專利名稱：塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及太陽能熱發(fā)電技術(shù)，具體地說，是涉及一種塔式太陽能 熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，這個時 候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維 持長遠的可持續(xù)發(fā)展。這之中太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點。 豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、
人類能夠隨意利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦，假 如把地球表面0. 1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%,每年發(fā)電量可達5. 6 X 1012 千瓦小時，相當(dāng)于目前全世界能耗的40倍。
據(jù)《1999白皮書，中國新能源與可再生能源》介紹，我國屬太陽能資源 豐富的國家之一，輻射總量在3340 8400MJ/平方米 年之間，中間值為 5852MJ/平方米 年，全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時， 陸地面積每年接受的太陽輻射能相當(dāng)于24000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約等于數(shù)萬個三 峽工程發(fā)電量的總和。開發(fā)和利用太陽能對中國經(jīng)濟社會走可持續(xù)發(fā)展之路 和保護生態(tài)環(huán)境以及解決偏遠地區(qū)無電人口和某些特殊用途都具有重大的戰(zhàn) 略意義
(1)太陽能是人類社會未來能源的基石之一，是大量燃用的化石能源最 好的替代能源。(2) 太陽資源豐富，是清潔干凈、無污染的可再生能源。
(3) 解決偏遠地區(qū)無電人口和某些特殊用途。 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，不耗用化石能源，無污染物排放，是與生態(tài)環(huán)境和
諧的清潔能源利用系統(tǒng)。目前槽式、塔式和碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)同樣受到 世界各國的重視，并正在積極開展工作。而塔式系統(tǒng)以其規(guī)模大、熱損耗小 和溫度高等特點已初步顯露出優(yōu)勢。
塔式太陽能熱電站(即塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng))主要由聚光系統(tǒng)，吸/ 換熱系統(tǒng)，儲熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)四部分組成，其中聚光系統(tǒng)的效率及其成本 很大程度上影響熱電站的性價比，是構(gòu)建太陽能熱電站中需要著重考慮的因 素。聚光系統(tǒng)主要由定日鏡和集熱器組成；定日鏡的作用是收集太陽輻射能 并將其匯聚到集熱器處，它由按一定方式排列的可繞雙軸跟蹤的定日鏡組成， 每個定日鏡通過繞軸轉(zhuǎn)動跟蹤太陽并將輻射到其表面的太陽能反射到塔頂集 熱器，完成聚光(即聚熱)的目的。
塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)采用光一熱一電轉(zhuǎn)化的工藝路線，即先將太陽能 轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能。通過太陽能分級分段加熱，先采用普通 太陽能集熱器使水低段加熱，再由聚光式太陽能集熱器加熱至中溫，再由跟 蹤聚光式太陽能高溫加熱器加熱至高溫。由高溫蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機進行發(fā) 電，實現(xiàn)高效熱電轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換過程為太陽能一熱能一機械能一電 能。主要的工作過程是，通過多面定日鏡收集太陽能，集中反射到塔爐的頂 部的集熱器上，熱傳輸系統(tǒng)以良好的效率將集熱系統(tǒng)所收集的熱量通過熱交 換系統(tǒng)轉(zhuǎn)到儲熱介質(zhì)，再次通過熱交換將儲熱介質(zhì)的熱量傳給做功介質(zhì)，介 質(zhì)帶動汽輪機做功發(fā)電。
