丁永健　蒲華豐

摘要：塔式太陽能光熱發(fā)電站占地較大、定日鏡數(shù)量多、控制信號簡單、數(shù)據(jù)傳輸小，所以可利用無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、拓撲多樣和后期維護擴展便利的優(yōu)勢，省去了繁瑣的布線作業(yè)，減少施工安裝的工程量。本文將在概述無線控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，研究塔式太陽能光熱發(fā)電無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計，并對該系統(tǒng)的可靠性與安全性進行分析，提出相應(yīng)的安全措施來應(yīng)對風(fēng)險。另外設(shè)計了一種合理的定日鏡控制技術(shù)，并對其運行模式進行研究，制定了針對定日鏡的控制策略。

關(guān)鍵詞：塔式太陽能;光熱發(fā)電站;無線網(wǎng)絡(luò)控制

1無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)概述

1.1 結(jié)構(gòu)

無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)包含了傳感器、無線、數(shù)字電子和自動控制等領(lǐng)域的技術(shù)，主要以無線傳感器節(jié)點、接收/發(fā)送節(jié)點、數(shù)據(jù)存儲中心與終端用戶等部分組成。其中無線傳感器節(jié)點是基礎(chǔ)與核心，該節(jié)點又由傳感器、通訊協(xié)議、無線收發(fā)器、電源等組成。節(jié)點功能多種多樣，可滿足不同控制功能要求。

1.2 功能特點

無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有應(yīng)用方便、組網(wǎng)靈活、延伸拓展性好、高帶寬和高安全高穩(wěn)定的優(yōu)點，尤其適合用在危險操作場合和需要快速組網(wǎng)的場合[1]。當然，無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由于采用了多跳的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，所以會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延與隨即丟包的問題，節(jié)點移動導(dǎo)致節(jié)點拓撲隨即，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸也會發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外和節(jié)點之間也會出現(xiàn)互相干擾的現(xiàn)象。此外，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度較低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時間增加，而且本身節(jié)點功率有限，對于遠距離的數(shù)據(jù)傳輸難度較大。

2控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

2.1 控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

塔式太陽能光熱發(fā)電站定日鏡具有定日鏡數(shù)量多、布置緊湊的特點，定日鏡布置包括輻射網(wǎng)絡(luò)和直線排列方式，定日鏡采集和傳輸數(shù)據(jù)相對簡單，結(jié)合定日鏡場的特點，采用無限控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計具有一定的可靠性。整個光熱電站無線控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計可以分成定日鏡控制網(wǎng)絡(luò)，即現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點網(wǎng)絡(luò)、實時控制層和生產(chǎn)級控制層[2]。其中現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)吸熱塔控制系統(tǒng)與定日鏡控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，收集定日鏡運行數(shù)據(jù)并發(fā)送指令。實時控制層是將各個子系統(tǒng)控制器實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，生產(chǎn)級控制層則是將上位系統(tǒng)的各個服務(wù)器與客戶機實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

2.2 可靠性和安全性分析

無線控制網(wǎng)絡(luò)以ISA100.11a為標準，采用直接序列擴頻技術(shù)和正交相位位移鍵控技術(shù)，首先該標準本身具備相應(yīng)的安全機制可確保數(shù)據(jù)的完整和準確性，同時提供了時隙配置，使配置的時隙更加靈活。而利用時分多址技術(shù)能實現(xiàn)最小化網(wǎng)絡(luò)碰撞，利用多重信道跳躍方式，不但可以減少干擾與多徑衰減，而且因為提供多種跳躍方式使在處理不同通訊類型時更具有靈活性和專業(yè)性，能確保在任意條件下無線節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽啃裕瑫r結(jié)合數(shù)據(jù)包加密技術(shù)、數(shù)據(jù)源驗證技術(shù)、無線防火墻技術(shù)等提高系統(tǒng)的安全可靠。對于可能出現(xiàn)的系統(tǒng)風(fēng)險，可采用分層保護措施來避免。

3定日鏡控制方案設(shè)計

3.1 定日鏡運行模式

定日鏡運行模式分成自動模式、維護模式和安全模式，其中自動模式指的是定日鏡根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的控制方法自動運行，從而實現(xiàn)對太陽的實時跟蹤。維護模式指的是實現(xiàn)對定日鏡的維護清洗，氣象站測得實時氣溫，在溫度低于0℃時禁止使用水清洗系統(tǒng)而采取其他清理方式以免發(fā)生結(jié)冰而損壞定日鏡。安全模式指的是在定日鏡場出現(xiàn)危險或運行故障時，能快速切斷故障定日鏡并轉(zhuǎn)移到安全位置，同時也能根據(jù)氣象站測得的氣象數(shù)據(jù)，在惡劣天氣到來前能提前制定避險方案。

