上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院 ■ 王浩林 張津 王魏

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和能源需求的不斷擴(kuò)大，太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的資源，已成為人們最關(guān)注、研究開(kāi)發(fā)最多的一種新能源。聚光型太陽(yáng)能熱發(fā)電是典型的太陽(yáng)能利用方式之一，其原理是利用太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行發(fā)電。按聚光方式進(jìn)行分類(lèi)，主要有塔式、碟式、槽式和線(xiàn)性菲涅爾等[1-3]。本文針對(duì)線(xiàn)性菲涅爾集熱系統(tǒng)存在遮擋和陰影及跟蹤精度不高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套具有高精度跟蹤控制器的線(xiàn)性菲涅爾太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。

1 LFR集熱器鏡場(chǎng)布置原理

1.1 LFR集熱器鏡場(chǎng)布置原理

線(xiàn)性菲涅爾反射式(Linear Fresnel Refl ector，LFR)集熱系統(tǒng)由反射鏡場(chǎng)、吸收器和跟蹤器組成。鏡場(chǎng)一般采用南北方向布置，接收器固定安裝在鏡場(chǎng)中心上方。但由于反射鏡間距、接收器體積和位置影響，LFR系統(tǒng)普遍存在遮擋和陰影現(xiàn)象。減小遮擋和陰影對(duì)系統(tǒng)的影響是線(xiàn)性菲涅爾集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。Mills等[4]提出了緊湊型LFR聚光裝置的概念，可減小遮擋和陰影造成的反射鏡間距。本文提出了一種在沒(méi)有遮擋的臨界情況下的鏡場(chǎng)布置方法，并按照該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)微弧面反射鏡場(chǎng)。

圖1 鏡場(chǎng)布置原理圖

LFR集熱系統(tǒng)鏡場(chǎng)布置原理如圖1所示。吸收器開(kāi)口寬度為W，吸收器距離鏡場(chǎng)中心O的高度為H，相鄰反射鏡距離為Sn，等弦長(zhǎng)反射鏡弦長(zhǎng)為D，拱高為d，第n面反射鏡與鏡場(chǎng)中心O的水平距離為Qn，第n面反射鏡中心切線(xiàn)與水平面夾角為βn，第n面反射鏡下端點(diǎn)切線(xiàn)與水平面夾角βn,d。根據(jù)圖1可得如下表達(dá)式：

式中，α為太陽(yáng)高度角，由式(4)[5]求得：

式中，δ為太陽(yáng)赤緯角；ψ為當(dāng)?shù)鼐暥龋卑肭蛉≌?；ω為太?yáng)時(shí)角。

設(shè)弧面鏡弧面半徑為R，根據(jù)幾何關(guān)系可求得βn,d：

當(dāng)太陽(yáng)直射光線(xiàn)與水平x軸垂直時(shí)，α為90 °，此時(shí)鏡場(chǎng)的初始條件為：

1.2 吸收器寬度確定

假設(shè)每一面反射鏡都能將入射到反射鏡面的陽(yáng)光無(wú)遮擋地反射到吸收器上，則吸收器開(kāi)口寬度W必須大于最邊緣反射鏡光斑寬度。在實(shí)際應(yīng)用中，吸收器開(kāi)口寬度一般取最小值，即最邊緣反射鏡光斑寬度。根據(jù)圖1中幾何關(guān)系可得：

由式(1)～(8)可得集熱器鏡場(chǎng)的布置參數(shù)。由式(8)計(jì)算腔體吸收器開(kāi)口W時(shí)所用到的初始寬度為D，可能導(dǎo)致接收器的陰影寬度大于Q1，使得吸收器在鏡場(chǎng)的陰影對(duì)反射鏡產(chǎn)生遮擋，因此需要將此時(shí)的開(kāi)口寬度W進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化計(jì)算時(shí)，將求得的腔體吸收器開(kāi)口寬度W帶入式(9)中，重新計(jì)算鏡場(chǎng)的各參數(shù)。

根據(jù)式(1)～(8)計(jì)算出鏡場(chǎng)參數(shù)后，將求得的開(kāi)口寬度W按照?qǐng)D2中判斷關(guān)系式進(jìn)行判別。如果滿(mǎn)足判別式，則得到正確的鏡場(chǎng)布置參數(shù)；如果不滿(mǎn)足，則將求得的開(kāi)口寬度帶入式(9)重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，直到滿(mǎn)足判斷關(guān)系式，得出正確結(jié)果。

圖2 鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)邏輯圖

2 LFR集熱系統(tǒng)鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)

由于三角形腔體吸收器內(nèi)部能量分布均勻，且吸收器內(nèi)壁能量密度高，具有較好的熱性能[6]，所以本文采用三角形腔體吸收器。其中，吸收器距離鏡場(chǎng)中心高度H為4000 mm，吸收器兩邊分別布置5面反射鏡，反射鏡弦長(zhǎng)D為400 mm、長(zhǎng)為6000 mm，拱高d為1 mm。

根據(jù)上文提出的方法，按圖2進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到開(kāi)口寬度W為230 mm，鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)所需要的布置參數(shù)如表1所示。

表1 鏡場(chǎng)布置參數(shù)表

根據(jù)表1中的鏡場(chǎng)布置參數(shù)，利用TracePro光學(xué)仿真軟件建立鏡場(chǎng)模型并進(jìn)行仿真，得到集熱器鏡場(chǎng)光線(xiàn)追跡和能量分布圖，如圖3所示。其中，反射鏡(超白玻璃)反射率為0.97，吸收率為0.03；腔體吸收器反射率為0.03，吸收率為0.97。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)太陽(yáng)入射角為90°時(shí)，本文設(shè)計(jì)的集熱器鏡場(chǎng)中相鄰反射鏡沒(méi)有遮擋和陰影現(xiàn)象，設(shè)計(jì)方法正確可靠。

