塔式太阳能发电定日镜系统设计与分析

陈 伟，杨 光，梁伟平，李国营

(1.国网电力科学研究院电研华源公司，北京102200;2.华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定071003;3.中煤电气有限公司综合利用部，北京101300)

0 引言

太阳能已经成为最具潜能的新能源形式之一[1，2]。塔式太阳能光热发电系统也称为集中型太阳能系统，其工作过程是通过规模庞大的定日镜阵列将太阳光反射到太阳能集热器从而进行收集;每个定日镜都是由两台电动机驱动，并且通过计算机来控制使之能跟踪太阳转动;太阳能最终转化为热能来驱动汽轮机发电。太阳能热发电高效与否的关键在于跟踪水平和太阳聚光的提升，所以说定日镜是收集太阳能的关键部件，也是整个发电系统投资最大的部分[3];因此，实现对太阳能的实时跟踪会直接提高系统的发电效率，所以进行定日镜跟踪控制的研究是非常必要的。

1 定日镜系统

1.1 定日镜系统简介

定日镜由反射镜、轴杆和电机组成，如图1所示。

图1 定日镜结构Fig.1 Structure of heliostat

定日镜的工作原理是:当太阳光入射光线经过反射镜反射之后，其反射的太阳光线垂直穿过位于镜前方的光电传感器并投射到高塔顶部的集热装置内。当太阳相对运动时，镜面通过光电传感器判断其所在位置，由跟踪传动机构驱动电机转动，调整定日镜面的角度，使光电传感器、定日镜面中心与塔顶的接收装置始终成一条直线，从而实现对太阳光线的积聚[4～6]。

1.2 定日镜系统控制系统分类

研究表明，对于完全相同的反射镜面，太阳辐射朝南铅直方向和垂直方向两者一天中收到的太阳辐射的比是1∶3，可见选用合理的控制方式可以有效提高太阳能的利用率[7]。对于定日镜系统，目前国内外主要有3种控制方式:程序传感器混合控制、程序时钟控制以及传感器控制[8]。

程序控制是预先设计好计算公式灌装到控制器中，通过GPS时间来计算出该时间太阳的位置，然后再计算出该跟踪装置在此时的朝向，通过控制电机来控制镜面的转动到达最佳位置，从而实现对太阳的跟踪，原理如图2所示[9]。

图2 程序控制的工作流程Fig.2 Working process of process control

时钟控制方式原理如图3所示。太阳运动的轨道是从东向西均匀变化的。相似于时钟，控制器控制跟踪设备以预设好的速度对太阳进行跟踪。

图3 时钟控制方式的工作流程Fig.3 Working process of the clock control

传感器控制方式原理是:利用光电阻传感器向控制器反馈信号;反馈信号与系统设定值相比较;当这个差值大于系统的设定值时，就会通过电机驱动其机械部分进行转动来减少这个偏差，直到入射光线与设定光轴重新平行，其原理如图4所示。

图4 传感器控制方式的工作流程Fig.4 Working process of sensor control

这3种定日镜的控制方法都存在各自的优点和局限性:程序控制的优点是具有实时性，能够将太阳运动周期的影响降至最低;缺点是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。时钟控制的优点是如果运行时，太阳辐射非常良好，那么系统的运算就会非常简单快捷;缺点是出现误差后不能自动调整。传感器控制的优点是有陀螺仪式、齿轮转动式等多达7种的跟踪方式。缺点是控制跟踪精度较低、响应慢，并且在多云天气情况下，会自动跟踪位于云层边缘的亮点位置，会导致电机的往返重复运行，造成部件额外磨损和能量的浪费。总之，这3种控制方式的缺点都是计算过程比较复杂，故控制方式还不完善。

2 太阳能跟踪器的设计

2.1 太阳能跟踪器的设计

由于目前并没有太好的控制方式来控制定日镜，所以本文结合以往的控制经验提出下面的控制方案。控制原理是:电机1带动蜗杆转动来控制反射镜跟随太阳在方位上的变化。电机2带动丝杆使反射镜围绕轴1进行旋转来控制反射镜在高度上的变化。传感器将位置信号送到控制器再通过比对发出指令控制电机进行反射镜的调整。

要使反射镜高效地反射太阳光，需要传感器能够精确定位太阳的位置以调整反射镜的角度;本文设计的控制系统比较依赖传感器的精度，系统中采用了2种传感器:细调式传感器和粗调式传感器。

