專利名稱：定日鏡跟蹤控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型具體涉及一種定日鏡跟蹤控制裝置。
背景技術(shù)：
能源是現(xiàn)代社會(huì)存在和發(fā)展的基石。隨著全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，能源消費(fèi)也相應(yīng)的持續(xù)增長。隨著時(shí)間的推移，化石能源的稀缺性越來越突顯，且這種稀缺性也逐漸在能源商品的價(jià)格上反應(yīng)出來。在化石能源供應(yīng)日趨緊張的背景下，大規(guī)模的開發(fā)和利用可再生能源已成為未來各國能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、確實(shí)的長壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。從理論上看，太陽能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬千瓦，如轉(zhuǎn)化為電能，則每年的發(fā)電量相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。因此，國際上普遍認(rèn)為，在長期的能源戰(zhàn)略中，太陽能具有更重要的地位。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也稱集中型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用獨(dú)立跟蹤太陽的定日鏡群，將陽光聚集到固定在接收塔頂部的集熱器上， 用以產(chǎn)生高溫，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組域燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電站的核心部分，用于跟蹤太陽并將太陽光反射進(jìn)接收塔頂部的集熱器內(nèi)，其主要有反射鏡、支架、傳動(dòng)裝置以及控制系統(tǒng)組成。目前跟蹤太陽的方式分為主動(dòng)跟蹤和反饋跟蹤兩種。主動(dòng)跟蹤是利用太陽運(yùn)行規(guī)律、定日鏡所處精確位置(坐標(biāo)，經(jīng)緯度)、集熱塔、集熱器的位置以及定日鏡距集熱器的位置，計(jì)算太陽的實(shí)時(shí)角度和定日鏡的目標(biāo)位置，來跟蹤太陽；反饋跟蹤是利用傳感器反饋太陽的當(dāng)前角度，來進(jìn)行跟蹤。目前的定日鏡控制系統(tǒng)，主要是利用安裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸上的編碼器，動(dòng)態(tài)的反饋定日鏡的當(dāng)前角度，根據(jù)跟蹤到的太陽角度，使定日鏡時(shí)刻保持在目標(biāo)角度，達(dá)到跟蹤太陽的效果。這種控制的缺點(diǎn)是定日鏡高度角編碼器與定日鏡不同軸，導(dǎo)致高度角的反饋有誤差，且這種誤差在一天中的不同時(shí)段大小不同，再加上鋼板的重力沉降，這種誤差會(huì)更大。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種誤差小的定日鏡跟蹤控制裝置以及利用該裝置的跟蹤控制方法。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種定日鏡跟蹤控制裝置，該裝置用于將太陽光發(fā)射進(jìn)接收塔頂部的集熱器內(nèi)；包括遠(yuǎn)程控制中心、若干個(gè)主控制器、若干個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、若干個(gè)步進(jìn)電機(jī)和若干個(gè)定日鏡位置反饋裝置；所述各定日鏡位置反饋裝置均包括加速度傳感器和絕對值編碼器；所述加速度傳感器安裝在對應(yīng)的定日鏡表面；所述的絕對值編碼器安裝在對應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸上；所述定日鏡位置反饋裝置的輸出端與對應(yīng)的主控制器的輸入端相連；所述遠(yuǎn)程控制中心與各主控制器相連；所述主控制器的輸出端與對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的輸入端相連；所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入軸和輸出軸分別與對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)輸出軸和定日鏡相連。對定日鏡跟蹤控制裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，遠(yuǎn)程控制中心為DCS分散控制系統(tǒng)或 PLC控制系統(tǒng)。主控制器包括單片機(jī)、單片機(jī)控制電路、電源轉(zhuǎn)換電路、片外鐵電存儲(chǔ)電路、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、SSI通信接口和串行通信接口，單片機(jī)控制電路分別與單片機(jī)、電源轉(zhuǎn)換電路、片外鐵電存儲(chǔ)器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、SSI通信接口和串行通信接口相連。其中，主控制器通過串行通信接口和遠(yuǎn)程控制中心相連，通過SSI通信接口與絕對值編碼器相連，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與步進(jìn)電機(jī)相連。步進(jìn)電機(jī)包括高度角控制電機(jī)和方位角控制電機(jī)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。高度角控制電機(jī)和方位角控制電機(jī)分別與高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連；絕對值編碼器安裝在對應(yīng)的方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸上。