熱效率主要取決于集熱效率，熱交換效率，散熱損失和朗肯循環(huán)熱效率， 其中集熱效率和朗肯循環(huán)熱效率占主導(dǎo)因素。
綜上，無論從聚光系統(tǒng)的效率、集熱效率方面考慮，還是從整個電站的成本角度考慮，在塔式太陽能熱電站中的核心部分，就是如何使定日鏡精確 地自動跟蹤太陽轉(zhuǎn)動，使輻射到其表面的太陽能量最大化?，F(xiàn)有技術(shù)中，都
是把定日鏡運動軌跡的運算集中到智能執(zhí)行機構(gòu)或者就地的PLC中，其智能 性存在較大的局限，完成的功能也是有局限的，所以控制精度是很低的。

實用新型內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種塔式太陽能熱發(fā)電中定曰 鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置。本實用新型可以使定日鏡精確的全自動跟 蹤太陽運行軌跡，使輻射到定日鏡表面的太陽能量最大化，提高聚光系統(tǒng)的 聚熱效率。
為解決上述技術(shù)問題，通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。塔式太陽能熱發(fā)電中 定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置。其構(gòu)成包括DPU控制器、傳動執(zhí)行機 構(gòu)和DCS模件，傳動執(zhí)行機構(gòu)與定日鏡連接，DPU控制器與傳動執(zhí)行機構(gòu)相 連接并通過DCS模件與傳動執(zhí)行機構(gòu)之間進行數(shù)據(jù)傳輸。
上述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置，還包 括一個操作員站計算機，該計算機與DPU控制器相連接并實時對時。
前述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置中，DPU 控制器是通過網(wǎng)關(guān)與操作員站計算機相連接。
前述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置中，傳 動執(zhí)行機構(gòu)是一個可提供定日鏡的高度角和方位角的位置值和對定日鏡的高 度角和方位角進行控制的智能遠程測控裝置或者是非智能的普通執(zhí)行機構(gòu)。
前述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置中，傳 動執(zhí)行機構(gòu)采用的是智能遠程測控裝置，DPU控制器通過Modbus或者Canbus 總線與各傳動執(zhí)行機構(gòu)相連接，各傳動執(zhí)行機構(gòu)間通過Modbus總線相互連接。前述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置中，傳 動執(zhí)行機構(gòu)還可以采用非智能的普通執(zhí)行機構(gòu)，在定日鏡上安裝有智能綜合
遠程I/O裝置；DPU控制器是通過Modbus或者Canbus總線連接各智能綜合 遠程I/O裝置，智能綜合遠程I/O裝置再通過硬接線的方式與普通執(zhí)行機構(gòu) 連接；智能綜合遠程I/O裝置之間通過Modbus總線相互連接。
前述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置中，智 能綜合遠程1/0裝置是安裝在定日鏡的柱子上。
前述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置中， DCS模件是MODBUS與C認的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件。
前述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置中， MODBUS與CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件有兩個， 一個用于定日鏡水平方向上控制數(shù)據(jù) 傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換， 一個用于定日鏡垂直方向上控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。
本實用新型的有益效果如下
1) 本實用新型可以使定日鏡精確的全自動跟蹤太陽運行軌跡，使輻射到 定日鏡表面的太陽能量最大化，提高聚光系統(tǒng)的聚熱效率。
