应用于聚光太阳能发电的三臂式光跟踪系统说明书

摘要：

随着全球能源危机的加剧，节能减排成为了发展的主流。针对能源短缺问题，从实际应用角度出发，以节能为目的，本文提出了新型的三臂式聚光跟踪系统。本设计由四象限光电传感器检测入射光，通过控制模块处理，自动调节测角装置中的电机运动，测得光角并传给反光装置，调节反光装置使反射光始终聚焦在接收器上，适用于塔式太阳能聚光发电的场合。

作品内容简介

塔式太阳能聚光发电产业发展迅猛，但因聚光效率低，控制系统复杂，成本高等问题至今仍未商业化。为提高聚光精度，简化控制系统，我们设计了三臂式机械机构，采用测角装置与反光装置双跟踪系统，大大地提高了聚光发电的性价比，达到节能减排的目的。

我们通过测角装置与太阳光垂直得到太阳光位置，并传给各反光装置。反光装置根据相应算法做出调整，使所有的反射光聚焦在接收塔，提高太阳光利用率。

创新点：

创新的三臂滑道式结构，结构简单、控制方便和调整精度高，降低成本和系统功耗。 将测角装置和反光装置分离出来，低成本高效率的得到太阳光的位置信号并精确的将反射光聚焦在一点。 跟踪系统实现了将太阳光始终聚焦在接受塔处，不受太阳方位变化的影响，大大提高了太阳能的利用率。 本系统各模块部件可单独更换，便于维修维护；根据不同应用对相应模块做调整，扩大系统装置的应用范围，如各种跟踪系统，趋光系统，导光系统，有效地实现节能减排的目的。

本系统的模型及功能已完成，后续工作是系统的测试及优化。我们坚信本系统在新能源利用，节能减排方面发挥了巨大作用，创造高社会经济效益。

1项目背景及意义

太阳能取之不尽用之不竭，而且不会产生温室气体，与其他形式的可再生能源相比如风能，太阳能是来源最为丰富且最稳定的能源。据海外媒体报道，一份由多国研究人员联合撰写的报告指出，聚光太阳能发电继风能、光电池之后，已经开始崭露头角，有望成为解决能源匮乏、应对气候变暖的有效技术手段。采用聚光太阳能发电（CSP）技术，2050年，沙漠中的太阳能发电站将可以满足全球能源需求的25%，对CSP的投资有可能高达1740亿欧元，太阳能发电站的产能可达1.5万亿瓦，占全球电能需求的四分之一。同时还能创造200万个工作机会，每年减少21亿吨二氧化碳排放。科学家认为，位于"阳光充足地带"的国家将从CSP技术中获益，包括美国南部的沙漠地区、非洲北部、墨西哥、中国和印度等。

塔式太阳能热发电系统主要由日光反射镜子系统、接收器组成成，如图1-1所示。其中日光反射镜子系统由大量大型、平坦的太阳跟踪反射镜构成，对太阳进行实时跟踪，把太阳光聚焦到塔顶的接收器。在接收器中对传热流体进行加热，产生高温过热蒸汽，过热蒸汽推动常规涡轮发电机组发电。塔式CSP电站的主要优势在于它的工作温度较高（800~1000℃），使其年度发电效率可以达到17%~20%，并且由于管路循环系统较槽式系统简单得多，提高效率和降低成本的潜力都比较大；塔式CSP电站采用湿冷却的用水量也略少于槽式系统，若需要采用干式冷却，其对性能和运行成本的影响也较低。塔式CSP的缺点也是明显的：为了将阳光准确汇聚到集热塔顶的接收器上，对每一块定日镜的双轴跟踪系统都要进行单独控制，而槽式系统的单轴追踪系统在结构上和控制上都要简单得多；由于缺乏大型商用案例（占在运CSP装机容量的5.1%），相对槽式系统来说，塔式CSP电站的成本、性能、可靠性都还存在一定的不确定性；为发挥其效率潜力而需使用的融盐介质也尚存一些技术问题值得顾虑。

图 1 1电力塔发电厂

 

为了解决现有塔式CSP存在的问题，我们提出了应用于聚光太阳能发电的三臂式光跟踪系统。本系统不仅有效的解决了跟踪系统复杂的问题，还降低了跟踪系统的成本，提高了跟踪系统的性能与可靠性，对塔式CSP的发展有大大的推动作用。