本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)采用反饋跟蹤或主動(dòng)跟蹤的方法，可以精確的跟蹤太陽運(yùn)行軌跡，將太陽光有效反射到集熱器內(nèi)，提高了太陽熱能利用效率；將定日鏡高度角和方位角的計(jì)算工作分散到各個(gè)定日鏡主控制器的單片機(jī)上，減少了服務(wù)器的運(yùn)算壓力，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采用安裝在各定日鏡表面的加速度傳感器反饋定日鏡的高度角，避免了鋼結(jié)構(gòu)由于重力沉降和變形而引起的系統(tǒng)誤差，同時(shí)也避免因編碼器與定日鏡不同軸引起的系統(tǒng)誤差，可以大大提高定日鏡的跟蹤精度；跟蹤精度不受天氣情況影響，在多云天氣仍可完成跟蹤，精度可達(dá)0. 1°，1.7mrad。

圖1為本實(shí)用新型定日鏡跟蹤控制裝置應(yīng)用在定日鏡場的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中主控制器控制單個(gè)定日鏡的原理圖。圖3為太陽高度角在一天中的變化曲線圖。圖4為太陽方位角在一天中的變化曲線圖。圖5為定日鏡高度角在一天中的變化曲線圖。圖6為定日鏡方位角在一天中的變化曲線圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型定日鏡跟蹤控制裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。結(jié)合圖1和圖2，本實(shí)用新型定日鏡跟蹤控制裝置包括包括遠(yuǎn)程控制中心、若干個(gè)主控制器、若干個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、若干個(gè)步進(jìn)電機(jī)和若干個(gè)定日鏡位置反饋裝置。步進(jìn)電機(jī)分為高度角控制電機(jī)以及方位角控制電機(jī)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 分別由高度角控制電機(jī)和方位角控制電機(jī)控制，從而調(diào)整各定日鏡的高度角和方位角。每個(gè)定日鏡位置反饋裝置包括記錄定日鏡高度角(俯仰方向夾角)的加速度傳感器和記錄定日鏡方位角(與正南方向夾角)的絕對值編碼器，其中加速度傳感器直接安裝在定日鏡的表面，可以精確地記錄定日鏡的高度角，避免了因鋼結(jié)構(gòu)以及反射鏡的重力沉降和變形而引起的角度誤差，還可以避免因現(xiàn)有編碼器與定日鏡不同軸引起的系統(tǒng)誤差，提高了定日鏡的跟蹤精度。絕對值編碼器安裝在對應(yīng)的方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸上。每個(gè)定日鏡位置反饋裝置將對應(yīng)的定日鏡高度角及方位角信息反饋給各個(gè)定日鏡的主控制器。遠(yuǎn)程控制中心為DCS分散控制系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)，將時(shí)間、定日鏡坐標(biāo)以及GPS采集到的定日鏡場經(jīng)緯度通過串行總線發(fā)送給各個(gè)定日鏡的主控制器。各主控制器是一個(gè)以單片機(jī)為控制核心的電路板，其上集成了單片機(jī)控制電路、電源轉(zhuǎn)換電路、片外鐵電存儲(chǔ)器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 SSI通信接口、串行通信接口。主控制器接收到串行總線發(fā)送的時(shí)間、坐標(biāo)、經(jīng)度以及緯度信息后通過太陽角度計(jì)算公式計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間太陽的高度角和方位角，再通過牛頓光學(xué)計(jì)算出定日鏡的高度角和方位角，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別發(fā)送給高度角控制電機(jī)和方位角控制電機(jī)，從而分別驅(qū)動(dòng)高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，將與其輸出軸相連的定日鏡調(diào)整到目標(biāo)角度位置，實(shí)現(xiàn)定日鏡的實(shí)時(shí)跟蹤。其中，主控制器的SSI通信接口通過SSI總線與絕對值編碼器進(jìn)行通信相連，通過 A/D采樣裝置與加速度傳感器相連。主控制器的串行通信接口通過串行總線與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行通信相連。單片機(jī)控制電路分別與電源轉(zhuǎn)換電路、片外鐵電存儲(chǔ)器電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 SSI通信接口、串行通信接口相連接。片外鐵電存儲(chǔ)器電路通過I2C總線與單片機(jī)控制電路連接，用于控制器程序與數(shù)據(jù)的存放。由單片機(jī)控制電路控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 由于步進(jìn)電機(jī)精度高，啟動(dòng)和停止過程無慣性誤差，因此本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)定日鏡傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以進(jìn)一步增加定日鏡的跟蹤精度。本實(shí)用新型采用二維跟蹤控制，分別控制定日鏡的高度角和方位角。