應用于聚光太陽(yáng)能發(fā)電的三臂式光跟蹤系統說(shuō)明書(shū)

摘要：

隨著(zhù)全球能源危機的加劇，節能減排成為了發(fā)展的主流。針對能源短缺問(wèn)題，從實(shí)際應用角度出發(fā)，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(guò)控制模塊處理，自動(dòng)調節測角裝置中的電機運動(dòng)，測得光角并傳給反光裝置，調節反光裝置使反射光始終聚焦在接收器上，適用于塔式太陽(yáng)能聚光發(fā)電的場(chǎng)合。

作品內容簡(jiǎn)介

塔式太陽(yáng)能聚光發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但因聚光效率低，控制系統復雜，成本高等問(wèn)題至今仍未商業(yè)化。為提高聚光精度，簡(jiǎn)化控制系統，我們設計了三臂式機械機構，采用測角裝置與反光裝置雙跟蹤系統，大大地提高了聚光發(fā)電的性?xún)r(jià)比，達到節能減排的目的。

我們通過(guò)測角裝置與太陽(yáng)光垂直得到太陽(yáng)光位置，并傳給各反光裝置。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(yáng)光利用率。

創(chuàng )新點(diǎn)：

1. 創(chuàng )新的三臂滑道式結構，結構簡(jiǎn)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(lái)，低成本高效率的得到太陽(yáng)光的位置信號并精確的將反射光聚焦在一點(diǎn)。
3. 跟蹤系統實(shí)現了將太陽(yáng)光始終聚焦在接受塔處，不受太陽(yáng)方位變化的影響，大大提高了太陽(yáng)能的利用率。
4. 本系統各模塊部件可單獨更換，便于維修維護；根據不同應用對相應模塊做調整，擴大系統裝置的應用范圍，如各種跟蹤系統，趨光系統，導光系統，有效地實(shí)現節能減排的目的。

本系統的模型及功能已完成，后續工作是系統的測試及優(yōu)化。我們堅信本系統在新能源利用，節能減排方面發(fā)揮了巨大作用，創(chuàng )造高社會(huì )經(jīng)濟效益。

1項目背景及意義

太陽(yáng)能取之不盡用之不竭，而且不會(huì )產(chǎn)生溫室氣體，與其他形式的可再生能源相比如風(fēng)能，太陽(yáng)能是來(lái)源最為豐富且最穩定的能源。據海外媒體報道，一份由多國研究人員聯(lián)合撰寫(xiě)的報告指出，聚光太陽(yáng)能發(fā)電繼風(fēng)能、光電池之后，已經(jīng)開(kāi)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(shù)手段。采用聚光太陽(yáng)能發(fā)電（CSP）技術(shù)，2050年，沙漠中的太陽(yáng)能發(fā)電站將可以滿(mǎn)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(yáng)能發(fā)電站的產(chǎn)能可達1.5萬(wàn)億瓦，占全球電能需求的四分之一。同時(shí)還能創(chuàng )造200萬(wàn)個(gè)工作機會(huì )，每年減少21億噸二氧化碳排放?？茖W(xué)家認為，位于“陽(yáng)光充足地帶”的國家將從CSP技術(shù)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(yáng)能熱發(fā)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(yáng)跟蹤反射鏡構成，對太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，把太陽(yáng)光聚焦到塔頂的接收器。在接收器中對傳熱流體進(jìn)行加熱，產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽，過(guò)熱蒸汽推動(dòng)常規渦輪發(fā)電機組發(fā)電。塔式CSP電站的主要優(yōu)勢在于它的工作溫度較高（800~1000℃），使其年度發(fā)電效率可以達到17%~20%，并且由于管路循環(huán)系統較槽式系統簡(jiǎn)單得多，提高效率和降低成本的潛力都比較大；塔式CSP電站采用濕冷卻的用水量也略少于槽式系統，若需要采用干式冷卻，其對性能和運行成本的影響也較低。塔式CSP的缺點(diǎn)也是明顯的：為了將陽(yáng)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(jìn)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(jiǎn)單得多；由于缺乏大型商用案例（占在運CSP裝機容量的5.1%），相對槽式系統來(lái)說(shuō)，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(fā)揮其效率潛力而需使用的融鹽介質(zhì)也尚存一些技術(shù)問(wèn)題值得顧慮。