2) 在本實用新型的基礎(chǔ)上，運用DCS分散控制技術(shù)，可實現(xiàn)同步控制全 場多面定日鏡自動跟蹤太陽運行軌跡，大幅度提高電站的發(fā)電效率和降低電 站的運營成本。
3) 傳動執(zhí)行機構(gòu)可采用智能遠程測控裝置或非智能的普通執(zhí)行機構(gòu)。其 中智能遠程測控裝置可節(jié)約大量通信電纜，且智能型執(zhí)行機構(gòu)的體積緊湊， 安裝、拆除比較方便。而采用普通執(zhí)行機構(gòu)控制定日鏡在水平和垂直兩個方 向的運動，不但技術(shù)成熟可靠，而且價格也比同類型的智能執(zhí)行機構(gòu)價格便 宜約5000元人民幣，成本較低；通過硬接線方法與定日鏡的執(zhí)行元件連接， 通過通訊方法經(jīng)DCS模件與DPU控制器連接，接受DPU控制器的命令和向DPU 控制器傳輸定日鏡的現(xiàn)場數(shù)據(jù)；既可節(jié)約大量的控制電纜，又可以保證控制的可靠性。通過智能遠程測控裝置的人機界面，可以就地實現(xiàn)手動操作和監(jiān)
4) 具有很強的保護功能指，可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料設(shè)置各種保護狀態(tài)命令, 每當(dāng)天氣惡劣時，可一鍵命令，將定日鏡調(diào)制到預(yù)定的安全位置。
5) 塔式太陽能熱電站的核心部分是聚熱系統(tǒng)，而太陽能聚熱可以高達 2000多度，保護聚熱面不超熱非常重要，可以根據(jù)需要調(diào)整定日鏡場的輻射 強度，即通過調(diào)整投射到塔爐上的定日鏡的數(shù)量，從而保護吸熱器面的安全。


圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)原理圖2是智能遠程測控裝置與DPU控制器和定日鏡的連接示意圖;
圖3是普通執(zhí)行機構(gòu)與DPU控制器和定日鏡的連接示意圖4本實用新型閉環(huán)控制原理圖5鏡面反射光斑方位角度隨時間變化曲線圖6是鏡面方位運動的位置反饋隨時間變化曲線圖7是鏡面反射光斑高度角度隨時間變化曲線圖8是鏡面高度運動的位置反饋隨時間變化曲線圖9是鏡面反射光斑方位角度和方位位置反饋對比列表；
圖io是鏡面反射光斑高度角度和高度位置反饋對比列表。
具體實施方法
實施例1。選擇一面定日鏡，定日鏡2的傳動執(zhí)行機構(gòu)4采用智能遠程 測控裝置，選用的是施耐德LXM智能伺服驅(qū)動器和施耐德BSH1402P32F1A的 伺服電機，傳動執(zhí)行機構(gòu)4通過Modbus或者Canbus總線與DPU控制器6連 接，傳動執(zhí)行機構(gòu)4之間通過Modbus總線相互連接，如圖2所示。傳動執(zhí)行機構(gòu)4通過M0DBUS轉(zhuǎn)CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件7與DPU控制器6進行數(shù)據(jù)傳輸， DPU控制器6根據(jù)太陽角運動公式，計算鏡面實時反射太陽光至吸熱器需要 運動的行程，再由伺服驅(qū)動器通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模件反饋定日鏡行程位置值到DPU 控制器6，形成閉環(huán)控制，完成定日鏡全自動精確跟蹤太陽軌跡并反射太陽 光至塔頂?shù)奈鼰崞?。智能遠程測控裝置與DPU控制器6和定日鏡2的連接如 圖2所示，DPU控制器6經(jīng)智能遠程測控裝置4控制定日鏡2動作。
DPU控制器6是一個DCS系統(tǒng)的分布處理單元，該單元根據(jù)給定的太陽 角運動公式和控制方式，為傳動執(zhí)行機構(gòu)4提供定日鏡2跟蹤太陽軌跡運動 的設(shè)定值，并將定日鏡的實際位置值與設(shè)定值比較，根據(jù)比較結(jié)果通過傳動 執(zhí)行機構(gòu)4使定日鏡運動到精確的給定位置。其中所述的太陽角運動公式， 是可提供太陽隨著時間變化，太陽光照射到指定位置的太陽高度角和太陽方 位角的公式；所述的控制方式，是依據(jù)太陽在經(jīng)度和緯度方向上運動的高度 角和方位角的設(shè)定值，通過設(shè)置兩個解耦的閉環(huán)控制回路，將定日鏡跟蹤過 程中的高度角和方位角的位置值，分別按照設(shè)定的緯度函數(shù)X(t)和經(jīng)度函數(shù) Y(t)進行比較，控制定日鏡的跟蹤。
所述的太陽角運動公式如下；
太陽高度角(以水平為0度角)
sin(h〇)=sin( s ) xsin(①)+cos( 5 ) xcos(①)Xcos(t)
