塔式太阳能定日镜控制系统综述_王孝红
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制模式 , 这样由子镜组成光学矩阵镜面的控制可以由 几何级数减少为代数级数 , 采用镜面自旋 , 同时调整 镜面仰角的方式实现定日镜朝向的改变[ 24] 。 1.4 定日镜控制方式及存在问题
为使定日 镜在 不同硬 件 误差 、突 发天 气状 况 (如多云 、大风 )下稳定工作 , 需选 取一种合理的镜 面控制方式使定日镜实现将不同时刻的太阳直射辐
定日镜投资占总投资的 51%, 是制约塔式太阳 能发展的原因之一 , 定日镜的机械误差给系统控制 带来不便 , 误差来源有 :立柱倾斜 、重力变形 、定日镜 面中心与旋转中心偏离以及初始位置误差等 , 各种 误差导致太阳位置变为相对的非线性变化 ;外界环 境因素 , 如大风使定日镜承受过大应力 , 导致跟踪精 度降低 , 这 些因素 都应考 虑在 定日 镜的 控制方 式 中[ 22] 。 1.3 定日镜运转方式
然而 , 太阳能能流密度低[ 12] , 定日镜要达到理 想聚光比需要采 用双轴跟踪 , 控制系统复 杂 、代价 高 , 国内技术处于探索阶段 , 制约着塔式发电的商业 化进程 ;发电效率随定日镜反射率和集热塔高度的 增加而提升 , 要实现大规模并网发电 , 需投入大量费 用 ;系统流程复杂 , 热损大 [ 13] 。 1.2 定日镜技术及存在问题
(济南大学 控制科学与工程学院 , 山东 济南 250022)
摘 要 :概述塔式太阳能发电系统中定日镜硬件设计及控制方式研究 现状 。 通过 对镜场控制 系统分析 , 论述定 日镜场控
制方案优缺点 , 指出现有定日镜控制中 , 最大难点在于通过何种方式使定日镜实 现对太阳 实时 、有 效跟踪 , 诸如镜场 中定日镜
第 24 卷第 3期 2010年 7月
济南大学学报 (自然科学版 ) JOURNALOFUNIVERSITYOFJINAN(Sci.＆ Tech.)
文章编号 :1671 -3559(2010)03 -0302-06
塔式太阳能定日镜控制系统综述
Vol.24 No.3 Jul.2010
王孝红 , 刘化果
1 研究背景和发展状况
1.1 塔式太阳能 塔式太阳能系统原理是利用独立跟踪太阳的定
日镜群 , 将阳光聚集到 1个固定在塔顶部的接收器 上 , 用以产生高温 , 加热工质产生过热蒸汽或高温气 体 , 驱动发电机发电 , 从而将太阳能转换为电能 。 塔 式太阳能系统分为聚光 、集热 、蓄热 、辅助能源和发 电 5个子系统 , 能量传递的过程中存在太阳能 ※热
ຫໍສະໝຸດ Baidu
ControlSystem ofHeliostatinCenterSolarReceiver
WANG Xiao-hong, LIUHua-guo
(SchoolofControlScienceandEngineering, UniversityofJinan, Jinan250022, China)
Abstract:Thispaperisasurveyofrecentresearchesonthehardwaredesignofheliostatincentersolarreceiverandmodesofcontrol.Itispointedoutthatthemostdifficultincontrollingheliostatliesinbywhichwaytorealizetherealtimeandefficienttrackofthe sun, includinghowtodesignthearrangementofheliostatfield, theworkingmodeindifferentweathercondition, andsoon.Inaddition, somecharacteristicsaboutthecontrolstrategiesofcontrollingwayareraised.Atlasttheoverallsolutionisintroduced.
