海西50MW塔式光热项目定日镜角度测量研究

海西50MW塔式光热项目定日镜角度测量
研究
摘要：塔式光热电站中定日镜的精确运行，是整个电站可靠稳定运行的基础；定日镜角度的准确测量值是其运行控制中的关键参数。

本文将以青海海西50MW
塔式光热项目设计为依托，对定日镜的运行角度测量进行了研究。

关键词：塔式光热；定日镜；角度测量；编码器；倾角仪；
1概述
塔式光热电站，通过镜场定日镜聚集太阳光，每一面定日镜都可以自动调整
角度，它们将不同时刻的太阳光始终反射到镜场中间的集热塔顶，塔内的熔盐因
为吸热而升温，然后再用水冷却熔盐，就能够产生大量蒸汽从而推动汽轮机产生
电力。

其中，定日镜设计大小不一，从亮源公司15m2的小定日镜到SENER公司178m2的大定日镜都可见于塔式光热电站中，定日镜的驱动方式，通常小定日镜
采用伺服电机驱动，其水平角/俯仰角度与伺服电机旋转圈数直接相关；大定日
镜因面积大、整体构架重，通常采用液压驱动装置，其水平角/俯仰角度的需要
单独的仪表设备进行测量。

青海海西50MW塔式光热项目镜场定日镜采用西班牙ABENGOA设计方案，单
体定日镜面积为139㎡，其水平角测量采用编码器，定日镜的俯仰角测量采用倾
角仪。

2、编码器
2.1 编码器的原理
以光电式编码器为例，光电编码器是一种常规的角位移传感器，其结构通常
是在一个圆盘上开有若干的条形狭缝，然后在圆盘的一侧设置发光器件，另外一
侧设置光敏器件，当光电盘旋转时，在光敏器件上就可以得到与旋转角度相对应
的脉冲信号。

光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘由塑料或者玻璃制作
而成，光栅盘上面间隔排列着一系列透光和不透光的线或者槽，在伺服系统中，
光栅盘与电动机同轴使得电动机的旋转带动光栅盘的同步旋转，发光体光路被码
盘上间隔排列的线或者槽遮断，再经光电检测装置转换后输出两路典型的方波 A 和 B 正交脉冲，根据该信号的每秒脉冲数即可计算出当前电动机的转速。

光电
编码器的码盘输出两个相位差相差90°的光码，根据双通道输出光码的状态的改变，即可判断出电动机的旋转方向。

1）增量型编码器
增量型编码器的光栅盘周围开有两排电信号相位差90°的狭缝，当圆盘转动时，就可得到A\B两相脉冲，A\B两相脉冲的数量仅反映光栅盘转动的位移却不
能反映其绝对位置。

增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题。

2）绝对式编码器
绝对型编码器的主要工作原理为光电转换，但其输出的是数字量，在绝对型
编码器的光栅盘上存在有若干同心码道，每条码道由透光和不透光的扇形区间交
叉组成，码道数就是其所在码盘的二进制数码位数，码盘的两侧分别设置有光源
和光敏元件，光栅盘转动时会导致光敏元件受光情况发生变化从而输出二进制数
不同，因此，即可通过输出二进制数来判断码盘位置。

绝对值编码器码值跟被测位置对应是唯一的，具有“断电记忆”功能，没有
旋转测量积累误差。

2.1.1另外一类编码器是磁性编码器，磁性编码器的结构与光学编码器相似，但它利用的是磁场而不是光束，磁性编码器使用磁性码盘代替带槽的光电码盘，
磁性码盘上带有间隔排列的磁极，并在一列霍尔效应传感器或者磁阻传感器上旋
转。

码盘的任何转动都会能够使得这部分传感器产生实时响应，由此产生的信号
将传输到信号调理前端的电路以确定轴的具体位置。

相较于光学编码器，磁性编码器的优势在于更加耐用、抗振和抗冲击。

而且，在遇到灰尘、污垢和油渍等污染物的情况下，光学编码器的性能将会大受影响，
磁性编码器却更加抗扰，因此适合在恶劣环境中应用。

磁性编码器的分辨率和精度相对都比较低，在这方面远不及光学型编码器。

2.2 编码器的工程应用
青海海西50MW塔式光热项目镜场定日镜水平角的测量，根据定日镜的实际
结构形式，设计采用16位绝对式光电编码器，其通过联轴器与定日镜机械旋转
中心轴连接。

