生溫室氣體，與其他形式的可再生能源相比如風能，太陽能是來源最為豐富且最穩定的能源。據海外媒體報導，一份由多國研究人員聯合撰寫的報告指出，聚光太陽能發電繼風能、光電池之後，已經開始嶄露頭角，有望成為解決能源匱乏、應對氣候變暖的有效技術手段。採用聚光太陽能發電（CSP）技術，2050年，沙漠中的太陽能發電站將可以滿足全球能源需求的25%，對CSP的投資有可能高達1740億歐元，太陽能發電站的產能可達1.5萬億瓦，佔全球電能需求的四分之一。同時還能創造200萬個工作機會，每年減少21億噸二氧化碳排放。科學家認為，位於「陽光充足地帶」的國家將從CSP技術中獲益，包括美國南部的沙漠地區、非洲北部、墨西哥、中國和印度等。

塔式太陽能熱發電系統主要由日光反射鏡子系統、接收器組成成，如圖1-1所示。其中日光反射鏡子系統由大量大型、平坦的太陽跟蹤反射鏡構成，對太陽進行實時跟蹤，把太陽光聚焦到塔頂的接收器。在接收器中對傳熱流體進行加熱，產生高溫過熱蒸汽，過熱蒸汽推動常規渦輪發電機組發電。塔式CSP電站的主要優勢在於它的工作溫度較高（800~1000℃），使其年度發電效率可以達到17%~20%，並且由於管路循環系統較槽式系統簡單得多，提高效率和降低成本的潛力都比較大；塔式CSP電站採用溼冷卻的用水量也略少於槽式系統，若需要採用乾式冷卻，其對性能和運行成本的影響也較低。塔式CSP的缺點也是明顯的：為了將陽光準確匯聚到集熱塔頂的接收器上，對每一塊定日鏡的雙軸跟蹤系統都要進行單獨控制，而槽式系統的單軸追蹤系統在結構上和控制上都要簡單得多；由於缺乏大型商用案例（佔在運CSP裝機容量的5.1%），相對槽式系統來說，塔式CSP電站的成本、性能、可靠性都還存在一定的不確定性；為發揮其效率潛力而需使用的融鹽介質也尚存一些技術問題值得顧慮。

圖 1‑1電力塔發電廠

為了解決現有塔式CSP存在的問題，我們提出了應用於聚光太陽能發電的三臂式光跟蹤系統。本系統不僅有效的解決了跟蹤系統複雜的問題，還降低了跟蹤系統的成本，提高了跟蹤系統的性能與可靠性，對塔式CSP的發展有大大的推動作用。

2項目方案

2.1系統概述

本作品應用於塔式CSP電站，解決CSP發電中的聚光控制難題。在本系統的研究與設計中，我們採用四象限光探測器檢測太陽光，將其採集到的四路模擬信號進行AD轉換，再將轉換後的數位訊號送到MCU中，若探測器的四個象限輸出的電壓值相等，說明太陽光與測角裝置垂直；否則，說明太陽光與測角裝置沒有垂直，MCU發送指令給電機驅動電路，調節三臂裝置使之與太陽光保持垂直。通過電動推桿升降的時間以及三軸加速度計的檢測可以算出三根推桿的高度，從而得到太陽光的角度。測角裝置的MCU通過CAN總線把太陽光角信號傳給反光裝置，反光裝置的MCU調節三臂裝置使其反射光始終聚焦在接受塔上，完成聚光的功能。此外，通過觸摸按鍵，我們對LCD進行控制，使LCD能顯示系統的工作狀態，當時太陽光的角度以及太陽光強度。測角裝置上的EEPROM將這些數據存儲起來，並將這些數據傳給上位機，在上位機上可繪製出當天或近幾天太陽光角與太陽光強隨時間的變化曲線。此外，系統可根據環境中的光強，自動調節工作模式，當光強太弱，發電量比耗電量還大時，系統便進入休眠狀態，以減小系統的功耗。整個系統中，硬體電路是系統功能得以實現的基礎，軟體是系統的核心，機械結構則是系統功能的執行者。根據這些要求，我們項目主要研究的內容有：