太阳光线能流密度低 、辐射具有间歇性 , 需采用 跟踪 、聚焦方式实现对太阳的实时跟踪 , 使太阳能聚 集并在集热器上形成聚焦光斑 , 继而产生热能 。塔 式太阳能发电技术中 , 定日镜的功能在于跟踪太阳 , 反射聚焦太阳光到集热器 , 是能量传递的关键部件 , 系统效率是定日镜效率 、动力系统效率和发电效率 的乘积 , 定日镜效率取决于对太阳的跟踪精度 , 聚光 跟踪精度上升 , 则成像光斑面积就会减小 , 光线能流 密度上升 , 在达 到期 望温度 的同 时还 可减少 热损 失 。 [ 14 -17]
太阳能辐射到地球表面的能量密度较低 , 定日 镜的运转方式能否与太阳运动同步 , 决定塔式发电 系统能否经济高效利用太阳能 [ 23] 。目前 , 定日镜运 转方式有两种 :第一种 , 通用太阳高度角和方位角确 定太阳位置 , 可通过二维控制方式使定日镜旋转 , 改 变其朝向 , 以及实时跟踪太阳位置 , 依据旋转方式绕 固定轴的不同 , 分为绕竖直轴和水平轴旋转两种方 式 , 即方位角 -仰角跟踪方式 , 定日镜运行时采用转 动基座或基座上部转动机构调整定日镜方位变化 , 同 时调整镜面仰角的方式 ;第二种 , 自旋 -仰角跟踪方 式 (国际上现称为 “陈的曲面 ”和 “陈的跟踪方法 ”), 是利用行与列的运动来代替点的二维运动的数学控
定日镜 , 具有高聚 光比 、全天 跟踪光斑变化 小等优 点 ;张耀明院士及其团队自行开发的 “玻璃 -金属 框架 ”结构 的定日镜 , 创造性解决 定日镜技术方案 不尽合理的难题 ;中科院电工所研制出有 13个连接 点 、4 mm厚的微弧球面反射镜 , 提高了定日镜的性 价比 ;韩国三星公司在钢化玻璃反射镜制造方面具 有世界领先技术优势 , 钢化玻璃反射镜的平均反射 率大于 93%[ 21] 。
第 3期
王孝红 , 等 :塔式太阳能定日镜控制系统综述
303
能 ※机械能 ※电能的转换 。 塔式系统具有规模大 、 热传递路程短 、热损耗少 、聚光比大等特点 , 能量集 中过程中靠定日镜反射太阳光线一次完成 , 且受热 器散热面积相对较小 , 光热转换效率较高 。 综合治 理环境污染的代价 , 与常规化石能源发电相比 , 太阳 能发电前景更加广阔 。美国能源部研究表明 , 在大 规模发电方面 , 塔式太阳能热发电将是所有太阳能 发电技术中成本最低的一种方式[ 6 -8] 。
收稿日期 :2009 -09 -01 基金项目 :山东省信息产业发展专项基金(2007R00056) 作者简介 :王孝红 (1963 -), 男 , 山东德州人 , 教授 , 博士 , 硕 士生
导师 。
通过聚光实现太阳能发电 , 光 -热转换率大 , 可 产生足够高工质温度 , 应用前景十分广阔 。 目前太 阳能聚光类 发电中 , 塔式 发电 系统 理论 聚光比 达 200 ～ 1 000, 熔融盐吸热温度达 565 ℃, 更可能取代 常规能源 、实现大功率发电[ 4 -5] 。 然而 , 塔式系统定 日镜控制方案不一 , 探讨一种合理有效的控制思路 对塔式太阳能系统的发展很有必要 。
聚光子系统由定日镜群和跟踪装置组成 , 定日 镜是由反射镜 、支撑结构及传动机构组成的二维运 动聚光装置 , 分别对应太阳的方位角和高度角 。定 日镜运行及能量反射需可靠 、稳定和高效才能保证
整个发电系统安全运作 , 选材轻 、机械强度高才能克 服因太阳运动而产生的误差 ;根据反射率的要求 , 镜 面需具有一定弧度 , 目前有张力金属膜反射镜和玻 璃反射镜两种镜面 。国外定日镜反射面多为微弧面 热弯成型玻璃银镜 , 结构简单 、抗倾覆性好 , 缺点是 单立柱支撑使跟踪误差较大 ;随时间推移 , 镜架机械 变形影响聚光效果 [ 18 -20] 。中国科学院长春光学精 密机械与物理研究所研发出一种极轴式跟踪轮胎面
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济 南 大 学 学 报 (自然科学版 )
第 24卷
射全部反射到集热器 。若使用太阳跟踪系统 , 使太 阳光始终垂直照射在接收面 , 则接收到的太阳辐射 将大大增加 。研究表明 , 对于完全相同的平板 , 与太 阳辐射方向垂直的表面和朝南铅直 方向的固定表 面 ,一天中两者接收到的太阳辐射的比值大约是 3∶1, 可见应用太阳自动跟踪系统可以有效提高太阳 能的利用率 [ 25] 。国内外常用的定日镜跟踪方式有 传感器控制 、程序 (或时钟 )控制以及程序传感器混 合控制 3种方式 。