太陽方位角(以正南為0度角)
cosA=(sin(h0) Xsin(o)—sin S )/cos(h0) Xcos(①) ^中
h〇太陽高度角； A:太陽方位角； S-太陽赤緯角；
S =23.45 X sin (360 X (284+n) /365)n:積日， 一年中的天數(shù)，從1月1日到要計算日的天數(shù)，即計算 日的日期在當(dāng)年內(nèi)的順序號； ①地理緯度；
T:太陽時角，以正午時，1=0計算； 太陽對塔的計算
定義塔高為Z，鏡中心線高T1，塔到定日鏡的長度為X，塔到定 日鏡的寬度距離為丫； 則有如下
定日鏡的高度角為H1; 定日鏡的方位角為Al;
TanHl=(Z-Tl)/X; T。nAl=Y/X;
則
鏡子的實際緯度函數(shù):X(t) = (h〇+Hl)/2; 鏡子的實際經(jīng)度函數(shù)丫(t)-( A+Al)/2。
施耐德LXM05A智能伺服驅(qū)動器，內(nèi)部帶有通訊功能和智能反饋功能， 兼具有智能遠程測控裝置的功能。有其通訊功能和智能反饋功能的專用智能 遠程測控裝置，成本將會低于智能伺服驅(qū)動器，開發(fā)性、操作性、維護性均 要好于智能執(zhí)行機構(gòu)。
伺服驅(qū)動器通過RS485接口與MODBUS轉(zhuǎn)CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模件7相連 接，通過MODBUS RTU協(xié)議進行通訊數(shù)據(jù)的交互，協(xié)議轉(zhuǎn)換模件把數(shù)據(jù)實 時的傳遞給系統(tǒng)的DPU控制器6， DPU控制器6通過網(wǎng)關(guān)(HUB)與操作員 站計算機5連接，操作員站計算機5應(yīng)用MOXGRAF組態(tài)軟件結(jié)合太陽角 運動公式和閉環(huán)控制原理(如圖4)編寫程序和人機界面的設(shè)計。DPU控制 器6是TCS3000系統(tǒng)的重要核心組件PN300B(采用主處理器Pentium400，內(nèi)存128MB)。
在操作員站計算機5上，通過RS232—RS485的轉(zhuǎn)換器把計算機和定曰 鏡驅(qū)動器連接，通過MODBUS通訊接口手動調(diào)試，讓伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服 電機從而讓鏡面可以隨之運動。
在操作員站計算機上5，應(yīng)用MOXGRAF組態(tài)軟件編寫太陽角運動公式 的程序，計算出定日鏡把反射光斑投射到吸熱器時定日鏡的實時位置，從而 精確的計算出把定日鏡運動到正確位置時所需要發(fā)出的方向信號指令和運動 信號指令。把程序下載到DPU控制器6中，并且把定日鏡的驅(qū)動器和 MODBUS轉(zhuǎn)CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件7相連接，此時系統(tǒng)控制定日鏡是開環(huán)控 制，即使太陽運行軌跡公式再準(zhǔn)確，也不能避免定日鏡長時間運行后的機械 磨損以及傳動執(zhí)行元件所造成的誤差。
將閉環(huán)控制算法加入到DPU控制器6運行的程序中去，設(shè)定值是太陽在 經(jīng)度和緯度方向上運動的高度角和方位角的二維函數(shù)；反饋值是定日鏡運動 位置的行程值。通過DPU運算把定日鏡運動的指令通過兩套MODBUS轉(zhuǎn) CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件傳送給定日鏡的伺服驅(qū)動器， 一套傳送定日鏡水平方向 上的運動指令， 一套傳送定日鏡垂直方向上的運動指令。指令分為運動的方 向指令和位置指令，以開關(guān)量和脈沖量的形式傳送。伺服驅(qū)動器接收伺服電 機定日鏡實時運行的位置信號，即電機轉(zhuǎn)動實際圈數(shù)'，分別通過兩套 MODBUS轉(zhuǎn)CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件把定日鏡水平方向和垂直方向上運動的位 置信號反饋傳送到DPU控制器，形成閉環(huán)控制。
清晨太陽上升到一定高度的時候，定日鏡啟動，通過本實用新型的控制 裝置，定日鏡2全自動跟蹤太陽運行，當(dāng)全天運行后，太陽下降到一定的高 度時，定日鏡2停止繼續(xù)跟蹤太陽運行，并且調(diào)整運行方位，運行到定曰鏡 保護位置，避免鏡面受到損害。當(dāng)定日鏡2運行時，把太陽輻射到鏡面的光 能反射到塔頂?shù)奈鼰崞魃?，可以看到鏡面反射的光斑被投射到吸熱器上。普通的控制方法由于不能精確的跟蹤太陽運行軌跡，在吸熱器上是看不到鏡面 投射的光斑的；本實用新型的控制裝置可以精確的讓定日鏡跟蹤太陽運行軌 跡，實時的將光斑投射到吸熱器上。
