塔式太阳能光热发电无线网络控制系统的研究

丁永健　蒲华丰

摘要：塔式太阳能光热发电站占地较大、定日镜数量多、控制信号简单、数据传输小，所以可利用无线网络控制系统组网灵活、拓扑多样和后期维护扩展便利的优势，省去了繁琐的布线作业，减少施工安装的工程量。本文将在概述无线控制网络设备结构和功能的基础上，研究塔式太阳能光热发电无线网络控制系统设计，并对该系统的可靠性与安全性进行分析，提出相应的安全措施来应对风险。另外设计了一种合理的定日镜控制技术，并对其运行模式进行研究，制定了针对定日镜的控制策略。

关键词：塔式太阳能;光热发电站;无线网络控制

1无线网络控制系统概述

1.1 结构

无线网络控制技术包含了传感器、无线、数字电子和自动控制等领域的技术，主要以无线传感器节点、接收/发送节点、数据存储中心与终端用户等部分组成。其中无线传感器节点是基础与核心，该节点又由传感器、通讯协议、无线收发器、电源等组成。节点功能多种多样，可满足不同控制功能要求。

1.2 功能特点

无线网络控制系统具有应用方便、组网灵活、延伸拓展性好、高带宽和高安全高稳定的优点，尤其适合用在危险操作场合和需要快速组网的场合[1]。当然，无线网络控制系统由于采用了多跳的方式进行数据传输，所以会出现网络时延与随即丢包的问题，节点移动导致节点拓扑随即，因此網络传输也会发生变化，网络内外和节点之间也会出现互相干扰的现象。此外，无线网络传输速度较低，导致数据传输时间增加，而且本身节点功率有限，对于远距离的数据传输难度较大。

2控制网络的设计

2.1 控制网络的设计

塔式太阳能光热发电站定日镜具有定日镜数量多、布置紧凑的特点，定日镜布置包括辐射网络和直线排列方式，定日镜采集和传输数据相对简单，结合定日镜场的特点，采用无限控制网络设计具有一定的可靠性。整个光热电站无线控制网络结构设计可以分成定日镜控制网络，即现场设备节点网络、实时控制层和生产级控制层[2]。其中现场设备节点网络实现吸热塔控制系统与定日镜控制系统的联网，收集定日镜运行数据并发送指令。实时控制层是将各个子系统控制器实现联网，生产级控制层则是将上位系统的各个服务器与客户机实现联网。

2.2 可靠性和安全性分析

无线控制网络以ISA100.11a为标准，采用直接序列扩频技术和正交相位位移键控技术，首先该标准本身具备相应的安全机制可确保数据的完整和准确性，同时提供了时隙配置，使配置的时隙更加灵活。而利用时分多址技术能实现最小化网络碰撞，利用多重信道跳跃方式，不但可以减少干扰与多径衰减，而且因为提供多种跳跃方式使在处理不同通讯类型时更具有灵活性和专业性，能确保在任意条件下无线节点数据传输的安全可靠性，同时结合数据包加密技术、数据源验证技术、无线防火墙技术等提高系统的安全可靠。对于可能出现的系统风险，可采用分层保护措施来避免。

3定日镜控制方案设计

3.1 定日镜运行模式

定日镜运行模式分成自动模式、维护模式和安全模式，其中自动模式指的是定日镜根据系统预先设定的控制方法自动运行，从而实现对太阳的实时跟踪。维护模式指的是实现对定日镜的维护清洗，气象站测得实时气温，在温度低于0℃时禁止使用水清洗系统而采取其他清理方式以免发生结冰而损坏定日镜。安全模式指的是在定日镜场出现危险或运行故障时，能快速切断故障定日镜并转移到安全位置，同时也能根据气象站测得的气象数据，在恶劣天气到来前能提前制定避险方案。

3.2 定日镜跟踪控制设计

太阳能光热发电站是对新能源利用的一种，也是国家未来发电方向重要的最具有潜力的技术之一。实现塔式太阳能光热发电的基础条件是定日镜能有效反射太阳光到吸热塔上，所以定日镜控制设计非常重要，定日镜控制是否科学有效将直接决定定日镜场的工作有效性，直接影响太阳能光热发电的实现。当前国内定日镜跟踪控制方法很多，主要包括程序控制、传感器控制和程序传感器混合控制三种。其中程序控制是开环式控制，能实现对太阳运行轨迹的跟踪，利用GPS实现对任意位置时间、经纬度的测定，并准确计算太阳的高度角与方位角，然后合理设置定日镜水平垂直方向上的旋转角度，采用脉冲信号驱动定日镜电动机使其运转到指定位置，使太阳光能准确反射到接收器上。但是定日镜运行也会受各种因素干扰而产生一定的误差，在超出误差阈值时通过误差调节信号来使太阳光能一直落在规定范围内，后期随着控制信号和传动机构长时间的运行而导致误差不断增加，误差无法完全消除，所以通过计算得到的结果需要经过大气层折射修正后才能用于定日镜控制。大气层对于太阳光的折射率与大气层的温湿度、压力、大气环流状态等有关[3]。

3.3 定日镜跟踪控制策略

一般关于太阳能光热发电无线控制网络系统采用的是自动控制模式，在需要设备清理维护时为便于维修则采用维护运行模式，在遇到特殊情况比如定日镜运行异常时采用集中控制模式，即由上位系统发出指令控制定日镜的运行，此时该采取安全运行模式。上位系统接收到来自气象站的数据后再决定定日镜场采用何种运行模式，气象站采用光电传感器获得的太阳高度和方位角等数据发送到定日镜控制设备，并计算定日镜需要运转的角度，然后和控制系统正常计算得到的角度数据比较对定日镜运转角度进行校正。同时根据当时天气状况决定是否将光电传感器获得的数据传递到各个定日镜控制系统中。

4结语

综上所述，塔式太阳能光热发电是目前最有可能实现大功率发电的方式，随着发电站功率的增大发电站定日镜数量也会不断增加，在定日镜数量达到一定标准时采用无线网络控制系统具有组网灵活性、综合成相对较低的优势，但是将无线网络控制系统应用到塔式太阳能光热发电站中也存在网络时延、数据包丢失的问题，需要研究改进的地方还有很多，比如定日镜场中定日镜位置对控制技术的影响，以及如何提高无线网络的性能这些问题需要进一步进行试验验证。

参考文献：

[1]范立，刘强，徐能，毛永夫，蒲华丰，丁永健.基于超级电容的塔式太阳能光热发电备电设计[J]. 能源研究与管理，2018（1）：21.

[2]王明达.塔式太阳能光热发电无线网络控制系统的研究[D]. 华北电力大学，2015.

[3]李聃.光热发电系统中组网及控制技术的研究[D]. 西安电子科技大学，2017.