(1)细调式传感器。将9个光敏电阻原件排列在同一平面上并对其编号，如图5所示，再将其放置于一个小孔开口直径相当于光敏电阻直径的密闭遮光的壳体中，并放在顶端中心位置上。

图5 光敏电阻阵列Fig.5 Photosensitive resistance array

如果光线垂直照射于这个小孔，那么光线肯定正好照射在9号光敏电阻上，而光敏电阻的阻值取决于光照的强度，所以可以根据每个光敏原件的阻值来确定光照的方向。但是，有时光线射入小孔后是一个光柱，这样光就会照射到不同的光敏电阻原件上，在这种情况下认为电阻最大的光敏原件是光照电阻。

如图6所示，太阳光线通过小孔照射在光敏原件上的位置与中心电阻的距离是D，光线入射角度为β，壳体的深度为H，那么可知tanβ=D/H。当D一定时，随着H的增大，测量角度也会越来越精确。在光敏原件的直径是个定值时，增加壳体的深度可以增加测量的精确性。假如壳体的深度过大，并且当入射角度β也过大时，光线会照在侧壁上，那么光敏原件的电阻就会为0，因此将无法判别光源的位置，而此时就需要粗调式传感器来控制大角度的问题。

图6 壳体结构布置Fig.6 Shell structure arrangement

(2)粗调式传感器。在壳体顶部的四周放置4根相同的光敏电阻原件。

如图7所示，把光敏电阻元件1和2做为第一组比较电阻，将光敏电阻元件3和4做为第二组比较电阻。如果2组电阻相同，则说明太阳光直射该平面，同理如果其中一组的电阻差值不等于0，那么就说明光线偏射与该组的方向上，这样就看哪个电阻的阻值大。如果电阻2的阻值明显高于电阻1，那么说明太阳明显的在向下位移，如果电阻1的阻值明显高于2，那么就说明太阳在向上出现了位移。同理，通过第二组的比较电阻可知太阳左右的位移。通过这样的传感器可以快速调整反射镜的移动来跟踪太阳的位移。

图7 粗调式传感器Fig.7 Coarse mode sensor

2.2 太阳能跟踪器控制策略

粗调式传感器的信号先传给控制器。当第一组比较电阻的阻值差P1(P1=M1(光敏电阻1的阻值)减M2(光敏电阻2的阻值))为很明显的正数时，说明光敏电阻2比光敏电阻1接受到的太阳光多，也就是太阳在跟踪器的下方，这样就需要电机2来带动丝杆来减少反射镜的仰角;如果第一次读取的P1值在图8的1号位置，这时继续减小仰角，然后第二次读取P1的值。

图8 控制器读取反馈数值方式Fig.8 Feedback controller to read the numerical approach

如果第二次P1值比第一次P1的值更趋近于0，那么此时要继续减小仰角;继续读取P1值，如果第三次P1的值比第二次P1的值还趋近于0，那么还需要继续减小仰角，但是如果第三次的P1值比第二次P1值要大，那么说明反射镜的调整角度过大，需要返回第二次测量时的位置，直到读数能够无限趋近于0为止。

若定日镜跟踪器的P1和P2无线趋近于0，大角度调整完毕，这时开始通过精密传感器传回的信号来进行细调，如果精密传感器中1～8号电阻元件中的某一个阻值最小，那么就根据粗调时的原理来驱动电机1或2进行调整，直到调整到9号电阻的阻值小于1～8号电阻的阻值，则粗调和细调都已完成，反射镜的调整角度也调整到了最佳的位置。

为了减少定日镜调整时所作的无用功，最大限度减少能源的损失，在阴天和夜间的时候，跟踪器不应频繁的采集信号，或者就保持不动。这样在设置采集信号的时候就应该设置一个合理的采集频率，根据这个频率可以推算出从采集直到调整到合理的位置的动作时间。如果超过这一时间，跟踪器仍然无法采集到合理的信号时，则可以判断为阴天，程序流程图如图9所示。夜间工况可以根据时间设定来完成。

图9 控制策略的流程图Fig.9 Flow chart of control strategy

3 结论

本文所设计的定日镜跟踪系统主要采用了细调和粗调相结合的方式，其控制策略相对简单，运算函数清晰简洁，而且定位迅速准确，实现了在任何气候条件下对太阳的稳定可靠跟踪。

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