當(dāng)啟動系統(tǒng)讓定日鏡全自動跟蹤太陽軌跡運行后，在操作員站計算機5 上，通過HMI人機界面手動調(diào)整定日鏡位置，把光斑打偏，使之不能被投射 到吸熱器上，此時定日鏡能夠根據(jù)DPU控制器運算的公式以及反饋值自動找 到正確運行位置，并把光斑重新投射到吸熱器上。經(jīng)過實驗，人為的調(diào)整定 日鏡的位置，測試定日鏡可以根據(jù)閉環(huán)控制，自動找到跟蹤的正確位置。在 實際工作中，有可能非人為的發(fā)生定日鏡脫離軌道，位置偏移的狀況，只有 閉環(huán)控制才能精確的將定日鏡自動的帶回到正確運行的軌道上。
根據(jù)多次定日鏡自動跟蹤太陽軌跡、反射光斑至吸熱器的試驗，形成了 可靠的試驗數(shù)據(jù)以及曲線。
系統(tǒng)全自動閉環(huán)跟蹤太陽軌跡，反射光斑至吸熱器，記錄由公式計算定 日鏡與吸熱器的方位角和高度角以及伺服驅(qū)動器反饋的位置信號的對比數(shù) 據(jù)，如圖9，圖10。
Zin——鏡面反射光斑方位角度(單位度)
Zout——鏡面方位運動的位置反饋，由伺服驅(qū)動器根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)累 計得出(單位:usr/10000)
Hin——鏡面反射光斑高度角度(單位度)
Hout——鏡面高度運動的位置反饋，由伺服驅(qū)動器根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)累
計得出(單位:usr/10000)
對數(shù)據(jù)表l的數(shù)據(jù)進行曲線分析可以得出以下數(shù)據(jù)圖，如圖5，圖6。 對數(shù)據(jù)表2的數(shù)據(jù)進行曲線分析可以得出以下數(shù)據(jù)圖，如圖7，圖8。 從數(shù)據(jù)中可以看出，本實用新型精確的完成了定日鏡全自動跟蹤太陽運
行軌跡，并把輻射到鏡面的光能反射到吸熱器上。這種精確性是其他控制方法無法達到的。并且完成定日鏡全場的控制、協(xié)調(diào)、保護，即當(dāng)大風(fēng)、冰雹、 雨雪等惡劣天氣，以及其他未可知狀況發(fā)生導(dǎo)致定日鏡不能正常工作時，所 需要采取的協(xié)調(diào)和保護措施。
實施例2。選擇一面定日鏡，定日鏡2的傳動執(zhí)行機構(gòu)4采用的是非智 能的普通執(zhí)行機構(gòu)，在定日鏡2的柱子上安裝有智能綜合遠程I/O裝置3 (箱 體外形尺寸350X400X80mm)， 一套智能綜合遠程I/O裝置3可以完成一面定 日鏡、兩個轉(zhuǎn)動軸系電機的精確控制。每套智能綜合遠程I/O裝置3含有兩 組測控I/O點。智能綜合遠程I/O裝置3通過硬接線的方式與普通執(zhí)行機構(gòu) 連接，智能綜合遠程I/O裝置3之間通過Moclbus總線相互連接。DPU控制 器6通過Modbus或者Canbus總線連接各智能綜合遠程I/O裝置3。 DPU控 制器6的DCS計算指令通過Modbus/Canbus總線傳輸?shù)矫總€智能綜合遠程I/O 裝置3內(nèi)，在智能綜合遠程I/O裝置3內(nèi)部再轉(zhuǎn)換為硬接線信號，與普通執(zhí) 行機構(gòu)連接。如圖3所示。為滿足定日鏡鏡場控制要求，智能綜合遠程I/O 裝置3具有以下功能l)具備脈寬調(diào)節(jié)功能，滿足定日鏡轉(zhuǎn)動的精度要求(控 制精度〉2毫弧)；2)在通訊中斷時能輸出相應(yīng)的脈沖，在通訊故障時讓定曰 鏡行程到安全位置；3)具有就地手動操控功能，即就地可以通過手動觸發(fā)使 定日鏡受控；4)裝置內(nèi)具備電源斷路器，滿足在夜晚可以自動切斷定日鏡執(zhí) 行機構(gòu)電源的需求；5)采用AC 220V供電，冗余電源模塊保證供電可靠性， 工作環(huán)境溫度-20'C 85。C; 6)裝置中各控制量和狀態(tài)值液晶顯示；電源、 通訊、采樣狀態(tài)LED顯示；兩路冗余RS485標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議通訊。傳動執(zhí)行 機構(gòu)4通過MODBUS轉(zhuǎn)CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件7與DPU控制器6進行數(shù)據(jù) 傳輸，DPU控制器6根據(jù)太陽角運動公式，計算鏡面實時反射太陽光至吸熱 器需要運動的行程，再由傳動執(zhí)行機構(gòu)4通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模件反饋定日鏡行程 位置值到DPU控制器6，形成閉環(huán)控制，完成定日鏡全自動精確跟蹤太陽軌 跡并反射太陽光至塔頂?shù)奈鼰崞?。普通?zhí)行機構(gòu)與DPU控制器6和定日鏡2的連接如圖3所示，DPU控制器6經(jīng)智能綜合遠程I/O裝置3和普通執(zhí)行機 構(gòu)控制定日鏡2動作。