21. 三臂式機械結構研究
21. 太陽光測角算法研究
21. 反光跟蹤算法研究
21. 系統軟硬體實現

2.1.1測角模塊

本系統測角模塊的原理如下圖2-1所示。四象限光源探測器的四路輸出將信號直接傳給PSoC的AD，使模擬信號轉換為數位訊號，然後交給MCU處理，MCU將信號濾波，根據算法，生成電機驅動電路的調節指令，轉動相應的電機來調節電動推桿的高度，使端面與太陽光垂直。根據推桿的升降時間以及三軸加速度計測得推桿的高度，從而得到太陽光光矢信息。通過CAN電路將光矢信息傳給反光裝置。系統設置了睡眠模式和工作模式兩種模式，在光強弱的情況下就進入睡眠模式以減小系統功耗。系統採用觸摸按鍵進行人工調試，採用觸摸模塊可使系統穩定性高，使用方便。通過LCD與LED來顯示系統的工作狀態，當前太陽光角度，太陽光強度等信息。通過EEPROM存儲器將太陽光角度，太陽光強度等信息存儲起來，供系統分析，當地太陽光照度等情況分析用。

圖 2‑1測角模塊結構框圖

測角算法：

假設從四象限探測器輸出的電壓分別為 v1，v2，v3，v4。我們引入變量 x，y 分別表示在 x軸和y軸方向上的真實偏移，dx，dy分別表示在x軸和y軸方向上的偏大估計。如圖 2-2所示。

圖 2‑2測角算法示意圖

利用和差法，可得:

dx=(v1+v4-v2-v3)/(v1+v2+v3+v4)，

dy=(v1+v2-v3-v4)/(v1+v2+v3+v4)，

通過解四象限探測器光路數學模型得出x與dx、y與dy之間的關係式，為：

（1）

（2）

用MATLAB擬合可以得出x和y曲線特徵值。將特徵值儲存在PSOC的Flash Memory中，在目標方位檢測電路給出待求點dx和dy的值後，將其作為自變量，帶入到已知特徵值的曲線方程，得出的因變量x和y.。我們為偏移量x，y分別設定一個閾值Mx，My。只有當偏移量超過了相應的閾值後才進行調節。L1、L2、L3分別表示三根機械手臂。通過這種算法，我們可以保持坐標原點O不動。x和y可能的9中情況和對應的調節方式如表2-1所示

表格2‑1 調節方式對照表

	L1	L2	L3
y>My, x>Mx	上升4個單位長度	下降5個單位長度	上升1個單位長度
y>My, x-Mx	上升4個單位長度	上升1個單位長度	下降5個單位長度
y>My, -MxxMx	上升4個單位長度	下降2個單位長度	下降2個單位長度
y-My, x>Mx	下降4個單位長度	下降1個單位長度	上升5個單位長度
y-My, x-Mx	下降4個單位長度	上升5個單位長度	下降1個單位長度
y-My, -MxxMx	下降4個單位長度	上升2個單位長度	上升2個單位長度
-MyyMy, x>Mx	保持不變	下降3個單位長度	上升3個單位長度
-MyyMy, x-Mx	保持不變	上升3個單位長度	下降3個單位長度
-MyyMy,-MxxMx	保持不變	保持不變	保持不變

2.1.2反光模塊：

本系統反光模塊的系統框圖如圖2-3所示。反光模塊通過CAN電路來接收太陽光角信息，從而通過MCU下達的指令，控制電機驅動電路調節電機轉動，使鏡子始終把光能反射到接受塔上。系統採用三軸加速度傳感器檢測裝置的電動推桿高度，以防止電動推桿伸到底或伸到頭而損傷電機；採用LED和LCD顯示系統的工作狀態，通過觸摸按鍵人工調控；採用睡眠模式和工作模式兩種模式，來降低系統的功耗。

圖 2‑3 測角裝置結構框圖

反光算法：

以接收塔為原點建立空間直角坐標系O-XYZ，以鏡場中任意一定日鏡裝置為原點建立另一空間直角坐標系O』-X』Y』Z』，其中O-XYZ與O』-X』Y』Z』之間的關係如圖2-4（a）所示。

圖 2‑4（a）兩坐標關係示意圖 圖 2‑4（b）三根電機擺放示意圖

假設太陽光從任意方向入射，利用上述太陽跟蹤算法使得安裝了四象限探測器的三臂裝置所確定的平面垂直於太陽光，此時得出三根電機推桿的高度H1，H2，H3，再由三根電機在坐標系O-XYZ的擺放位置（如圖2-4（b）所示），求出太陽光入射方向矢量

