塔式太阳能热发电站用定日镜研究

郭 庆，方 超，王金伟，褚俊

（扬州电力设备修造厂有限公司，江苏扬州 225003）

0 引言

能源关系着国家经济发展和社会稳定，积极发展可再生能源利用技术能够改变能源结构，以适应新一轮科技革命和产业结构的内在需求[1]。太阳能热发电是利用大规模太阳镜场将太阳能聚集起来，产生高温蒸汽驱动汽轮机发电的技术，主要分为槽式太阳能热发电、塔式太阳能热发电、线性菲涅尔式太阳能热发电、碟式太阳能热发电[2-5]。与光伏发电相比，光热发电不必使用昂贵且效率较低的硅晶体光伏电池，成本更低，转换效率更高[6]。因此这种形式的太阳能利用具有光伏发电无法比拟的优势。2016年国家能源局发布了《国家能源局关于组织太阳能热发电示范项目建设的通知》，确定了第一批示范项目名单，示范项目共20个，总装机容量1 349 MW，塔式太阳能热发电、线性菲涅尔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电各占据685 MW、200 MW、464 MW。

由于塔式太阳能热发电系统综合效率高，更适合于大规模、大容量商业化应用，未来塔式太阳能热发电技术可能是光热发电的主要技术流派。定日镜是塔式太阳能热发电系统的核心设备，数量庞大，在整个系统中所占的成本比例较高，重要性不言而喻[7-10]。研发适用我国气候环境的定日镜对推进塔式示范电站建设具有重要意义。杨琛等[11]提出了一种三轴支撑的定日镜装置，能够提高定日镜装置面对极端天气时的稳定性。本文针对塔式太阳能热发电系统研制了一种YX-DRJ20-8定日镜。

1 建立模型

1.1 定日镜构成及参数

定日镜是将太阳或其他天体的光线反射到固定方向的光学装置[12-13]。YX-DRJ20-8定日镜采用水平加俯仰的跟踪方式跟踪太阳，其主要由控制系统、传动机构、支撑结构、反射镜面等构成，如图1所示。传动机构包括方位旋转驱动机构和俯仰旋转驱动机构，实现双轴跟踪。主要技术参数如下：

图1 定日镜结构

型号：YX-DRJ20-8；

结构形式：高度角-方位角双轴跟踪；

尺寸：20 m2；

精度：高于3.5 mrad；

反射率（25年寿命期内）：第一年反射率大于95%，5年内大于92%；

抗风能力：13 m/s风速能够正常工作。

1.2 总体方案及功能

定日镜采用水平加俯仰的跟踪方式跟踪太阳，图1所示。定日镜反射面由4块2 440 mm×1 830 mm的单元反射镜拼装而成，反射面总面积为17.86 m2。反射面之间存在一个大于定日镜立柱直径的间隙，这个间隙可以保证反射面在定日镜不工作时能实现倒扣而不使反射面与立柱发生碰撞。反射面倒扣可以减少灰尘在反射面上的集聚。

定日镜系统运行模式及功能主要有手动模式、自动模式、其他控制模式。

在手动运行模式下可依据设置在柜内的手动操作按钮完成方位正反转、俯仰正反转控制，手动控制模式下电机转速为3 000 r/min。

在自动模式下，本地控制系统可实现自动归位、自动跟踪、夜间保护、大风保护4种工作模式。

自动归位：控制系统要实现精确地定位并消除由运行过程中产生的累计误差，需要由原点信号并通过控制系统的原点查找功能实现，在控制系统中，归位功能即原点信号查找自动归位在系统重新上电、系统开始自动跟踪两种情况下被执行，执行的目的为清空控制器程序中实际位置计数器，通过理论计算位置来精确控制定日镜的实际运行。

自动跟踪：系统归位结束且已高速运行至指定位置时，系统转入自动跟踪运行，在自动跟踪运行时，采用后30 s太阳法线位置和当前实际法线位置的差值确定定日镜的自动跟踪速度以达到精确跟踪控制。

夜间保护：太阳高度角小于指定高度后，系统恢复至初始位置即镜面平置以避免夜间意外损坏，切断电源以节省电能并缩短下一个自动跟踪周期内的归位速度，实现快速响应。

其他控制模式是根据镜场上位控制指令要求进行动作，如分组启动、运行至准备好的位置等。

1.3 控制系统

控制系统采用方位、俯仰双轴驱动的方式控制定日镜自动跟踪太阳运行，主要通过控制定日镜将不同时刻的太阳光线聚焦后反射至固定目标位置，因太阳的高度角和方位角时刻变化，意味着定日镜入射光线的高度角和方位角也在不断变化，而最终目标点位置是固定不变，由此可以根据太阳高度、方位角度计算出定日镜法线位置从而实现精确定位。

定日镜控制器与外接的带光电编码器的无刷电机构成一个独立的闭环系统，控制电机的运行分为水平和俯仰两台电机。水平和俯仰各带有左右限位和零点检测开关，能够对电机位置进行检测和限制。同时带有以太网传输模块，实现Modbus-TCP通讯，实现多个系统之间的整体协调控制。另外控制板还带有高精度的RTC芯片，能够获得精确的时间，完成天文公式太阳角度的本地计算。控制器上的EEPROM存储器用于储存一些本地参数，保证掉电后不丢失。控制板自带温度传感器，对控制板所在的环境温度进行监测，出现过热情况时进行相应的报警和保护。

控制系统中的定日镜控制器采用SPA算法，计算出定日镜调整角度的理论值，结合SCS系统的调整目标、定日镜实际位置计算定日镜动作范围，通过驱动高度角或方位角电机进行相应位置的移动，调整定日镜镜面位置使太阳反射光斑精度符合系统要求，控制原理如图2所示。