DPU控制器6是一個DCS系統(tǒng)的分布處理單元，該單元根據(jù)給定的太 陽角運動公式和控制方式，為傳動執(zhí)行機構(gòu)4提供定日鏡2跟蹤太陽軌跡運 動的設(shè)定值，并將定日鏡的實際位置值與設(shè)定值比較，根據(jù)比較結(jié)果通過傳 動執(zhí)行機構(gòu)4使定日鏡運動到精確的給定位置。其中所述的太陽角運動公式， 是可提供太陽隨著時間變化，太陽光照射到指定位置的太陽高度角和太陽方 位角的公式；所述的控制方式，是依據(jù)太陽在經(jīng)度和緯度方向上運動的高度 角和方位角的設(shè)定值，通過設(shè)置兩個解耦的閉環(huán)控制回路，將定日鏡跟蹤過 程中的高度角和方位角的位置值，分別按照設(shè)定的緯度函數(shù)X(t)和經(jīng)度函數(shù) Y(t)進行比較，控制定日鏡的跟蹤。
所述的太陽角運動公式如下；
太陽高度角(以水平為0度角)
<formula>formula see original document page 14</formula>
太陽方位角(以正南為0度角)
cosA=(sin(h0) Xsin(。)—sin S )/cos(h0) Xcos(O) 其中-
h〇太陽高度角； A:太陽方位角； S:太陽赤緯角；
S =23.45Xsin(360X(284+n)/365)
n:積日， 一年中的天數(shù)，從1月1日到要計算日的天數(shù)，即計算 日的日期在當(dāng)年內(nèi)的順序號； O:地理諱度；
t:太陽時角，以正午時，t-O計算；太陽對塔的計算
定義塔高為Z，鏡中心線高T1，塔到定日鏡的長度為X，塔到定 日鏡的寬度距離為丫； 則有如下
定日鏡的高度角為H1; 定日鏡的方位角為Al;
TanHl=(Z-Tl)/X; TanAl=Y/X;
則
鏡子的實際緯度函數(shù):X(t) = (h〇+Hl)/2; 鏡子的實際經(jīng)度函數(shù):Y(t) = ( A+Al)/2。
普通執(zhí)行機構(gòu)通過RS485接口與MODBUS轉(zhuǎn)CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模件7相 連接，通過MODBUS RTU協(xié)議進行通訊數(shù)據(jù)的交互，協(xié)議轉(zhuǎn)換模件把數(shù)據(jù) 實時的傳遞給系統(tǒng)的DPU控制器6， DPU控制器6通過網(wǎng)關(guān)(HUB)與操作 員站計算機5連接，操作員站計算機5應(yīng)用MOXGRAF組態(tài)軟件結(jié)合太陽 角運動公式和閉環(huán)控制原理(如圖4)編寫程序和人機界面的設(shè)計。DPU控 制器6是TCS3000系統(tǒng)的重要核心組件PN300B (采用主處理器 Pentium400，內(nèi)存128MB)。在操作員站計算機5上，通過RS232—RS485 的轉(zhuǎn)換器把計算機和定日鏡驅(qū)動器連接，通過MODBUS通訊接口手動調(diào)試， 讓普通執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動伺服電機從而讓鏡面可以隨之運動。
在操作員站計算機上5，應(yīng)用MOXGRAF組態(tài)軟件編寫太陽角運動公式 的程序，計算出定日鏡把反射光斑投射到吸熱器時定日鏡的實時位置，從而 精確的計算出把定日鏡運動到正確位置時所需要發(fā)出的方向信號指令和運動 信號指令。把程序下載到DPU控制器6中，并且把定日鏡的驅(qū)動器和 MODBUS轉(zhuǎn)CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件7相連接，此時系統(tǒng)控制定日鏡是開環(huán)控制，即使太陽運行軌跡公式再準(zhǔn)確，也不能避免定日鏡長時間運行后的機械