，

將其歸一化之後得，再通過坐標轉換

得到太陽光入射方向矢量在坐標O』-X』Y』Z』的表示

；

易知接收塔接收點在O』-X』Y』Z』坐標為

，

其中h為定日鏡面心高度，為設定參數值，然後對t歸一化得{m,n,l}(其中n=0)。令；

在坐標系O』-X』Y』Z』中定日鏡平面方程為

分別代入三根電機的X』Y』面坐標，即可求出三根電機的所需的絕對高度。

2.2三臂式機械結構圖

圖 2‑6三臂機械結構比例圖

3 系統性能分析

塔式太陽能熱電系統主要由以下四個部分組成：定日鏡裝置，高溫接收器，蓄熱裝置和發電系統。定日鏡負責採集太陽能，接收器負責將採集的太陽能轉換為熱能，燃氣輪機機組將熱能最終轉換為電能輸出。定日鏡（由平面鏡，鏡架和跟蹤機構三部分組成）是系統最重要的兩個組件之一，佔系統投資最大的部分，主要涉及定日鏡原理研究，平面鏡聚光質量研究，跟蹤技術研究以及整體機構設計等內容。

現有的，以及在研究的塔式聚光系統的定日鏡都是將平面鏡裝在鏡架上，由其跟蹤裝置驅動鏡面隨時自動跟蹤太陽。而我們提出了將太陽跟蹤裝置和鏡面反射裝置分開由兩個裝置實現。太陽跟蹤裝置（簡稱測角裝置）和鏡面反射裝置（簡稱反射裝置）的結構完全一樣，都是我們設計的三臂式結構。本系統在以下幾個最主要的問題上全面創新，走出一條經濟，實用的定日鏡技術發展路線。

1. 跟蹤技術

現有的跟蹤技術大部分採用微型計算機控制，少部分採用光電傳感器式控制。由於跟蹤技術和反光技術在一個裝置上，所以無論是採用電腦程式還是其他跟蹤傳感器都是控制的入射光線，而對塔式系統而言，需要的是反射光線始終投射在塔頂的接收器上，儘量減小光斑溢出接收器口的機會。我們的系統中，將定日鏡裝置控制的是反射光線，控制更直接，精度更高，而且成本也大大降低。

2. 不可變系統誤差

雙軸跟蹤結構的軸線與平面鏡中心交點不重合，導致裝置中心不能嚴格限定在一個固定的空間位置而是圍繞軸線做弧線運動，裝置本身有不可克服的系統誤差。與雙軸跟蹤系統相比，本系統的三臂結構的軸線與平面鏡的中心重合，克服了雙軸跟蹤系統的系統誤差。不過本系統採用四象限光源探測器來測太陽光的入射角度，那麼四象限的精度就會影響本系統的跟蹤精度，帶來系統誤差。

3. 支撐結構

以往大都採用立式單軸方位角調整機構，需要採用很多的水泥混凝土做基礎，材料耗用和成本非常可觀，而且平面鏡面積越大，變形將越嚴重，抗風性以及裝置的穩定性將大大降低。本系統採用三臂式結構，使裝置整體的穩定性得到了大大的提高。

4項目創新點

4.1創新的三臂滑道式機械結構

跟蹤裝置主要分為單軸和雙軸兩種，單軸跟蹤結構簡單，功耗低，但是跟蹤精度低；雙軸跟蹤精度高，但是成本和功耗高。三臂滑道式機械結構可以滿足一個良好的跟蹤裝置結構的設計要求，即功耗低，成本低，運動範圍滿足當地太陽位置變化的範圍來實現全天跟蹤；有跟蹤位置的極限位置保護設計，有自鎖功能防止意外情況；傳動機構的設計應具有緊湊，易維護的特點，此外，主要的支撐結構應具有一定的強度設計，能夠抵抗一定的風載。

4.2雙跟蹤系統

用將測角裝置和反光裝置分離出來。測角跟蹤裝置不僅根據電機調節時間來得到三根機械臂的長度來得到光角，同時利用加速度傳感器來矯正誤差，使得系統的測角精度高。此外用一個電機既可以得到光角信息，與其他測角系統相比，成本大大降低。跟蹤裝置根據精確的太陽光矢信息，以及反光跟蹤算法調節反射光使之聚焦於接收器上，聚焦精度好。

4.3塔式聚光發電

本系統立足於塔式聚光發電系統，通過改進塔式聚光發電的跟蹤系統來實現將太陽光始終聚焦在接受塔處，使得聚光發電不受太陽方位變化的影響，大大提高了太陽能的利用率。提高塔式聚光發電的性價比。

4.4系統模塊化

本系統為模塊化裝置，各模塊部件可單獨更換，便於維修維護；同時，系統根據不同應用對相應模塊做調整，擴大系統裝置的應用範圍，本系統可廣泛運用於各種跟蹤系統，趨光系統，導光系統，有效地實現節能減排的目的。

4.5多工作模式

本系統設置了睡眠模式和工作模式兩種模式，在無光照及光照太弱使得發電量小於耗電量時，系統進入睡眠模式，大大的減小了系統的功耗。