塔式太阳能发电系统中定日镜控制方案研究

塔式太阳能发电系统中定日镜控制方案研究

现在，经济和社会发展与能源不足之间的矛盾日益突出。人类面临着资源和环境的双重压力。可持续发展是解决经济和社会发展与可持续发展之间的主要矛盾之一。以煤炭为主的能源结构造成环境污染和温室效应,从战略角度出发,调整能源结构、依靠科技进步,利用太阳能、风能等可再生资源是一个有效途径。与风能、生物能相比,太阳能具有储量无限、存在普遍、利用清洁及开发经济的优势。中科院院士何祚庥在北京科协举行人类发展研讨会上说:“大力开发太阳能资源,是解决人类能源危机的重要举措”,大规模发展太阳能市场可降低发电成本,有利于实现能源与环境的和谐发展。通过聚光实现太阳能发电,光-热转换率大,可产生足够高工质温度,应用前景十分广阔。目前太阳能聚光类发电中,塔式发电系统理论聚光比达200～1000,熔融盐吸热温度达565℃,更可能取代常规能源、实现大功率发电。然而,塔式系统定日镜控制方案不一,探讨一种合理有效的控制思路对塔式太阳能系统的发展很有必要。1本文的背景和发展1.1太阳能热发电技术塔式太阳能系统原理是利用独立跟踪太阳的定日镜群,将阳光聚集到1个固定在塔顶部的接收器上,用以产生高温,加热工质产生过热蒸汽或高温气体,驱动发电机发电,从而将太阳能转换为电能。塔式太阳能系统分为聚光、集热、蓄热、辅助能源和发电5个子系统,能量传递的过程中存在太阳能→热能→机械能→电能的转换。塔式系统具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比大等特点,能量集中过程中靠定日镜反射太阳光线一次完成,且受热器散热面积相对较小,光热转换效率较高。综合治理环境污染的代价,与常规化石能源发电相比,太阳能发电前景更加广阔。美国能源部研究表明,在大规模发电方面,塔式太阳能热发电将是所有太阳能发电技术中成本最低的一种方式。塔式太阳能研究始于20世纪70年代,1981年法国、德国和意大利建造了额定功率为1MW的第一座塔式太阳能电站。随后美国、德国、瑞士及日本等9个国家均相继建造了塔式电站,至今已建成此类电站14座,其中最为著名的是美国SolarOne、SolarTwo。我国太阳能热发电技术起步较晚,为缓解能源问题和环境压力,中国科学院、上海交通大学和中国科学技术大学等多家科研机构加强了这方面的技术研究。20世纪70年代中期,天津建造了一套功率1kW的塔式太阳能热发电模拟装置;2005年南京建成额定功率为70kW国内第一座塔式太阳能电站,标志着我国在塔式太阳能领域已取得初步成果;2008年开始筹划在在北京延庆建设功率为1MW塔式太阳能电站,2009年8月已开始部分项目的竞标,将陆续进入施工阶段。然而,太阳能能流密度低,定日镜要达到理想聚光比需要采用双轴跟踪,控制系统复杂、代价高,国内技术处于探索阶段,制约着塔式发电的商业化进程;发电效率随定日镜反射率和集热塔高度的增加而提升,要实现大规模并网发电,需投入大量费用;系统流程复杂,热损大。1.2定日镜机械误差太阳光线能流密度低、辐射具有间歇性,需采用跟踪、聚焦方式实现对太阳的实时跟踪,使太阳能聚集并在集热器上形成聚焦光斑,继而产生热能。塔式太阳能发电技术中,定日镜的功能在于跟踪太阳,反射聚焦太阳光到集热器,是能量传递的关键部件,系统效率是定日镜效率、动力系统效率和发电效率的乘积,定日镜效率取决于对太阳的跟踪精度,聚光跟踪精度上升,则成像光斑面积就会减小,光线能流密度上升,在达到期望温度的同时还可减少热损失。