编码器具有IP67 的防护等级及能适应 -40°C 到+80°C 宽广的
温度范围，适应光热电厂的户外运行环境；采用含有 M12 插头的型号，可以实
现快速、简单、无误差的连接，利于现场的安装、测试及检修维护工作；通讯
协议采用MODBUS RTU。

3、倾角仪
3.1倾角仪的原理
倾角仪也称为倾角传感器，主要用于水平角、倾斜角度的检测，其理论基础
是牛顿第二定律：根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，
但可测量其加速度。

如果其初速度已知，即可通过积分计算出线速度，进而得出
直线位移。

当倾角传感器静止时，也就是侧面和垂直方向无加速度作用，那么作
用在它上面的仅有重力加速度。

重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角即
为倾斜角。

随着微机电系统（MEMS）制造技术的飞速进步，MEMS传感器因其性能优异，
性价比高的特性，开始大量进入市场，倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数
转换电路，通讯单元全都集成在一块很小的线路板上面, 可以直接输出角度等倾
斜数据。

通过MEMS（微电子机械系统）技术制造的倾角仪，其明显的优势是测量
非常精确。

3.2 倾角仪的工程应用
青海海西50MW塔式光热项目镜场定日镜俯仰角的测量，根据定日镜的实际
结构形式，设计采用倾角仪，其安装于定日镜钢结构支撑侧面，随支撑面的转动，实时测量镜面倾斜角度。

因为倾角仪结构尺寸、材料性质及检测电路中电子器件均会受温度影响，温
漂的产生直接影响到倾角仪的测量精度，而海西50MW塔式光热项目处于格尔木
市东约17公里，环境较为恶劣，尤其是冬季低温持续时间长，最冷月平均气温-10.1℃，极端低温达到-33.6℃，常规倾角仪无法在冬季低温环境下进行测量工作。

基于电厂工况的实际情况，我们会同协作方提出了在原有产品基础上增加加
热的方案，使传感器在低温区时，对传感器进行加热，使传感器工作温度不会低
于0°，从而保障了传感器在低温区的精度，实现传感器的低温漂。

通过技术研发，协作方生产出第一批次样机，其中，2套样机产品发送到西
班牙ABENGOA定日镜实验平台进行综合运行测试；委托浙江省计量院对样机产品
进行精度计量，计量角度量程从-10°-100°，温度区间从-35℃-70℃，检测方式：温度升至70°，检测角度从100°到-10°，以检测角度每5°为单位，检测
传感器的角度误差值。

然后再将温度至60°，检测角度从100°到-10°，以检
测角度每5°为单位，检测传感器的角度误差值。

依次类推，直至做完70℃，60℃，50℃，40℃，20℃，10℃，0℃，-10℃，-20℃，-35℃共十个温区下转感
器的实际角度误差值。

计量结果符合产品精度要求；委托江苏出入境检验检疫局
机电产品及车辆检测中心，对于样机产品进行了盐雾试验（依据标准ISO 9227）
和冷热循环测试（依据标准IEC 60068）,产品测试符合盐雾试验与冷热循环测试
标准与要求，符合项目长期间运行要求。

经过各项检验检测，符合设计要求后，
最终实现产品量产和工程应用。

3.3倾角传感器在光热行业的应用前景
倾角传感器在光热发电项目中整体占比重小，然而，传感器对光热发电项目
的意义不是仅凭需求量即可界定的。

高精度倾角仪，将角度传感器与机械装置配
合来实现对太阳的追踪，大大提高了跟踪效率，实现了角度自动纠正，有效解决积累的误差随着时间的变化会增大的问题。

随着国家碳达峰/碳中和战略规划的推进执行，作为清洁能源的重要组成部分，后续塔式光热项目将会陆续增加，尤其是我国西部光热资源丰富的区域，本文相关内容为后续塔式光热项目的执行起到的借鉴作用。