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2项目方案

2.1系统概述

本作品应用于塔式CSP电站，解决CSP发电中的聚光控制难题。在本系统的研究与设计中，我们采用四象限光探测器检测太阳光，将其采集到的四路模拟信号进行AD转换，再将转换后的数字信号送到MCU中，若探测器的四个象限输出的电压值相等，说明太阳光与测角装置垂直；否则，说明太阳光与测角装置没有垂直，MCU发送指令给电机驱动电路，调节三臂装置使之与太阳光保持垂直。通过电动推杆升降的时间以及三轴加速度计的检测可以算出三根推杆的高度，从而得到太阳光的角度。测角装置的MCU通过CAN总线把太阳光角信号传给反光装置，反光装置的MCU调节三臂装置使其反射光始终聚焦在接受塔上，完成聚光的功能。此外，通过触摸按键，我们对LCD进行控制，使LCD能显示系统的工作状态，当时太阳光的角度以及太阳光强度。测角装置上的EEPROM将这些数据存储起来，并将这些数据传给上位机，在上位机上可绘制出当天或近几天太阳光角与太阳光强随时间的变化曲线。此外，系统可根据环境中的光强，自动调节工作模式，当光强太弱，发电量比耗电量还大时，系统便进入休眠状态，以减小系统的功耗。整个系统中，硬件电路是系统功能得以实现的基础，软件是系统的核心，机械结构则是系统功能的执行者。根据这些要求，我们项目主要研究的内容有：

三臂式机械结构研究 太阳光测角算法研究 反光跟踪算法研究 系统软硬件实现

2.1.1测角模块

本系统测角模块的原理如下图2-1所示。四象限光源探测器的四路输出将信号直接传给PSoC的AD，使模拟信号转换为数字信号，然后交给MCU处理，MCU将信号滤波，根据算法，生成电机驱动电路的调节指令，转动相应的电机来调节电动推杆的高度，使端面与太阳光垂直。根据推杆的升降时间以及三轴加速度计测得推杆的高度，从而得到太阳光光矢信息。通过CAN电路将光矢信息传给反光装置。系统设置了睡眠模式和工作模式两种模式，在光强弱的情况下就进入睡眠模式以减小系统功耗。系统采用触摸按键进行人工调试，采用触摸模块可使系统稳定性高，使用方便。通过LCD与LED来显示系统的工作状态，当前太阳光角度，太阳光强度等信息。通过EEPROM存储器将太阳光角度，太阳光强度等信息存储起来，供系统分析，当地太阳光照度等情况分析用。

图 2 1测角模块结构框图

 

测角算法：

假设从四象限探测器输出的电压分别为 v1，v2，v3，v4。我们引入变量 x，y 分别表示在 x轴和y轴方向上的真实偏移，dx，dy分别表示在x轴和y轴方向上的偏大估计。如图 2-2所示。

图 2 2测角算法示意图

 

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)，

通过解四象限探测器光路数学模型得出x与dx、y与dy之间的关系式，为：

                                 （1）

         （2）

用MATLAB拟合可以得出x和y曲线特征值。将特征值储存在PSOC的Flash Memory中，在目标方位检测电路给出待求点dx和dy的值后，将其作为自变量，带入到已知特征值的曲线方程，得出的因变量x和y.。我们为偏移量x，y分别设定一个阈值Mx，My。只有当偏移量超过了相应的阈值后才进行调节。L1、L2、L3分别表示三根机械手臂。通过这种算法，我们可以保持坐标原点O不动。x和y可能的9中情况和对应的调节方式如表2-1所示

表格2 1  调节方式对照表

	L1	L2	L3
y>My, x>Mx	上升4个单位长度	下降5个单位长度	上升1个单位长度
y>My, x<-Mx	上升4个单位长度	上升1个单位长度	下降5个单位长度
y>My, -Mx<x<Mx	上升4个单位长度	下降2个单位长度	下降2个单位长度
y<-My, x>Mx	下降4个单位长度	下降1个单位长度	上升5个单位长度
y<-My, x<-Mx	下降4个单位长度	上升5个单位长度	下降1个单位长度
y<-My, -Mx<x<Mx	下降4个单位长度	上升2个单位长度	上升2个单位长度
-My<y<My, x>Mx	保持不变	下降3个单位长度	上升3个单位长度
-My<y<My, x<-Mx	保持不变	上升3个单位长度	下降3个单位长度
-My<y<My,-Mx<x<Mx	保持不变	保持不变	保持不变

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2.1.2反光模块：

本系统反光模块的系统框图如图2-3所示。反光模块通过CAN电路来接收太阳光角信息，从而通过MCU下达的指令，控制电机驱动电路调节电机转动，使镜子始终把光能反射到接受塔上。系统采用三轴加速度传感器检测装置的电动推杆高度，以防止电动推杆伸到底或伸到头而损伤电机；采用LED和LCD显示系统的工作状态，通过触摸按键人工调控；采用睡眠模式和工作模式两种模式，来降低系统的功耗。

图 2 3 测角装置结构框图

 

反光算法：

以接收塔为原点建立空间直角坐标系O-XYZ，以镜场中任意一定日镜装置为原点建立另一空间直角坐标系O’-X’Y’Z’，其中O-XYZ与O’-X’Y’Z’之间的关系如图2-4（a）所示。

  

   图 2 4（a）两坐标关系示意图     图 2 4（b）三根电机摆放示意图

假设太阳光从任意方向入射，利用上述太阳跟踪算法使得安装了四象限探测器的三臂装置所确定的平面垂直于太阳光，此时得出三根电机推杆的高度H1，H2，H3，再由三根电机在坐标系O-XYZ的摆放位置（如图2-4（b）所示），求出太阳光入射方向矢量

