塔式太阳能热发电站定日镜追踪控制系统的设计

王金伟

扬州电力设备修造厂 江苏扬州 225003

1 研究背景

太阳能热发电是一种可再生清洁能源发电,发电稳定,可以与电网友好连接,易于被电网接受。定日镜作为太阳能热发电站聚光系统的核心部件,其性能直接影响聚光场的全年效率,从而影响发电站的年发电效率。开发高精度、高可靠性和低成本的定日镜,对于塔式太阳能热发电站而言,不仅具有经济效益,而且可以降低碳排放,减少各种污染物排放,具有广泛的社会效益[1-2]。目前,在光热发电项目中,槽式发电系统占比约为85%,塔式发电系统占比约为12%,其它发电技术占比约为3%。在世界范围内,槽式光热发电系统占比最高,但塔式光热发电系统聚光比高,运行温度高,热转换效率高,非常适合大规模、大容量商业化应用。在规划建设的光热发电站项目中,塔式光热发电技术所占的比例已经超过了槽式光热发电技术[3]。

未来,塔式光热发电将是光热发电的主要技术流派,是今后的发展方向。笔者根据光热产业结构调整要求,结合定日镜的特点,设计了一种塔式太阳能热发电站定日镜追踪控制系统,实现了现地定日镜单体自动跟踪,以及镜场管理系统对定日镜集体调度,解决了一般定日镜跟踪精度低的问题,为定日镜高精度跟踪及镜场高效发电提供了保证。

2 系统结构

塔式太阳能热发电站定日镜追踪控制系统结构分为三级,分别为镜场管理系统、数据交换层、现地控制器子网,如图1所示。镜场管理系统通过以太网与整个光热电站集散控制系统进行数据通信,光热发电站集散控制系统可以根据吸热器表面能流密度来调整相关镜组[4],以满足吸热器热能量的均匀分布,并依托光束界定系统,采用轮询的方式进行定日镜的光斑校正,保证定日镜的控制精度。集散控制系统向镜场管理系统发出调度和管理控制指令,镜场管理系统与管理型数据交换机构成以太网环形通信网络,控制指令由镜场管理系统发送至管理型数据交换机,管理型数据交换机将数据传送至每个现地控制器子网交换机,子网交换机将数据传送至子网内每一台现地控制器内的可编程序控制器,可编程序控制器接收指令并解析后,控制电机进行相应的方位运动,实现定日跟踪[5]。每个现地控制器子网由若干台现地控制器组成,可以根据成本和可靠性要求决定数量。

图1 塔式太阳能热发电站定日镜追踪控制系统结构

3 硬件设计

塔式太阳能热发电站定日镜追踪控制系统硬件主要由成百上千台现地控制器组成。在综合考虑装置运行可靠性与精准性的前提下,确定定日镜装置以施耐德可编程序控制器为控制核心,旋转角与俯仰角控制选用施耐德伺服电机驱动,水平初始限位、水平终止限位、俯仰初始限位、俯仰终止限位等四个限位采用施耐德磁感应传感器控制[6]。现地触摸屏或远方镜场管理系统与现地控制器内的可编程序控制器通信。可编程序控制器采用扩展太阳位置算法及空间模型转换算法,实时计算定日镜高度角和方位角目标位置。主控制程序根据当前镜面姿态、运行死区及当前目标位置的偏差,发送指令驱动高度角、方位角伺服电机,伺服电机根据反馈脉冲不断调整输出精度,带动传动装置运转,进行镜面姿态的实时调整,将太阳光高效精准地聚焦在远方集热塔上,进行光热发电[7],塔式太阳能热发电站定日镜追踪控制系统硬件如图2所示。

图2 塔式太阳能热发电站定日镜追踪控制系统硬件

4 控制程序开发

在保证定日镜实现自动跟踪功能的前提下,编写定日镜控制程序,增加定日镜停止、待机、清洗、归零、自动跟踪、手动跟踪、避险等工作模式。部分控制程序如图3～图5所示[8]。

图3 自诊断程序

现地触摸屏通过网线与现地控制器中的可编程序控制器通信,监控界面显示定日镜的高度角、方位角及其曲线,脉冲、角度目标值与实际值,水平与高度极限等。参数录入界面设置定日镜、集热塔的经纬度、镜场的海拔及大气压力等数值[9]。手动模式下,通过上、下、左、右键控制定日镜转动。绝对角度确认控件在初次安装镜面时确定初始角度,误差校正控件选取一天中三个时间点的角度误差值,通过误差补偿法来对定日镜角度进行校正。现地触摸屏界面如图6所示。

图4 自动跟踪程序

图5 手动跟踪程序

镜场管理系统位于中控室,通信测试界面显示整个镜场定日镜及其通信地址,通信异常与否在界面上有相应显示。定日镜状态监控画面显示对定日镜进行的监控。在自动跟踪模式下,定日镜现地控制器实时完成太阳位置和定日镜控制角度的计算,定日镜自动跟踪太阳当前位置。在停止模式下,停止计算定日镜输出的控制角度,保持当前运行参数。在归零模式下,定日镜回转至初始零位。在清洗模式下,定日镜调整至预先定义的清洗位置。镜场管理系统监控界面如图7所示。

图6 现地触摸屏界面

图7 镜场管理系统监控界面

5 试验验证

为保证定日镜光斑误差小于4 mrad,必须要求定日镜镜面角度调整误差小于2 mrad。同时考虑系统误差裕量,在跟踪控制算法中设置合理的运行死区。运行死区为1 mrad,即在现地控制器算法中设置当太阳位置变化超过1 mrad时,立即控制高度角、方位角电机运行,从而驱动定日镜至对应位置[10-11]。在4 m/s、8 m/s、11 m/s风速下进行角度测量试验,测量20台定日镜从8:00至16:30最佳光照时间下定日镜的角度误差,取平均值绘制曲线,如图8所示。试验结果表明,在三种工况下,定日镜镜面角度误差均小于2 mrad。

图8 定日镜角度误差试验曲线

6 结束语

针对塔式太阳能热发电站设计了一种定日镜追踪控制系统。这一系统在生产应用中运行正常,解决了塔式太阳能热发电站镜场整体调度与定日镜精准追日问题。为进一步降低成本,未来可以研发基于单片机控制的现地控制器,并将镜面高度角、方位角由伺服电机驱动改为由步进电机驱动。