高性能塔式太阳能定日镜控制系统研究

【摘要】： 太阳光线能流密度低、辐射具有间歇性,使太阳能热发电技术受到局限,在塔式太阳能热发电技术中,定日镜技术是实现塔式太阳能热发电的关键技术,是提高太阳能能量密度的关键部件。作为能量传递的第一个环节,定日镜的功能在于跟踪、反射、聚焦太阳光,并将其准确投射到太阳塔上的吸热器中,定日镜运行及能量反射需可靠、稳定、高效才能保证整个发电系统安全运作。然而定日镜的机械误差给系统控制带来不便,导致太阳位置变为相对的非线性变化,外界环境因素导致跟踪精度降低,且发电能力与定日镜反射的太阳辐射度有关,为使系统比较均衡地工作,在反射光强较弱时尽可能增加定日镜上接收到的太阳辐照量,光强度较大时适度减少接收到的太阳辐照量,有必要找到定日镜法线和太阳光线在不同情况下的最佳角度,使辐射量的差异尽可能小,而全年总辐射量尽可能大。因而为使定日镜在不同硬件误差、突发天气状况下稳定工作,需选取一种合理的控制方式。 本文对太阳跟踪装置的机械结构和控制原理及系统设计做了简单研究,描述了聚光反射镜自动跟踪装置的机械结构及跟踪控制的原理、方法,分析了太阳运行规律,介绍了太阳跟踪系统的原理,并就其实现的可能性进行探索,提出太阳跟踪方案,并根据DCS发展趋势,提出了一种塔式太阳能热发电分布式控制系统的总体方案以及其各子单元应实现的控制功能,并设计了分布式控制系统的网络结构和主要控制单元的控制策略,实现对太阳方位角和高度角的双轴自动跟踪,部分成果已应用于塔式太阳能热发电站的控制系统中,可以广泛使用于需要跟踪太阳的装置中,提高太阳能利用效率。文章还介绍了该系统的设计思想、基本原理和主要部件,太阳跟踪的几种常见方法,举出了地平坐标系双轴跟踪方式的具体应用,作了初步的计算分析。基于对“天球理论”所推导出的太阳方位角与经纬度、时间等参量关系曲线特性的分析,提出太阳方位角和高度角的求解条件,并完成太阳位置功能块的建立和反射过程建模。 针对塔式太阳能定日镜控制系统具有非线性、数学模型难以建立等特点,常规控制方法难以取得良好的控制效果,而模糊控制策略大多应用于受控对象数学模型难以建立的场合,具有较好的稳定性,并结合实际情况和操作人员的经验,提出了用模糊控制来确定定日镜法线与太阳光线的最佳夹角。本文以北京延庆定日镜控制系统作为研究对象,从定日镜控制的角度对其进行深入研究。开发了相应的控制软件包,结合ABB公司的Control Builder AC800F集散控制系统,通过ABB公司的AC500可编程控制器实现塔式太阳能定日镜控制系统的设计。结合现场运行结果,表明可达到预期目标,有良好的工程应用前景和价值,对塔式太阳能定日镜控制系统的设计可提供参考。 【关键词】：定日镜 塔式发电系统 自动定位 太阳跟踪 太阳方位角
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 太阳能发电概述12-15
• 1.1.1 能源现状12-13
• 1.1.2 太阳能发电的特点13-15
• 1.2 太阳能发电国内外研究动态15-19
• 1.2.1 太阳能发电的分类15
• 1.2.2 塔式太阳能发电简介15-17
• 1.2.3 国内研究动态17-18
• 1.2.4 国外研究动态18-19
• 1.3 定日镜控制技术概况19-21
• 1.4 本文主要研究内容及方法21-22
• 1.5 本章小结22-24
• 第二章 太阳位置模块的建立及反射过程建模24-40
• 2.1 太阳与地球的相对运动24-25
• 2.2 太阳跟踪方式研究25-30
• 2.2.1 太阳辐射强度25-26
• 2.2.2 太阳位置确定方式26-29
• 2.2.3 太阳跟踪方式研究29-30
• 2.3 太阳位置算法建模30-35
• 2.3.1 日出、日落的角度与时刻计算30-33
• 2.3.2 太阳位置建模33-35
• 2.4 定日镜反射光线过程建模35-38
• 2.5 本章小结38-40
• 第三章 定日镜结构分析及控制方式研究40-54
• 3.1 定日镜结构分析40-42
• 3.1.1 定日镜硬件结构分析40-42
• 3.1.2 定日镜跟踪传动机构分析42
• 3.2 定日镜误差分析42-44
• 3.3 定日镜误差校正系统44-47
• 3.3.1 定日镜及镜场控制系统技术研究44-45
• 3.3.2 定日镜误差校正系统研究45-46
• 3.3.3 定日镜校偏研究46-47
• 3.4 定日镜场存在的问题分析47-48
• 3.5 定日镜控制方式48-51
• 3.5.1 定日镜运转方式分析48-49
• 3.5.2 定日镜控制方式研究49-51
• 3.6 本章小结51-54
• 第四章 控制平台选型及定日镜相对位置的研究54-74
• 4.1 控制平台的选取54-57
• 4.1.1 DCS 技术简介54-56
• 4.1.2 PLC 技术论述56-57
• 4.2 定日镜控制系统的结构设计57-64
• 4.2.1 通讯方式的设计57-61
• 4.2.2 DCS 控制系统的整体结构设计61-64
• 4.3 定日镜法线与太阳光线的夹角研究64-67
• 4.3.1 模糊控制理论简介64-65
• 4.3.2 定日镜法线与太阳光线的最佳交角分析65-67
• 4.4 最佳交角模糊控制器的设计及仿真67-72
• 4.4.1 集热温度算法研究67-69
• 4.4.2 模糊控制器的设计69-72
• 4.5 本章小结72-74
• 第五章 定日镜控制系统设计74-86
• 5.1 PLC 驱动伺服电机的研究74-75
• 5.2 就地控制器的设计75-84
• 5.2.1 就地控制柜的组成76
• 5.2.2 就地控制柜的功能研究76-78
• 5.2.3 硬件配置78-79
• 5.2.4 软件设计79-84
• 5.3 控制软件的效果84-85
• 5.4 本章小结85-86
• 第六章 结论与展望86-88
• 6.1 全文结论86-87
• 6.2 研究展望87-88
• 参考文献88-92
• 致谢92-94
• 附录(攻读硕士学位期间完成的论文及参与的科研项目)94

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