圖3 2#鏡場(chǎng)光線(xiàn)追跡圖和吸收器能量分布圖

3 DSP跟蹤控制器

LFR工作時(shí)，反射鏡將太陽(yáng)光反射到固定位置安裝的吸收器上，但隨著太陽(yáng)自東向西運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)光線(xiàn)入射角度會(huì)發(fā)生變化，因此需采用跟蹤控制器，確保每面反射鏡都能將太陽(yáng)光反射到吸收器上[7]。本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的線(xiàn)性菲涅爾單軸太陽(yáng)跟蹤控制器，通過(guò)直流電機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)精準(zhǔn)控制。

3.1 跟蹤控制器硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)采用主動(dòng)式單軸跟蹤，跟蹤控制器硬件由核心控制模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊和手動(dòng)控制模塊3部分組成，原理圖如圖4所示。核心控制模塊由處理器、通信接口、風(fēng)速接口、調(diào)試接口和控制電源等組成，主要用于計(jì)算追日算法和采集位置傳感器、風(fēng)速傳感器信號(hào)，對(duì)反射鏡進(jìn)行閉環(huán)控制和風(fēng)速保護(hù)，并與上位機(jī)通信，方便調(diào)試和參數(shù)監(jiān)控。其中，處理器采用TMS320F2812作為核心控制芯片，通訊接口采用 RS232和 RS485。

圖4 跟蹤系統(tǒng)功能框圖

功率驅(qū)動(dòng)模塊由主電源、驅(qū)動(dòng)電路、隔離保護(hù)電路、直流電機(jī)和位置傳感器組成，主要用于執(zhí)行處理器控制指令，驅(qū)動(dòng)鏡場(chǎng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)將位置信號(hào)反饋給處理器。跟蹤器設(shè)定功率容量為600 W，母線(xiàn)電壓設(shè)定為24 V，峰值母線(xiàn)電流設(shè)定為20 A。選用高速M(fèi)OSFETN型IRF4905及P型SN70N10A構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器的H逆變橋，驅(qū)動(dòng)電路由光耦電路及共射三極管電路構(gòu)成，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)欠壓和過(guò)壓過(guò)流等異常情況時(shí)，能夠隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)，防止對(duì)后續(xù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)造成損害。

手動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)了復(fù)位、手動(dòng)自動(dòng)模式切換、手動(dòng)正和手動(dòng)負(fù)等功能，主要用于安裝調(diào)試及手動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)控制菲涅爾反射鏡動(dòng)作。

3.2 跟蹤控制器軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 控制原理圖

跟蹤控制器控制原理圖如圖5所示。系統(tǒng)首先根據(jù)所在地的地理位置和時(shí)間信息計(jì)算理論高度角，然后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)鏡場(chǎng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤，同時(shí)通過(guò)安裝在直流電機(jī)上的霍爾元件(位置傳感器)進(jìn)行位置檢測(cè)，與理論高度角進(jìn)行比較，進(jìn)行閉環(huán)控制。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)實(shí)時(shí)進(jìn)行風(fēng)速檢測(cè)，如不滿(mǎn)足運(yùn)行條件，系統(tǒng)會(huì)自行進(jìn)入風(fēng)速保護(hù)模式。

圖5 控制原理圖

本文設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)采用主動(dòng)式單軸跟蹤，通過(guò)太陽(yáng)高度角計(jì)算公式(4)可得出不同時(shí)間所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)高度角及日出、日落時(shí)間，其中日出、日落時(shí)太陽(yáng)高度角α為0。上海位于東經(jīng)121.5°、北緯31.24°，以2013年11月9日為例，通過(guò)式(4)可得當(dāng)日太陽(yáng)高度角α如表2所示。

表2 上海太陽(yáng)高度角列表(單位：°)

3.2.2 控制算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。日出時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)，當(dāng)太陽(yáng)高度角變化為Δα?xí)r，鏡場(chǎng)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)Δα/2；日落時(shí)，反射鏡回到初始位置。當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生風(fēng)力警報(bào)，并將反射鏡復(fù)位。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置了掉電保持功能，以免掉電后位置數(shù)據(jù)丟失。

圖6 跟蹤系統(tǒng)程序流程圖

4 集熱系統(tǒng)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的線(xiàn)性菲涅爾太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 跟蹤控制器

系統(tǒng)在圖8所示的智能微網(wǎng)中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，系統(tǒng)最大誤差為0.39°，滿(mǎn)足線(xiàn)性菲涅爾極熱系統(tǒng)對(duì)高跟蹤精度的要求，且具有操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。高度角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

表3 高度角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表(單位：°)

5 結(jié)論

文中通過(guò)分析線(xiàn)性菲涅爾太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)原理，提出了一種線(xiàn)性菲涅爾太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)此方法設(shè)計(jì)了一套由線(xiàn)性菲涅爾鏡場(chǎng)、吸收器和跟蹤控制器組成的線(xiàn)性菲涅爾太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，微弧面反射鏡按照一定的初始角度安裝，并在太陽(yáng)跟蹤控制器的控制下將太陽(yáng)光線(xiàn)反射到鏡場(chǎng)上方固定安裝的三角形腔體吸收器上。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)太陽(yáng)入射角為90°時(shí)，本文設(shè)計(jì)的集熱器鏡場(chǎng)中相鄰反射鏡無(wú)遮擋和陰影現(xiàn)象，且具有較高的控制精度和風(fēng)速保護(hù)等功能，適用于大規(guī)模鏡場(chǎng)布置設(shè)計(jì)。

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