磨損以及傳動執(zhí)行元件所造成的誤差。將閉環(huán)控制算法加入到DPU控制器6 運行的程序中去，設(shè)定值是太陽在經(jīng)度和緯度方向上運動的高度角和方位角 的二維函數(shù)；反饋值是定日鏡運動位置的行程值。通過DPU運算把定日鏡運 動的指令通過兩套MODBUS轉(zhuǎn)CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件傳送給定日鏡的伺服驅(qū) 動器， 一套傳送定日鏡水平方向上的運動指令， 一套傳送定日鏡垂直方向上 的運動指令。指令分為運動的方向指令和位置指令，以開關(guān)量和脈沖量的形 式傳送。伺服驅(qū)動器接收伺服電機定日鏡實時運行的位置信號，即電機轉(zhuǎn)動 實際圈數(shù)，分別通過兩套MODBUS轉(zhuǎn)CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件把定日鏡水平方 向和垂直方向上運動的位置信號反饋傳送到DPU控制器，形成閉環(huán)控制。
清晨太陽上升到一定高度的時候，定日鏡啟動，通過本實用新型的控制 裝置，定日鏡2全自動跟蹤太陽運行，當(dāng)全天運行后，太陽下降到一定的高 度時，定日鏡2停止繼續(xù)跟蹤太陽運行，并且調(diào)整運行方位，運行到定日鏡 保護位置，避免鏡面受到損害。當(dāng)定日鏡2運行時，把太陽輻射到鏡面的光 能反射到塔頂?shù)奈鼰崞魃希梢钥吹界R面反射的光斑被投射到吸熱器上。普 通的控制方法由于不能精確的跟蹤太陽運行軌跡，在吸熱器上是看不到鏡面 投射的光斑的；本實用新型的控制裝置可以精確的讓定日鏡跟蹤太陽運行軌 跡，實時的將光斑投射到吸熱器上。
當(dāng)啟動系統(tǒng)讓定日鏡全自動跟蹤太陽軌跡運行后，在操作員站計算機5 上，通過HMI人機界面手動調(diào)整定日鏡位置，把光斑打偏，使之不能被投射 到吸熱器上，此時定日鏡能夠根據(jù)DPU控制器運算的公式以及反饋值自動找 到正確運行位置，并把光斑重新投射到吸熱器上。經(jīng)過實驗，人為的調(diào)整定 日鏡的位置，測試定日鏡可以根據(jù)閉環(huán)控制，自動找到跟蹤的正確位置。在 實際工作中，有可能非人為的發(fā)生定日鏡脫離軌道，位置偏移的狀況，只有 閉環(huán)控制才能精確的將定日鏡自動的帶回到正確運行的軌道上。根據(jù)多次定日鏡自動跟蹤太陽軌跡、反射光斑至吸熱器的試驗，形成了 可靠的試驗數(shù)據(jù)以及曲線。系統(tǒng)全自動閉環(huán)跟蹤太陽軌跡，反射光斑至吸熱 器，記錄由公式計算定日鏡與吸熱器的方位角和高度角以及伺服驅(qū)動器反饋
的位置信號的對比數(shù)據(jù)，如圖9，圖10。
Zin——鏡面反射光斑方位角度(單位度)
Zout——鏡面方位運動的位置反饋，由伺服驅(qū)動器根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)累 計得出(單位usr/10000)
Hin——鏡面反射光斑高度角度(單位度)
Hout——鏡面高度運動的位置反饋，由伺服驅(qū)動器根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)累 計得出(單位:usr/10000)
對數(shù)據(jù)表l的數(shù)據(jù)進行曲線分析可以得出以下數(shù)據(jù)圖，如圖5，圖6。 對數(shù)據(jù)表2的數(shù)據(jù)進行曲線分析可以得出以下數(shù)據(jù)圖，如圖7，圖8。 從數(shù)據(jù)中可以看出，本實用新型精確的完成了定日鏡全自動跟蹤太陽運 行軌跡，并把輻射到鏡面的光能反射到吸熱器上。這種精確性是其他控制方 法無法達到的。并且完成定日鏡全場的控制、協(xié)調(diào)、保護，即當(dāng)大風(fēng)、冰雹、 雨雪等惡劣天氣，以及其他未可知狀況發(fā)生導(dǎo)致定日鏡不能正常工作時，所 需要采取的協(xié)調(diào)和保護措施。
權(quán)利要求1、一種塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置，包括DPU控制器(6)、傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)和DCS模件(7)，其特征在于傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)與定日鏡(2)連接，DPU控制器(6)與傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)相連接并通過DCS模件(7)與傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)之間進行數(shù)據(jù)傳輸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡 的控制裝置，其特征在于還包括一個操作員站計算機(5)，該計算機(5) 與DPU控制器(6)相連接并實時對時。