聚光子系统由定日镜群和跟踪装置组成,定日镜是由反射镜、支撑结构及传动机构组成的二维运动聚光装置,分别对应太阳的方位角和高度角。定日镜运行及能量反射需可靠、稳定和高效才能保证整个发电系统安全运作,选材轻、机械强度高才能克服因太阳运动而产生的误差;根据反射率的要求,镜面需具有一定弧度,目前有张力金属膜反射镜和玻璃反射镜两种镜面。国外定日镜反射面多为微弧面热弯成型玻璃银镜,结构简单、抗倾覆性好,缺点是单立柱支撑使跟踪误差较大;随时间推移,镜架机械变形影响聚光效果。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研发出一种极轴式跟踪轮胎面定日镜,具有高聚光比、全天跟踪光斑变化小等优点;张耀明院士及其团队自行开发的“玻璃-金属框架”结构的定日镜,创造性解决定日镜技术方案不尽合理的难题;中科院电工所研制出有13个连接点、4mm厚的微弧球面反射镜,提高了定日镜的性价比;韩国三星公司在钢化玻璃反射镜制造方面具有世界领先技术优势,钢化玻璃反射镜的平均反射率大于93%。定日镜投资占总投资的51%,是制约塔式太阳能发展的原因之一,定日镜的机械误差给系统控制带来不便,误差来源有:立柱倾斜、重力变形、定日镜面中心与旋转中心偏离以及初始位置误差等,各种误差导致太阳位置变为相对的非线性变化;外界环境因素,如大风使定日镜承受过大应力,导致跟踪精度降低,这些因素都应考虑在定日镜的控制方式中。1.3定日镜旋转跟踪太阳能辐射到地球表面的能量密度较低,定日镜的运转方式能否与太阳运动同步,决定塔式发电系统能否经济高效利用太阳能。目前,定日镜运转方式有两种:第一种,通用太阳高度角和方位角确定太阳位置,可通过二维控制方式使定日镜旋转,改变其朝向,以及实时跟踪太阳位置,依据旋转方式绕固定轴的不同,分为绕竖直轴和水平轴旋转两种方式,即方位角-仰角跟踪方式,定日镜运行时采用转动基座或基座上部转动机构调整定日镜方位变化,同时调整镜面仰角的方式;第二种,自旋-仰角跟踪方式(国际上现称为“陈的曲面”和“陈的跟踪方法”),是利用行与列的运动来代替点的二维运动的数学控制模式,这样由子镜组成光学矩阵镜面的控制可以由几何级数减少为代数级数,采用镜面自旋,同时调整镜面仰角的方式实现定日镜朝向的改变。1.4定日镜跟踪方式简介为使定日镜在不同硬件误差、突发天气状况(如多云、大风)下稳定工作,需选取一种合理的镜面控制方式使定日镜实现将不同时刻的太阳直射辐射全部反射到集热器。若使用太阳跟踪系统,使太阳光始终垂直照射在接收面,则接收到的太阳辐射将大大增加。研究表明,对于完全相同的平板,与太阳辐射方向垂直的表面和朝南铅直方向的固定表面,一天中两者接收到的太阳辐射的比值大约是3∶1,可见应用太阳自动跟踪系统可以有效提高太阳能的利用率。国内外常用的定日镜跟踪方式有传感器控制、程序(或时钟)控制以及程序传感器混合控制3种方式。目前,利用传感器实现太阳能自动跟踪的控制方式有差压式、比较控制式、立柱转动式、陀螺仪式、齿轮转动式、五点法自动跟踪和五象限法自动跟踪7种方式,美国研制的步进电机电脑程控跟日机和日本研制的阴影-传感器是当今世界自动跟日技术的最高成果。