應(yīng)用于聚光太陽能發(fā)電的三臂式光跟蹤系統(tǒng)說明書

摘要：

隨著全球能源危機(jī)的加劇，節(jié)能減排成為了發(fā)展的主流。針對能源短缺問題，從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，以節(jié)能為目的，本文提出了新型的三臂式聚光跟蹤系統(tǒng)。本設(shè)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(diào)節(jié)測角裝置中的電機(jī)運(yùn)動，測得光角并傳給反光裝置，調(diào)節(jié)反光裝置使反射光始終聚焦在接收器上，適用于塔式太陽能聚光發(fā)電的場合。

作品內(nèi)容簡介

塔式太陽能聚光發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但因聚光效率低，控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高等問題至今仍未商業(yè)化。為提高聚光精度，簡化控制系統(tǒng)，我們設(shè)計了三臂式機(jī)械機(jī)構(gòu)，采用測角裝置與反光裝置雙跟蹤系統(tǒng)，大大地提高了聚光發(fā)電的性價比，達(dá)到節(jié)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，并傳給各反光裝置。反光裝置根據(jù)相應(yīng)算法做出調(diào)整，使所有的反射光聚焦在接收塔，提高太陽光利用率。

創(chuàng)新點(diǎn)：

1. 創(chuàng)新的三臂滑道式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和調(diào)整精度高，降低成本和系統(tǒng)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并精確的將反射光聚焦在一點(diǎn)。
3. 跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)各模塊部件可單獨(dú)更換，便于維修維護(hù)；根據(jù)不同應(yīng)用對相應(yīng)模塊做調(diào)整，擴(kuò)大系統(tǒng)裝置的應(yīng)用范圍，如各種跟蹤系統(tǒng)，趨光系統(tǒng)，導(dǎo)光系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

本系統(tǒng)的模型及功能已完成，后續(xù)工作是系統(tǒng)的測試及優(yōu)化。我們堅信本系統(tǒng)在新能源利用，節(jié)能減排方面發(fā)揮了巨大作用，創(chuàng)造高社會經(jīng)濟(jì)效益。

1項(xiàng)目背景及意義

太陽能取之不盡用之不竭，而且不會產(chǎn)生溫室氣體，與其他形式的可再生能源相比如風(fēng)能，太陽能是來源最為豐富且最穩(wěn)定的能源。據(jù)海外媒體報道，一份由多國研究人員聯(lián)合撰寫的報告指出，聚光太陽能發(fā)電繼風(fēng)能、光電池之后，已經(jīng)開始嶄露頭角，有望成為解決能源匱乏、應(yīng)對氣候變暖的有效技術(shù)手段。采用聚光太陽能發(fā)電（CSP）技術(shù)，2050年，沙漠中的太陽能發(fā)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(dá)1740億歐元，太陽能發(fā)電站的產(chǎn)能可達(dá)1.5萬億瓦，占全球電能需求的四分之一。同時還能創(chuàng)造200萬個工作機(jī)會，每年減少21億噸二氧化碳排放。科學(xué)家認(rèn)為，位于“陽光充足地帶”的國家將從CSP技術(shù)中獲益，包括美國南部的沙漠地區(qū)、非洲北部、墨西哥、中國和印度等。

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由日光反射鏡子系統(tǒng)、接收器組成成，如圖1-1所示。其中日光反射鏡子系統(tǒng)由大量大型、平坦的太陽跟蹤反射鏡構(gòu)成，對太陽進(jìn)行實(shí)時跟蹤，把太陽光聚焦到塔頂?shù)慕邮掌?。在接收器中對傳熱流體進(jìn)行加熱，產(chǎn)生高溫過熱蒸汽，過熱蒸汽推動常規(guī)渦輪發(fā)電機(jī)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(dá)到17%~20%，并且由于管路循環(huán)系統(tǒng)較槽式系統(tǒng)簡單得多，提高效率和降低成本的潛力都比較大；塔式CSP電站采用濕冷卻的用水量也略少于槽式系統(tǒng)，若需要采用干式冷卻，其對性能和運(yùn)行成本的影響也較低。塔式CSP的缺點(diǎn)也是明顯的：為了將陽光準(zhǔn)確匯聚到集熱塔頂?shù)慕邮掌魃?，對每一塊定日鏡的雙軸跟蹤系統(tǒng)都要進(jìn)行單獨(dú)控制，而槽式系統(tǒng)的單軸追蹤系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上和控制上都要簡單得多；由于缺乏大型商用案例（占在運(yùn)CSP裝機(jī)容量的5.1%），相對槽式系統(tǒng)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(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)問題值得顧慮。