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌 跡的控制裝置，其特征在于所述的DPU控制器(6)通過網(wǎng)關(guān)與操作員站計 算機(5)相連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡 的控制裝置，其特征在于所述的傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)是一個可提供定日鏡的 高度角和方位角的位置值和對定日鏡的高度角和方位角進行控制的智能遠程 測控裝置或非智能的普通執(zhí)行機構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡 的控制裝置，其特征在于所述的傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)是智能遠程測控裝置， DPU控制器(6)通過Modbus或者Canbus總線與各傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)相連 接，各傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)之間通過Modbus總線相互連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡 的控制裝置，其特征在于所述的傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)是非智能的普通執(zhí)行機 構(gòu)，在定日鏡(2)上安裝有智能綜合遠程I/O裝置(3); DPU控制器(6) 通過Modbus或者Canbus總線連接各智能綜合遠程I/O裝置(3)，智能綜合遠程I/O裝置(3)通過硬接線的方式與普通執(zhí)行機構(gòu)連接；智能綜合遠程1/0裝置(3)之間通過Modbus總線相互連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡 的控制裝置，其特征在于智能綜合遠程I/0裝置(3)安裝在定日鏡(2) 的柱子上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一權(quán)利要求所述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日 鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置，其特征在于所述的DCS模件(7)是M0DBUS 與CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡 的控制裝置，其特征在于所述的MODBUS與CAN的協(xié)議轉(zhuǎn)換模件有兩個，一 個用于定日鏡水平方向上控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換， 一個用于定日鏡垂直方向上 控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。
專利摘要本實用新型公開了一種塔式太陽能熱發(fā)電中定日鏡自動跟蹤太陽軌跡的控制裝置，包括DPU控制器(6)、傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)和DCS模件(7)，傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)與定日鏡(2)連接，DPU控制器(6)與傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)相連接并通過DCS模件(7)與傳動執(zhí)行機構(gòu)(4)之間進行數(shù)據(jù)傳輸，還包括一個操作員站計算機(5)，該計算機(5)與DPU控制器(6)相連接并實時對時；本實用新型控制定日鏡精確的全自動跟蹤太陽運行軌跡，使輻射到定日鏡表面的太陽能量最大化，提高聚光系統(tǒng)的聚熱效率。
文檔編號F24J2/38GK201242301SQ20082010877
公開日2009年5月20日 申請日期2008年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月23日
發(fā)明者靜 徐, 李和平, 章素華, 陳玉年, 湘 黃 申請人:中國華電工程(集團)有限公司