3.2 定日鏡跟蹤控制設(shè)計

太陽能光熱發(fā)電站是對新能源利用的一種，也是國家未來發(fā)電方向重要的最具有潛力的技術(shù)之一。實現(xiàn)塔式太陽能光熱發(fā)電的基礎(chǔ)條件是定日鏡能有效反射太陽光到吸熱塔上，所以定日鏡控制設(shè)計非常重要，定日鏡控制是否科學(xué)有效將直接決定定日鏡場的工作有效性，直接影響太陽能光熱發(fā)電的實現(xiàn)。當前國內(nèi)定日鏡跟蹤控制方法很多，主要包括程序控制、傳感器控制和程序傳感器混合控制三種。其中程序控制是開環(huán)式控制，能實現(xiàn)對太陽運行軌跡的跟蹤，利用GPS實現(xiàn)對任意位置時間、經(jīng)緯度的測定，并準確計算太陽的高度角與方位角，然后合理設(shè)置定日鏡水平垂直方向上的旋轉(zhuǎn)角度，采用脈沖信號驅(qū)動定日鏡電動機使其運轉(zhuǎn)到指定位置，使太陽光能準確反射到接收器上。但是定日鏡運行也會受各種因素干擾而產(chǎn)生一定的誤差，在超出誤差閾值時通過誤差調(diào)節(jié)信號來使太陽光能一直落在規(guī)定范圍內(nèi)，后期隨著控制信號和傳動機構(gòu)長時間的運行而導(dǎo)致誤差不斷增加，誤差無法完全消除，所以通過計算得到的結(jié)果需要經(jīng)過大氣層折射修正后才能用于定日鏡控制。大氣層對于太陽光的折射率與大氣層的溫濕度、壓力、大氣環(huán)流狀態(tài)等有關(guān)[3]。

3.3 定日鏡跟蹤控制策略

一般關(guān)于太陽能光熱發(fā)電無線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用的是自動控制模式，在需要設(shè)備清理維護時為便于維修則采用維護運行模式，在遇到特殊情況比如定日鏡運行異常時采用集中控制模式，即由上位系統(tǒng)發(fā)出指令控制定日鏡的運行，此時該采取安全運行模式。上位系統(tǒng)接收到來自氣象站的數(shù)據(jù)后再決定定日鏡場采用何種運行模式，氣象站采用光電傳感器獲得的太陽高度和方位角等數(shù)據(jù)發(fā)送到定日鏡控制設(shè)備，并計算定日鏡需要運轉(zhuǎn)的角度，然后和控制系統(tǒng)正常計算得到的角度數(shù)據(jù)比較對定日鏡運轉(zhuǎn)角度進行校正。同時根據(jù)當時天氣狀況決定是否將光電傳感器獲得的數(shù)據(jù)傳遞到各個定日鏡控制系統(tǒng)中。

4結(jié)語

綜上所述，塔式太陽能光熱發(fā)電是目前最有可能實現(xiàn)大功率發(fā)電的方式，隨著發(fā)電站功率的增大發(fā)電站定日鏡數(shù)量也會不斷增加，在定日鏡數(shù)量達到一定標準時采用無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活性、綜合成相對較低的優(yōu)勢，但是將無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用到塔式太陽能光熱發(fā)電站中也存在網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)包丟失的問題，需要研究改進的地方還有很多，比如定日鏡場中定日鏡位置對控制技術(shù)的影響，以及如何提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能這些問題需要進一步進行試驗驗證。

參考文獻：

[1]范立，劉強，徐能，毛永夫，蒲華豐，丁永健.基于超級電容的塔式太陽能光熱發(fā)電備電設(shè)計[J]. 能源研究與管理，2018（1）：21.

[2]王明達.塔式太陽能光熱發(fā)電無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究[D]. 華北電力大學(xué)，2015.

[3]李聃.光熱發(fā)電系統(tǒng)中組網(wǎng)及控制技術(shù)的研究[D]. 西安電子科技大學(xué)，2017.