通過加速度傳感器和絕對值編碼器將定日鏡實(shí)時(shí)的高度角和方位角位置信息反饋給主控制器；遠(yuǎn)程控制中心將時(shí)間和定日鏡的坐標(biāo)及經(jīng)緯度信息通過串行總線發(fā)送給主控制器；主控制器接收到遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送的信息后，通過太陽角計(jì)算公式計(jì)算出實(shí)時(shí)太陽的高度角和方位角， 進(jìn)而通過幾何光學(xué)計(jì)算出定日鏡的目標(biāo)高度角和方位角；根據(jù)定日鏡位置反饋裝置反饋的定日鏡實(shí)時(shí)的高度角和方位角信息，將控制脈沖發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)從而驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將定日鏡調(diào)整到目標(biāo)位置。在定日鏡跟蹤過程中，主控制器會(huì)間隔一段時(shí)間將定日鏡的跟蹤情況通過串行總線反饋給遠(yuǎn)程控制中心，遠(yuǎn)程控制中心根據(jù)主控制器反饋回的定日鏡跟蹤信息，進(jìn)行分析處理，如果發(fā)現(xiàn)定日鏡跟蹤異常則會(huì)對定日鏡主控制器發(fā)出停止、復(fù)位或重新跟蹤指令。由于太陽的東升西落，在一天中的不同時(shí)間相對于定日鏡場的位置有所不同。因此需要計(jì)算出實(shí)時(shí)的太陽高度角和方位角。本實(shí)用新型采用采用一種精度較高，應(yīng)用范圍比較廣的公式來計(jì)算，其中高度角公式誤差方差可達(dá)0.0002°，方位角公式誤差方差可達(dá) 0.002° 太陽高度角sin= sin J sin ρ + cosS ■ cos φ - cosr (ι)太陽方位角
權(quán)利要求1.一種定日鏡跟蹤控制裝置，其特征在于包括遠(yuǎn)程控制中心、若干個(gè)主控制器、若干個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、若干個(gè)步進(jìn)電機(jī)和若干個(gè)定日鏡位置反饋裝置；所述各定日鏡位置反饋裝置均包括加速度傳感器和絕對值編碼器；所述加速度傳感器安裝在對應(yīng)的定日鏡表面；所述的絕對值編碼器安裝在對應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸上；所述定日鏡位置反饋裝置的輸出端與對應(yīng)的主控制器的輸入端相連；所述遠(yuǎn)程控制中心與各主控制器相連；所述主控制器的輸出端與對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的輸入端相連；所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入軸和輸出軸分別與對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)輸出軸和定日鏡相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定日鏡跟蹤控制裝置，其特征在于所述遠(yuǎn)程控制中心為DCS 分散控制系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的定日鏡跟蹤控制裝置，其特征在于所述主控制器包括單片機(jī)、單片機(jī)控制電路、電源轉(zhuǎn)換電路、片外鐵電存儲(chǔ)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、SSI通信接口和串行通信接口 ；所述單片機(jī)控制電路分別與所述單片機(jī)、電源轉(zhuǎn)換電路、片外鐵電存儲(chǔ)器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、SSI通信接口和串行通信接口相連；所述主控制器通過串行通信接口和遠(yuǎn)程控制中心相連；所述主控制器通過SSI通信接口與所述絕對值編碼器相連；所述主控制器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與步進(jìn)電機(jī)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定日鏡跟蹤控制裝置，其特征在于所述步進(jìn)電機(jī)包括高度角控制電機(jī)和方位角控制電機(jī)；所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述高度角控制電機(jī)和方位角控制電機(jī)分別與高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連；所述絕對值編碼器安裝在對應(yīng)的方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種定日鏡跟蹤控制裝置，該裝置包括遠(yuǎn)程控制中心、主控制器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)和定日鏡位置反饋裝置；定日鏡位置反饋裝置包括加速度傳感器和絕對值編碼器；加速度傳感器安裝在對應(yīng)的定日鏡表面；絕對值編碼器安裝在對應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸上；定日鏡位置反饋裝置的輸出端與對應(yīng)的主控制器的輸入端相連；遠(yuǎn)程控制中心的輸出端與各主控制器的輸入端相連；主控制器的輸出端與對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的輸入端相連；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入軸和輸出軸分別與對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)輸出軸和定日鏡相連；利用該裝置能精確的跟蹤太陽運(yùn)行軌跡，將太陽光有效反射到集熱器內(nèi)，提高了太陽熱能利用效率。
文檔編號(hào)F24J2/40GK202149628SQ20112024791
公開日2012年2月22日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者王威, 賀赟輝, 韓蕾 申請人:南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司