传感器控制原理如图1所示,使用一个传感器来测定入射太阳光线和系统光轴间的偏差,当偏差超过一个值时,通过电机驱动机械部分转动,减少偏差,直到使太阳光线与系统光轴重新平行,优点是只要投射到传感器的太阳光线正常,就能实时测出入射太阳辐射的方向,常用的传感器有光电池、光敏电阻、光电管和双金属条等;时钟跟踪方式原理如图2所示,太阳运动的时角是自东向西匀速变化的,相当于时钟,跟踪时以一个预定的转速旋转跟踪,这种跟踪方式可以看作是对太阳运动的时角进行跟踪,优点是如果太阳在同一轨道长时间运行,系统运算简便;程序控制方式如图3,这种跟踪方式采用与计算机相结合的方法,首先用一套公式通过计算机算出给定时间的太阳位置,再计算出跟踪装置被要求的位置,最后通过电机转动装置达到要求的位置,实现对太阳高度角和方位角的跟踪,优点是是按计算的太阳运动规律来计算聚光镜的位置,实时性好,受太阳运动周期的影响较小。这3种定日镜控制方式都存在各自的缺陷:传感器控制跟踪精度差、响应慢和适应性差,且多云天气会跟踪云层边缘的亮点,导致电机往复运行,造成能源浪费和部件额外磨损,且传感器表面如果长时间不清洁就会导致无法跟踪;时钟控制跟踪和程序控制跟踪,开始运行前精确定位,出现误差后不能自动调整,需要利用精度和成本极高的位置传感器和驱动机构来实现;传统程序传感器混合控制,每台定日镜需设置两个高精度角度传感器,计算过程复杂,控制方式不完善。现有塔式太阳能定日镜控制系统中,国外定日镜的典型控制是利用开环原理,需要利用精度和成本极高的位置传感器和驱动机构来实现这个功能,我国在南京的首座塔式太阳能电站中采用开环方式使定日镜处于初始的准确位置,当系统启动后应用闭环控制,首次在实践中实现了定日镜跟踪偏差的逐步校正。2镜定日镜控制系统2.1定日镜的控制器设计控制系统由终端机和上位机组成,终端控制器将采集到的各传感器数据通过串行总线发送至上位机,或执行上位机发来的动作指令,通过电机驱动定日镜器跟踪太阳。上位机根据时间日期、经纬度及每台定日镜与塔的坐标关系,计算每台定日镜的目标位置;可编程控制器(ProgrammableLogicController,PLC)控制两台伺服电机(或变频器控制的带旋转编码器的变频电机)的正反转,通过传动机构可将定日镜水平或俯仰旋转至允许范围内的任意位置;通过接近开关(光电开关或机械开关)加以限位。控制系统的硬件配置图如图4所示。控制电路由PLC、伺服电机和传动装置组成,根据同一时刻太阳和定日镜的相对位置,计算出定日镜需要转过的角度,PLC通过改变脉冲占空比改变伺服电机电枢上电压从而调整平均电压的大小,达到控制电动机转速的目的。通过脉冲输出模块,PLC发出脉冲信号给伺服电机,伺服电机的转速与脉冲频率成正比,电机步距角与脉冲个数成正比,脉冲频率越高,脉冲个数越多,电机速度和步距角越大。伺服电机启动、停车、反转都可以在少数脉冲内完成,且在一定频率范围内运行。2.2控制系统硬件结构设计ABB集散控制系统(DistributedControlSystem,DCS)系列AC800F为上位机,下位机采用AC500PLC。每台定日镜的控制需要的点数共14个。输入信号:4个限位信号,2个故障信号,4个手自动切换信号;输出信号:2个脉冲输出信号,2个故障复位信号。PLC的配置:电源模块选用CP-E24/2.5A,CPU单元为PM571,CPU单元底板为TB511-ETH,脉冲输出模块为DC541-CM,输入/输出模块为DC522,I/O模块底板为TU516,以太网模块为E-ILPH。控制系统的硬件结构图如图5所示。上位机接收主控制的指令,将各个定日镜旋转到要求的位置,与图像采集系统相连,通过图像采集系统,校正每台定日镜的跟踪偏差。工程师站(EngineerStation,ES)用来设计、组态和调试。操作员站(OperatorStation,OS)用于参数和状态的显示,设备的启停、参数调整和故障的复位,实现集中监测、控制。