圖 1?1電力塔發(fā)電廠(chǎng)

為了解決現有塔式CSP存在的問(wèn)題，我們提出了應用于聚光太陽(yáng)能發(fā)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復雜的問(wèn)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(fā)展有大大的推動(dòng)作用。

2項目方案

2.1系統概述

本作品應用于塔式CSP電站，解決CSP發(fā)電中的聚光控制難題。在本系統的研究與設計中，我們采用四象限光探測器檢測太陽(yáng)光，將其采集到的四路模擬信號進(jìn)行AD轉換，再將轉換后的數字信號送到MCU中，若探測器的四個(gè)象限輸出的電壓值相等，說(shuō)明太陽(yáng)光與測角裝置垂直；否則，說(shuō)明太陽(yáng)光與測角裝置沒(méi)有垂直，MCU發(fā)送指令給電機驅動(dòng)電路，調節三臂裝置使之與太陽(yáng)光保持垂直。通過(guò)電動(dòng)推桿升降的時(shí)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(yáng)光的角度。測角裝置的MCU通過(guò)CAN總線(xiàn)把太陽(yáng)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(guò)觸摸按鍵，我們對LCD進(jìn)行控制，使LCD能顯示系統的工作狀態(tài)，當時(shí)太陽(yáng)光的角度以及太陽(yáng)光強度。測角裝置上的EEPROM將這些數據存儲起來(lái)，并將這些數據傳給上位機，在上位機上可繪制出當天或近幾天太陽(yáng)光角與太陽(yáng)光強隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。此外，系統可根據環(huán)境中的光強，自動(dòng)調節工作模式，當光強太弱，發(fā)電量比耗電量還大時(shí)，系統便進(jìn)入休眠狀態(tài)，以減小系統的功耗。整個(gè)系統中，硬件電路是系統功能得以實(shí)現的基礎，軟件是系統的核心，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(yáng)光測角算法研究
21. 反光跟蹤算法研究
21. 系統軟硬件實(shí)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字信號，然后交給MCU處理，MCU將信號濾波，根據算法，生成電機驅動(dòng)電路的調節指令，轉動(dòng)相應的電機來(lái)調節電動(dòng)推桿的高度，使端面與太陽(yáng)光垂直。根據推桿的升降時(shí)間以及三軸加速度計測得推桿的高度，從而得到太陽(yáng)光光矢信息。通過(guò)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(jìn)入睡眠模式以減小系統功耗。系統采用觸摸按鍵進(jìn)行人工調試，采用觸摸模塊可使系統穩定性高，使用方便。通過(guò)LCD與LED來(lái)顯示系統的工作狀態(tài)，當前太陽(yáng)光角度，太陽(yáng)光強度等信息。通過(guò)EEPROM存儲器將太陽(yáng)光角度，太陽(yáng)光強度等信息存儲起來(lái)，供系統分析，當地太陽(yáng)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(shí)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(guò)解四象限探測器光路數學(xué)模型得出x與dx、y與dy之間的關(guān)系式，為：

（1）

（2）

用MATLAB擬合可以得出x和y曲線(xiàn)特征值。將特征值儲存在PSOC的Flash Memory中，在目標方位檢測電路給出待求點(diǎn)dx和dy的值后，將其作為自變量，帶入到已知特征值的曲線(xiàn)方程，得出的因變量x和y.。我們?yōu)槠屏縳，y分別設定一個(gè)閾值Mx，My。只有當偏移量超過(guò)了相應的閾值后才進(jìn)行調節。L1、L2、L3分別表示三根機械手臂。通過(guò)這種算法，我們可以保持坐標原點(diǎn)O不動(dòng)。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

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(guò)CAN電路來(lái)接收太陽(yáng)光角信息，從而通過(guò)MCU下達的指令，控制電機驅動(dòng)電路調節電機轉動(dòng)，使鏡子始終把光能反射到接受塔上。系統采用三軸加速度傳感器檢測裝置的電動(dòng)推桿高度，以防止電動(dòng)推桿伸到底或伸到頭而損傷電機；采用LED和LCD顯示系統的工作狀態(tài)，通過(guò)觸摸按鍵人工調控；采用睡眠模式和工作模式兩種模式，來(lái)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(diǎn)建立空間直角坐標系O-XYZ，以鏡場(chǎng)中任意一定日鏡裝置為原點(diǎn)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(guān)系如圖2-4（a）所示。