圖 1?1電力塔發(fā)電廠

為了解決現(xiàn)有塔式CSP存在的問題，我們提出了應(yīng)用于聚光太陽能發(fā)電的三臂式光跟蹤系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅有效的解決了跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜的問題，還降低了跟蹤系統(tǒng)的成本，提高了跟蹤系統(tǒng)的性能與可靠性，對塔式CSP的發(fā)展有大大的推動作用。

2項(xiàng)目方案

2.1系統(tǒng)概述

本作品應(yīng)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(tǒng)的研究與設(shè)計中，我們采用四象限光探測器檢測太陽光，將其采集到的四路模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送到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(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(jìn)行控制，使LCD能顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)時太陽光的角度以及太陽光強(qiáng)度。測角裝置上的EEPROM將這些數(shù)據(jù)存儲起來，并將這些數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，在上位機(jī)上可繪制出當(dāng)天或近幾天太陽光角與太陽光強(qiáng)隨時間的變化曲線。此外，系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境中的光強(qiáng)，自動調(diào)節(jié)工作模式，當(dāng)光強(qiáng)太弱，發(fā)電量比耗電量還大時，系統(tǒng)便進(jìn)入休眠狀態(tài)，以減小系統(tǒng)的功耗。整個系統(tǒng)中，硬件電路是系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，軟件是系統(tǒng)的核心，機(jī)械結(jié)構(gòu)則是系統(tǒng)功能的執(zhí)行者。根據(jù)這些要求，我們項(xiàng)目主要研究的內(nèi)容有：

21. 三臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)研究
21. 太陽光測角算法研究
21. 反光跟蹤算法研究
21. 系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1.1測角模塊

本系統(tǒng)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后交給MCU處理，MCU將信號濾波，根據(jù)算法，生成電機(jī)驅(qū)動電路的調(diào)節(jié)指令，轉(zhuǎn)動相應(yīng)的電機(jī)來調(diào)節(jié)電動推桿的高度，使端面與太陽光垂直。根據(jù)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(tǒng)設(shè)置了睡眠模式和工作模式兩種模式，在光強(qiáng)弱的情況下就進(jìn)入睡眠模式以減小系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)采用觸摸按鍵進(jìn)行人工調(diào)試，采用觸摸模塊可使系統(tǒng)穩(wěn)定性高，使用方便。通過LCD與LED來顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)前太陽光角度，太陽光強(qiáng)度等信息。通過EEPROM存儲器將太陽光角度，太陽光強(qiáng)度等信息存儲起來，供系統(tǒng)分析，當(dāng)?shù)靥柟庹斩鹊惹闆r分析用。

圖 2?1測角模塊結(jié)構(gòu)框圖

測角算法：

假設(shè)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)，

通過解四象限探測器光路數(shù)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曲線特征值。將特征值儲存在PSOC的Flash Memory中，在目標(biāo)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方程，得出的因變量x和y.。我們?yōu)槠屏縳，y分別設(shè)定一個閾值Mx，My。只有當(dāng)偏移量超過了相應(yīng)的閾值后才進(jìn)行調(diào)節(jié)。L1、L2、L3分別表示三根機(jī)械手臂。通過這種算法，我們可以保持坐標(biāo)原點(diǎn)O不動。x和y可能的9中情況和對應(yīng)的調(diào)節(jié)方式如表2-1所示

表格2?1 調(diào)節(jié)方式對照表

2.1.2反光模塊：

本系統(tǒng)反光模塊的系統(tǒng)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(dá)的指令，控制電機(jī)驅(qū)動電路調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動，使鏡子始終把光能反射到接受塔上。系統(tǒng)采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(jī)；采用LED和LCD顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過觸摸按鍵人工調(diào)控；采用睡眠模式和工作模式兩種模式，來降低系統(tǒng)的功耗。

圖 2?3 測角裝置結(jié)構(gòu)框圖

反光算法：

以接收塔為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系O-XYZ，以鏡場中任意一定日鏡裝置為原點(diǎn)建立另一空間直角坐標(biāo)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(biāo)關(guān)系示意圖 圖 2?4（b）三根電機(jī)擺放示意圖

假設(shè)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于太陽光，此時得出三根電機(jī)推桿的高度H1，H2，H3，再由三根電機(jī)在坐標(biāo)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

