塔式太阳能定日镜聚光成像策略研究与控制系统设计

【摘要】：太阳能热发电技术是21世纪解决环境污染和能源危机的有效途径之一。太阳能热发电主要有槽式、碟式和塔式三种方式。其中,塔式太阳能热发电是大型太阳能发电中最为经济的发电形式。国外关于太阳能热发电的研究早在20世纪70年代已经开展,并已取得很多研究成果,而我国在太阳能热发电领域的相关研究起步较晚。目前,如何实现大规模定日镜高精度跟踪和控制,已经成为阻碍塔式太阳能技术在我国应用的核心问题。本文从定日镜聚光策略、光斑成像建模和系统控制三个方面,对塔式太阳能定日镜控制系统进行了研究和探索。主要工作如下： (1)太阳运动模型的研究。根据太阳运动的特点,基于几何光学理论,建立了太阳三维运动模型,并通过仿真实现了太阳方位的精确计算。同时,设计了一套太阳方位的自动测量装置。 (2)定日镜聚光模型和控制策略的研究。基于机械动力学,运用欧拉旋转矩阵理论建立了双轴、三维的定日镜聚光运动模型,提出了定日镜聚光控制策略,并进行了仿真和实验验证及误差分析。此外,还进一步分析了定日镜聚光角度与太阳方位的变化规律。 (3)定日镜光斑成像模型的建立与研究。提出了一种定日镜光斑成像模型建立的方法,仿真模拟了不同时间、不同方位定日镜反射光斑的成像规律,并进行了实验验证。 (4)大规模定日镜控制系统的设计。提出了定日镜分布式调度的集群控制方法、基于精确时间同步的分时通信机制和模块化系统集成方案。 仿真和实验结果表明,本文提出的塔式太阳能定日镜模型、聚光控制策略和光斑成像建模方法切实可行、跟踪精度较好；设计的控制系统具有可实现、结构简单、可靠性强等特点,能很好的适用于大规模定日镜控制。为深入研究塔式太阳能热发电技术,实现大规模定日镜的高精度、高效率跟踪控制奠定了良好的基础。 【关键词】：塔式太阳能热发电 定日镜 聚光策略 光斑成像建模 控制系统
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 课题研究背景和意义12
• 1.2 太阳能发电的主要形式12-16
• 1.3 太阳能热发电的研究现状16-21
• 1.3.1 槽式太阳能热发电16-17
• 1.3.2 碟式太阳能热发电17
• 1.3.3 塔式太阳能热发电17-20
• 1.3.4 三种太阳能热发电形式的比较20-21
• 1.4 中国的太阳能热发电研究和发展现状21-22
• 1.5 定日镜聚光成像策略及控制系统研究概况22
• 1.6 本研究的主要内容和论文结构22-24
• 第二章 太阳位置算法与测量方法24-38
• 2.1 太阳与地球的运动规律24-25
• 2.1.1 地球的自转与公转24
• 2.1.2 太阳时24-25
• 2.2 太阳方位的计算25-31
• 2.2.1 太阳赤纬角、时角25-26
• 2.2.2 太阳高度角和方位角26-27
• 2.2.3 日出、日落偏角和时刻27-31
• 2.3 太阳方位测量31-35
• 2.3.1 测量装置概述31-34
• 2.3.2 误差分析34-35
• 2.4 本章小结35-38
• 第三章 定日镜聚光策略研究与实验分析38-56
• 3.1 引言38
• 3.2 定日镜跟踪方式38-41
• 3.2.1 光电跟踪38-39
• 3.2.2 视日轨迹跟踪39-41
• 3.3 定日镜聚光策略建模41-47
• 3.3.1 旋转矩阵原理41-43
• 3.3.2 定日镜角度定义43-44
• 3.3.3 定日镜聚光原理44-45
• 3.3.4 定日镜聚光模型建立与求解45-47
• 3.4 基于Matlab的模型仿真与实验分析47-55
• 3.4.1 定日镜聚光策略仿真分析47-52
• 3.4.2 聚光策略实验与误差分析52-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第四章 定日镜光斑成像建模仿真56-68
• 4.1 引言56
• 4.2 反射光斑建模56-59
• 4.3 反射光斑仿真与分析59-64
• 4.3.1 不同时间定日镜聚光成像仿真60-63
• 4.3.2 不同位置定日镜聚光成像仿真63-64
• 4.4 反射光斑实验分析64-65
• 4.5 本章小结65-68
• 第五章 大规模定日镜控制系统总体设计68-82
• 5.1 引言68
• 5.2 控制对象研究68-69
• 5.3 控制系统功能设计69-70
• 5.4 镜场控制方式设计70-74
• 5.4.1 定日镜控制方式70-71
• 5.4.2 定日镜驱动方式71-72
• 5.4.3 集群控制方案72-74
• 5.4.4 控制效果74
• 5.5 通信调度方式研究74-76
• 5.5.1 通信网络74-75
• 5.5.2 精确时间同步75-76
• 5.5.3 分时通信调度76
• 5.6 控制系统软件设计76-79
• 5.6.1 工作状态76
• 5.6.2 软件体系76-79
• 5.7 模块化集成设计79
• 5.8 本章小结79-82
• 第六章 总结与展望82-86
• 6.1 本文总结82-83
• 6.2 研究展望83-86
• 参考文献86-89
• 作者简历89
• 攻读学位期间发表的论文和完成的工作89

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