，

将其归一化之后得，再通过坐标转换

得到太阳光入射方向矢量在坐标O’-X’Y’Z’的表示

；

易知接收塔接收点在O’-X’Y’Z’坐标为

，

其中h为定日镜面心高度，为设定参数值，然后对t归一化得{m,n,l}(其中n=0)。令；

在坐标系O’-X’Y’Z’中定日镜平面方程为

分别代入三根电机的X’Y’面坐标，即可求出三根电机的所需的绝对高度。

2.2三臂式机械结构图

图 2 6三臂机械结构比例图

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3 系统性能分析

塔式太阳能热电系统主要由以下四个部分组成：定日镜装置，高温接收器，蓄热装置和发电系统。定日镜负责采集太阳能，接收器负责将采集的太阳能转换为热能，燃气轮机机组将热能最终转换为电能输出。定日镜（由平面镜，镜架和跟踪机构三部分组成）是系统最重要的两个组件之一，占系统投资最大的部分，主要涉及定日镜原理研究，平面镜聚光质量研究，跟踪技术研究以及整体机构设计等内容。

现有的，以及在研究的塔式聚光系统的定日镜都是将平面镜装在镜架上，由其跟踪装置驱动镜面随时自动跟踪太阳。而我们提出了将太阳跟踪装置和镜面反射装置分开由两个装置实现。太阳跟踪装置（简称测角装置）和镜面反射装置（简称反射装置）的结构完全一样，都是我们设计的三臂式结构。本系统在以下几个最主要的问题上全面创新，走出一条经济，实用的定日镜技术发展路线。

跟踪技术

现有的跟踪技术大部分采用微型计算机控制，少部分采用光电传感器式控制。由于跟踪技术和反光技术在一个装置上，所以无论是采用计算机程序还是其他跟踪传感器都是控制的入射光线，而对塔式系统而言，需要的是反射光线始终投射在塔顶的接收器上，尽量减小光斑溢出接收器口的机会。我们的系统中，将定日镜装置控制的是反射光线，控制更直接，精度更高，而且成本也大大降低。

不可变系统误差

双轴跟踪结构的轴线与平面镜中心交点不重合，导致装置中心不能严格限定在一个固定的空间位置而是围绕轴线做弧线运动，装置本身有不可克服的系统误差。与双轴跟踪系统相比，本系统的三臂结构的轴线与平面镜的中心重合，克服了双轴跟踪系统的系统误差。不过本系统采用四象限光源探测器来测太阳光的入射角度，那么四象限的精度就会影响本系统的跟踪精度，带来系统误差。

支撑结构

以往大都采用立式单轴方位角调整机构，需要采用很多的水泥混凝土做基础，材料耗用和成本非常可观，而且平面镜面积越大，变形将越严重，抗风性以及装置的稳定性将大大降低。本系统采用三臂式结构，使装置整体的稳定性得到了大大的提高。

4项目创新点

4.1创新的三臂滑道式机械结构

跟踪装置主要分为单轴和双轴两种，单轴跟踪结构简单，功耗低，但是跟踪精度低；双轴跟踪精度高，但是成本和功耗高。三臂滑道式机械结构可以满足一个良好的跟踪装置结构的设计要求，即功耗低，成本低，运动范围满足当地太阳位置变化的范围来实现全天跟踪；有跟踪位置的极限位置保护设计，有自锁功能防止意外情况；传动机构的设计应具有紧凑，易维护的特点，此外，主要的支撑结构应具有一定的强度设计，能够抵抗一定的风载。

4.2双跟踪系统

用将测角装置和反光装置分离出来。测角跟踪装置不仅根据电机调节时间来得到三根机械臂的长度来得到光角，同时利用加速度传感器来矫正误差，使得系统的测角精度高。此外用一个电机既可以得到光角信息，与其他测角系统相比，成本大大降低。跟踪装置根据精确的太阳光矢信息，以及反光跟踪算法调节反射光使之聚焦于接收器上，聚焦精度好。

4.3塔式聚光发电

本系统立足于塔式聚光发电系统，通过改进塔式聚光发电的跟踪系统来实现将太阳光始终聚焦在接受塔处，使得聚光发电不受太阳方位变化的影响，大大提高了太阳能的利用率。提高塔式聚光发电的性价比。

4.4系统模块化

本系统为模块化装置，各模块部件可单独更换，便于维修维护；同时，系统根据不同应用对相应模块做调整，扩大系统装置的应用范围，本系统可广泛运用于各种跟踪系统，趋光系统，导光系统，有效地实现节能减排的目的。

4.5多工作模式

本系统设置了睡眠模式和工作模式两种模式，在无光照及光照太弱使得发电量小于耗电量时，系统进入睡眠模式，大大的减小了系统的功耗。