上位机系统的各站点之间通过光纤环网和控制器通讯,采用标准TCP/IP网络通信协议,传输速率为100Mbit/s,AC800F控制器与PLC之间,以及PLC与PLC之间采用ProfibusDP通讯协议,传输速率为12Mbit/s。2.3定日镜控制系统采用二维跟踪的驱动执行机构,由太阳的方位角和高度角两个自动跟踪信号分别驱动两个伺服电机。太阳位置算法通过上位机编程实现,输入时间、地点、环境参数和定日镜的信息就可以得到此刻太阳位置,将太阳高度角和方位角转换为定日镜需要转到的位置,并与定日镜当前位置信息比较,得出定日镜需要转动的角度,上位机将此信息传给PLC,PLC发送脉冲给伺服电机控制定日镜的转动。发电能力与定日镜反射的太阳辐射度有关,为使系统比较均衡地工作,在反射光强较弱时尽可能增加定日镜上接收到的太阳辐照量,光强度较大时适度减少接收到的太阳辐照量,因而有必要找到定日镜法线和太阳光线在不同情况下的最佳角度。最佳角度的计算要综合考虑连续性、均匀性和极大性,尽量满足各月负载要求,使辐射量的差异尽可能小,而全年总辐射量尽可能大。利用集热温度及温度变化率设计模糊控制器,可得到最佳太阳集热光斑中心,从而替代集热器的物理中心。控制系统原理图如图6所示。运行前输入观测点的经纬度则自动计算每一时刻太阳位置并转换成两个方向的电机运行步数。运行时实时显示太阳方位、仰角、北京时、世界时、地方时、方位角、方位驱动步数、总步数、高度角、高度角驱动步数和总步数,并综合考虑驱动机构的启动惯性所需要的最短时间和保证控制精度所限制的最长时间两个因素,设定一个合适的脉冲宽度。虽然每次动作的时间常数设定后恒定不变,但输出脉冲信号周期变化,因而可获得自动跟踪太阳方位角的时序控制信号。跟踪控制系统程序流程图如图7所示。定日镜控制系统采用就地控制、集中控制和全自动控制3种模式,正常情况下系统以全自动控制方式运行,当设备出现故障或调试时使用就地控制和集中控制,所有定日镜的动作都是由PLC编程实现的,不需要操作人员的干预;在对定日镜初步调整后,就可根据光斑能量中心对定日镜进行精确定位,使接收器上的光斑能量中心与接收器窗口的中心重合;镜场设计和定日镜成像光斑对准是塔式太阳能热发电系统整体设计中的关键部分,对接收塔上的会聚光斑图像进行分析,通过定日镜定位使接收塔上得到较大的太阳辐射能量,是镜场设计必不可少的基础;在设定跟踪地点和基准零点后,控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角,然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号,实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后,跟踪装置停止跟踪,按照原有跟踪路线返回到基准零点。2.4控制系统位置保护就地控制器与中控室通过Profibus总线通讯,可将控制器本身的状态发送到中控,同时中控也可将环境参数信息传递给太阳跟踪控制器。定日镜的保护分为大风保护和位置保护:大风保护,由于定日镜面积较大,当风速较大时,会受到很大的风阻力,其结构稳定性和机械强度会降低,所以设定当风速超过设定值时,中控室发送信号给控制器,控制器即将定日镜面放平,以减小迎风面积;位置保护分为软件保护和硬件保护,在软件保护中设定定日镜保护角度,当转动角度超过保护角度时,立即停止向伺服电机发送驱动脉冲信号,停止自动跟踪。