图2 控制原理

1.4 传动机构

传动机构是定日镜的核心部件，安装在立柱的顶部，其主要由直流电机、行星减速机、定日镜传动箱构成。设计的传动机构包括方位旋转驱动机构和俯仰旋转驱动机构，实现双轴跟踪。方位和俯仰运动为独立、单独驱动，方位和仰角运动的传动链均为电机、行星减速机、蜗轮蜗杆传动、摆线针轮行星传动。摆线针轮行星传动分别位于各自的箱体内，两部分独立于箱体上部和下部，共同构成传动箱，传动机构如图3所示。

图3 传动机构

1.5 支撑结构与反射镜

支撑结构主要由支架、梁结构、支撑等组成。传动机构的俯仰旋转驱动机构输出轴的两端各安装一个主梁，主梁上的单元镜支撑梁、斜撑等构成单元镜支撑结构。反射镜的尺寸为2 400 mm×1 830 mm，反射镜采用反射率大于或等于93%的4 mm超白浮法玻璃镀银反射镜，四边磨C形边，用环氧树脂进行封边处理，保证反射镜寿命不低于25年。反射镜通过拧入其背部陶瓷块螺母内的螺杆和反射镜锁紧螺母被固定在单元镜支架上。调节玻璃反射镜与支架各结合点处的螺杆和反射镜锁紧螺母，就能够将反射镜调节到所需要的面形，在光靶上形成圆形太阳像。反射镜面为球面，球面的半径为定日镜反射面中心到吸热器中聚光靶心连线距离的2倍。支架的作用是保持反射镜面形在固定后不发生变化，图4所示为安装后的定日镜。

图4 定日镜

1.6 面型调整

定日镜安装之后，其反射镜的面形需要现场调整以达到预定目标。通过研究实测的聚光光斑性能来进行调节。按照以下步骤调整：（1）在太阳光较好的时段，调节单个反射镜的面形和四面反射镜的整体面形；（2）选取目标靶；（3）调整各个单元反射镜面形。用薄轻且不透明的布状物遮盖其余3块单元反射镜，只保留1块单元反射镜反射阳光，调节此单元反射镜的玻璃反射镜与单元镜支架各个结合点处的螺杆和反射镜锁紧螺母，使各单元反射镜在目标靶上的焦斑形状接近圆形，使其光斑直径达到设计值。按照此方法逐一调节单元反射镜面形；（4）调节单元反射镜与单元反射镜支撑结构的连接螺栓上的锁紧螺母，从而改变单元镜的倾角，使各个单元反射镜的焦斑重叠；（5）定日镜连续跟踪太阳，测试其光斑变化。

2 定日镜跟踪精确度测量

2.1 跟踪精确度测试系统

定日镜跟踪精确度测量采用非接触式视觉检测方法，利用CCD相机采集定日镜在目标靶上形成的光斑图像，然后通过图像处理获取定日镜聚光特性参数。系统主要由CCD相机、目标靶、计算机、图像采集和处理软件、风速风向传感器、太阳法向直射辐照表等组成，如图5所示。

图5 定日镜跟踪精确度测试系统组成

2.2 跟踪精确度测试

测试周期内的风速必须覆盖定日镜要求的工作风速范围（推荐为0～14 m/s），为此测试可能持续多天。通过调整CCD相机光圈、焦距、放大倍率、俯仰及方位角度可使目标靶充满相机的整个视场。启动定日镜，使定日镜将太阳辐射聚焦到目标靶。启动CCD相机采集靶面的光斑图像，覆盖定日镜的工作姿态范围。分割采集的每帧光斑灰度图像的光斑与背景，并以光斑内像素的总量作为光斑的面积。以与此面积相等的正方形作为光斑图像中提取光斑的裁剪窗，用该裁剪窗在整个光斑图案上进行截取，以所有截取窗口内灰度值总量最大的位置作为光斑有效区域，光斑有效区域的几何中心即为光斑中心。分析采集到的第i帧光斑照片，通过以下公式计算此刻的定日镜跟踪精确度[14-15]：

式中：η为定日镜跟踪精确度；L为定日镜的旋转中心到目标点的斜向距离；μ为像素与长度的转换因子；(x0,y0)为光斑图像中目标靶的中心坐标；(xi,yi)为第i帧光斑照片中光斑几何中心坐标。

通过采集18 612个采样点，将其跟踪精确度η结果表达如图6所示。由图可见测试期间内不同风速下定日镜跟踪精确度出现在3.5 mrad的频率。从图中可见定日镜的跟踪精确度较高，基本位于90%以上。根据采样点计算得到的跟踪精确度值，得到如下结果：在4 m/s风速下跟踪准确度达到3.5 mrad的概率为99.6%；在8 m/s风速下跟踪准确度达到3.5 mrad的概率为97.6%；在11 m/s风速下跟踪准确度达到3.5 mrad的概率为97.1%。

图6 定日镜跟踪准确度在3.5 mrad内的概率（来自18 612个采样点）

3 结束语

针对塔式太阳能热发电系统研制了一种定日镜。首先建立了定日镜的模型，并介绍了定日镜的总体方案，尤其对定日镜的系统的手动模式、自动模式、其他控制模式进行详细讲解。简述了其构成及参数，然后阐述了控制系统的控制原理、传动机构的构成、支撑结构和反射镜。最后叙述了定日镜跟踪准确度测试系统的组成及方法，并对定日镜进行跟踪精确度测试。设计的定日镜跟踪精确度值较高，通过18 612个采样点数据的统计，在4～11 m/s风速下跟踪准确度达到3.5 mrad的概率高于97%。