，

將其歸一化之后得，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

得到太陽光入射方向矢量在坐標(biāo)O’-X’Y’Z’的表示

；

易知接收塔接收點(diǎn)在O’-X’Y’Z’坐標(biāo)為

，

其中h為定日鏡面心高度，為設(shè)定參數(shù)值，然后對t歸一化得{m,n,l}(其中n=0)。令；

在坐標(biāo)系O’-X’Y’Z’中定日鏡平面方程為

分別代入三根電機(jī)的X’Y’面坐標(biāo)，即可求出三根電機(jī)的所需的絕對高度。

2.2三臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖 2?6三臂機(jī)械結(jié)構(gòu)比例圖

3 系統(tǒng)性能分析

塔式太陽能熱電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)。定日鏡負(fù)責(zé)采集太陽能，接收器負(fù)責(zé)將采集的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組將熱能最終轉(zhuǎn)換為電能輸出。定日鏡（由平面鏡，鏡架和跟蹤機(jī)構(gòu)三部分組成）是系統(tǒng)最重要的兩個組件之一，占系統(tǒng)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(jī)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容。

現(xiàn)有的，以及在研究的塔式聚光系統(tǒng)的定日鏡都是將平面鏡裝在鏡架上，由其跟蹤裝置驅(qū)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(shí)現(xiàn)。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(jié)構(gòu)完全一樣，都是我們設(shè)計的三臂式結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)在以下幾個最主要的問題上全面創(chuàng)新，走出一條經(jīng)濟(jì)，實(shí)用的定日鏡技術(shù)發(fā)展路線。

1. 跟蹤技術(shù)

現(xiàn)有的跟蹤技術(shù)大部分采用微型計算機(jī)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)在一個裝置上，所以無論是采用計算機(jī)程序還是其他跟蹤傳感器都是控制的入射光線，而對塔式系統(tǒng)而言，需要的是反射光線始終投射在塔頂?shù)慕邮掌魃希M量減小光斑溢出接收器口的機(jī)會。我們的系統(tǒng)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(tǒng)誤差

雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)的軸線與平面鏡中心交點(diǎn)不重合，導(dǎo)致裝置中心不能嚴(yán)格限定在一個固定的空間位置而是圍繞軸線做弧線運(yùn)動，裝置本身有不可克服的系統(tǒng)誤差。與雙軸跟蹤系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的三臂結(jié)構(gòu)的軸線與平面鏡的中心重合，克服了雙軸跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。不過本系統(tǒng)采用四象限光源探測器來測太陽光的入射角度，那么四象限的精度就會影響本系統(tǒng)的跟蹤精度，帶來系統(tǒng)誤差。

3. 支撐結(jié)構(gòu)

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

4項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

4.1創(chuàng)新的三臂滑道式機(jī)械結(jié)構(gòu)

跟蹤裝置主要分為單軸和雙軸兩種，單軸跟蹤結(jié)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)可以滿足一個良好的跟蹤裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，即功耗低，成本低，運(yùn)動范圍滿足當(dāng)?shù)靥栁恢米兓姆秶鷣韺?shí)現(xiàn)全天跟蹤；有跟蹤位置的極限位置保護(hù)設(shè)計，有自鎖功能防止意外情況；傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)具有緊湊，易維護(hù)的特點(diǎn)，此外，主要的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的強(qiáng)度設(shè)計，能夠抵抗一定的風(fēng)載。

4.2雙跟蹤系統(tǒng)

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(jù)電機(jī)調(diào)節(jié)時間來得到三根機(jī)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(tǒng)的測角精度高。此外用一個電機(jī)既可以得到光角信息，與其他測角系統(tǒng)相比，成本大大降低。跟蹤裝置根據(jù)精確的太陽光矢信息，以及反光跟蹤算法調(diào)節(jié)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(tǒng)立足于塔式聚光發(fā)電系統(tǒng)，通過改進(jìn)塔式聚光發(fā)電的跟蹤系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)將太陽光始終聚焦在接受塔處，使得聚光發(fā)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(fā)電的性價比。

4.4系統(tǒng)模塊化

本系統(tǒng)為模塊化裝置，各模塊部件可單獨(dú)更換，便于維修維護(hù)；同時，系統(tǒng)根據(jù)不同應(yīng)用對相應(yīng)模塊做調(diào)整，擴(kuò)大系統(tǒng)裝置的應(yīng)用范圍，本系統(tǒng)可廣泛運(yùn)用于各種跟蹤系統(tǒng)，趨光系統(tǒng)，導(dǎo)光系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

4.5多工作模式

本系統(tǒng)設(shè)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(fā)電量小于耗電量時，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，大大的減小了系統(tǒng)的功耗。