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、國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和能源需求的不斷擴(kuò)大，太陽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、研究開發(fā)最多的一種新能源。聚光型太陽能熱發(fā)電是典型的太陽能利用方式之一，其原理是利用太陽輻射所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行發(fā)電。按聚光方式進(jìn)行分類，主要有塔式、碟式、槽式和線性菲涅爾等[1-3]。本文針對(duì)線性菲涅爾集熱系統(tǒng)存在遮擋和陰影及跟蹤精度不高等問題，設(shè)計(jì)了一套具有高精度跟蹤控制器的線性菲涅爾太陽能集熱系統(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)的影響是線性菲涅爾集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問題。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，等弦長反射鏡弦長為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面反射鏡中心切線與水平面夾角為βn，第n面反射鏡下端點(diǎn)切線與水平面夾角βn,d。根據(jù)圖1可得如下表達(dá)式：

式中，α為太陽高度角，由式(4)[5]求得：

式中，δ為太陽赤緯角；ψ為當(dāng)?shù)鼐暥?，北半球取正值；ω為太陽時(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)太陽直射光線與水平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光無遮擋地反射到吸收器上，則吸收器開口寬度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，將求得的開口寬度W按照?qǐng)D2中判斷關(guān)系式進(jìn)行判別。如果滿足判別式，則得到正確的鏡場(chǎng)布置參數(shù)；如果不滿足，則將求得的開口寬度帶入式(9)重復(fù)上述計(jì)算過程，直到滿足判斷關(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D為400 mm、長為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)，反射鏡將太陽光反射到固定位置安裝的吸收器上，但隨著太陽自東向西運(yùn)動(dòng)，太陽光線入射角度會(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)的線性菲涅爾單軸太陽跟蹤控制器，通過直流電機(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，母線電壓設(shè)定為24 V，峰值母線電流設(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)欠壓和過壓過流等異常情況時(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)行太陽跟蹤，同時(shí)通過安裝在直流電機(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)行過程中會(huì)實(shí)時(shí)進(jìn)行風(fēng)速檢測(cè)，如不滿足運(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，通過太陽高度角計(jì)算公式(4)可得出不同時(shí)間所對(duì)應(yīng)的太陽高度角及日出、日落時(shí)間，其中日出、日落時(shí)太陽高度角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，通過式(4)可得當(dāng)日太陽高度角α如表2所示。

表2 上海太陽高度角列表(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)的線性菲涅爾太陽能集熱系統(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°，滿足線性菲涅爾極熱系統(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

文中通過分析線性菲涅爾太陽能集熱系統(tǒng)原理，提出了一種線性菲涅爾太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并通過此方法設(shè)計(jì)了一套由線性菲涅爾鏡場(chǎng)、吸收器和跟蹤控制器組成的線性菲涅爾太陽能集熱系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，微弧面反射鏡按照一定的初始角度安裝，并在太陽跟蹤控制器的控制下將太陽光線反射到鏡場(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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