圖 2?4（a）兩坐標關(guān)系示意圖 圖 2?4（b）三根電機擺放示意圖

假設太陽(yáng)光從任意方向入射，利用上述太陽(yáng)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于太陽(yáng)光，此時(shí)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(yáng)光入射方向矢量

，

將其歸一化之后得，再通過(guò)坐標轉換

得到太陽(yáng)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(diǎn)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，然后對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(yáng)能熱電系統主要由以下四個(gè)部分組成：定日鏡裝置，高溫接收器，蓄熱裝置和發(fā)電系統。定日鏡負責采集太陽(yáng)能，接收器負責將采集的太陽(yáng)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(gè)組件之一，占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(zhì)量研究，跟蹤技術(shù)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(dòng)鏡面隨時(shí)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。而我們提出了將太陽(yáng)跟蹤裝置和鏡面反射裝置分開(kāi)由兩個(gè)裝置實(shí)現。太陽(yáng)跟蹤裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)測角裝置）和鏡面反射裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)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(gè)最主要的問(wèn)題上全面創(chuàng )新，走出一條經(jīng)濟，實(shí)用的定日鏡技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)。

1. 跟蹤技術(shù)

現有的跟蹤技術(shù)大部分采用微型計算機控制，少部分采用光電傳感器式控制。由于跟蹤技術(shù)和反光技術(shù)在一個(gè)裝置上，所以無(wú)論是采用計算機程序還是其他跟蹤傳感器都是控制的入射光線(xiàn)，而對塔式系統而言，需要的是反射光線(xiàn)始終投射在塔頂的接收器上，盡量減小光斑溢出接收器口的機會(huì )。我們的系統中，將定日鏡裝置控制的是反射光線(xiàn)，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(xiàn)與平面鏡中心交點(diǎn)不重合，導致裝置中心不能?chē)栏裣薅ㄔ谝粋€(gè)固定的空間位置而是圍繞軸線(xiàn)做弧線(xiàn)運動(dòng)，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(xiàn)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(guò)本系統采用四象限光源探測器來(lái)測太陽(yáng)光的入射角度，那么四象限的精度就會(huì )影響本系統的跟蹤精度，帶來(lái)系統誤差。

3. 支撐結構

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

4項目創(chuàng )新點(diǎn)

4.1創(chuàng )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(jiǎn)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(mǎn)足一個(gè)良好的跟蹤裝置結構的設計要求，即功耗低，成本低，運動(dòng)范圍滿(mǎn)足當地太陽(yáng)位置變化的范圍來(lái)實(shí)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(dòng)機構的設計應具有緊湊，易維護的特點(diǎn)，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(fēng)載。

4.2雙跟蹤系統

用將測角裝置和反光裝置分離出來(lái)。測角跟蹤裝置不僅根據電機調節時(shí)間來(lái)得到三根機械臂的長(cháng)度來(lái)得到光角，同時(shí)利用加速度傳感器來(lái)矯正誤差，使得系統的測角精度高。此外用一個(gè)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(yáng)光矢信息，以及反光跟蹤算法調節反射光使之聚焦于接收器上，聚焦精度好。

4.3塔式聚光發(fā)電

本系統立足于塔式聚光發(fā)電系統，通過(guò)改進(jìn)塔式聚光發(fā)電的跟蹤系統來(lái)實(shí)現將太陽(yáng)光始終聚焦在接受塔處，使得聚光發(fā)電不受太陽(yáng)方位變化的影響，大大提高了太陽(yáng)能的利用率。提高塔式聚光發(fā)電的性?xún)r(jià)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，便于維修維護；同時(shí)，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范圍，本系統可廣泛運用于各種跟蹤系統，趨光系統，導光系統，有效地實(shí)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(wú)光照及光照太弱使得發(fā)電量小于耗電量時(shí)，系統進(jìn)入睡眠模式，大大的減小了系統的功耗。