目前 , 利用传感器实现太阳能自动跟踪的控制 方式有差压式 、比较控制式 、立柱转动式 、陀螺仪式 、 齿轮转动式 、五点法自动跟踪和五象限法自动跟踪 7种方式 [ 26 -30] , 美国研制的步进电机电脑程控跟日 机和日本研制的阴影 -传感器是当今世界自动跟日 技术的最高成果[ 31] 。 传感器控制原理如图 1所示 , 使用一个传感器来测定入射太阳光线和系统光轴间 的偏差 , 当偏差超过一个值时 , 通过电机驱动机械部 分转动 , 减少偏差 , 直到使太阳光线与系统光轴重新 平行 , 优点是只要投射到传感器的太阳光线正常 , 就 能实时测出入射太阳辐射的方向 , 常用的传感器有 光电池 、光敏电阻 、光电管和双金属条等 ;时钟跟踪 方式原理如图 2所示 , 太阳运动的时角是自东向西 匀速变化的 , 相当于时钟 , 跟踪时以一个预定的转速 旋转跟踪 , 这种跟踪方式可以看作是对太阳运动的 时角进行跟踪 , 优点是如果太阳在同一轨道长时间 运行 , 系统运算简便 ;程序控制方式如图 3, 这种跟 踪方式采用与计算机相结合的方法 , 首先用一套公 式通过计算机算出给定时间的太阳位置 , 再计算出 跟踪装置被要求的位置 , 最后通过电机转动装置达 到要求的位置 , 实现对太阳高度角和方位角的跟踪 , 优点是是按计算的太阳运动规律来计算聚光镜的位 置 , 实时性好 , 受太阳运动周期的影响较小 [ 32 -35] 。
以何种方式排列 、不同天气情况下如何控制定日镜等 ;提出以可编程控制器 (ProgrammableLogicController, PLC)为主体的定日
镜控制整体思路 , 并对未来塔式太阳能定日镜控制系统研究发展做出展望 。
关键词 :定日镜 ;塔式发电 系统 ;太阳能热发电
中图分类号 :TM615
文献标志 码 :A
塔式太阳能研究始于 20世纪 70年代 , 1981年 法国 、德国和意大利建造了额定功率为 1MW的第 一座塔式太阳能电站 。随后美国 、德国 、瑞士及日本 等 9个国家均相继建造了塔式电站 , 至今已建成此 类电站 14座 , 其中最为著名的是美国 SolarOne、SolarTwo。我国太阳能热发电技术起步较晚 , 为缓解 能源问题和环境压力 , 中国科学院 、上海交通大学和 中国科学技术大学等多家科研机构加强了这方面的 技术研究[ 9 -10] 。 20世纪 70年代中期 , 天津建造了 一套功率 1 kW的塔式太阳能热发电模拟装置 ;2005 年南京建成额定功率为 70 kW国内第一座塔式太阳 能电站 , 标志着我国在塔式太阳能领域已取得初步 成果 [ 11] ;2008 年开始筹划在在北京延庆建设功率 为 1 MW塔式太阳能电站 , 2009年 8月已开始部分 项目的竞标 , 将陆续进入施工阶段 。
Keywords:heliostat;solarpowertowersystem;solarthermalpowergeneration
当前经济和社会发展同能源短缺之间的矛盾日 益突出 , 人类将面临资源和环境的双重压力 , 如何实 现可持续发展是急需解决的主要矛盾之一 。以煤炭 为主的能源结构造成环境污染和温室效应 , 从战略 角度出发 , 调整能源结构 、依靠科技进步 , 利用太阳 能 、风能等可再生资源是一个有效途径 。 与风能 、生 物能相比 , 太阳能具有储量无限 、存在普遍 、利用清 洁及开发经济的优势 。中科院院士何祚庥在北京科 协举行人类发 展研讨会上说 :“大力开发太阳能资 源 , 是解决人类能源危机的重要举措 ”, 大规模发展 太阳能市场可降低发电成本 , 有利于实现能源与环 境的和谐发展[ 1 -3] 。
为使定日 镜在 不同硬 件 误差 、突 发天 气状 况 (如多云 、大风 )下稳定工作 , 需选 取一种合理的镜 面控制方式使定日镜实现将不同时刻的太阳直射辐
定日镜投资占总投资的 51%, 是制约塔式太阳 能发展的原因之一 , 定日镜的机械误差给系统控制 带来不便 , 误差来源有 :立柱倾斜 、重力变形 、定日镜 面中心与旋转中心偏离以及初始位置误差等 , 各种 误差导致太阳位置变为相对的非线性变化 ;外界环 境因素 , 如大风使定日镜承受过大应力 , 导致跟踪精 度降低 , 这 些因素 都应考 虑在 定日 镜的 控制方 式 中[ 22] 。 1.3 定日镜运转方式
然而 , 太阳能能流密度低[ 12] , 定日镜要达到理 想聚光比需要采 用双轴跟踪 , 控制系统复 杂 、代价 高 , 国内技术处于探索阶段 , 制约着塔式发电的商业 化进程 ;发电效率随定日镜反射率和集热塔高度的 增加而提升 , 要实现大规模并网发电 , 需投入大量费 用 ;系统流程复杂 , 热损大 [ 13] 。 1.2 定日镜技术及存在问题
(济南大学 控制科学与工程学院 , 山东 济南 250022)
摘 要 :概述塔式太阳能发电系统中定日镜硬件设计及控制方式研究 现状 。 通过 对镜场控制 系统分析 , 论述定 日镜场控
制方案优缺点 , 指出现有定日镜控制中 , 最大难点在于通过何种方式使定日镜实 现对太阳 实时 、有 效跟踪 , 诸如镜场 中定日镜
第 24 卷第 3期 2010年 7月
济南大学学报 (自然科学版 ) JOURNALOFUNIVERSITYOFJINAN(Sci.＆ Tech.)
文章编号 :1671 -3559(2010)03 -0302-06
塔式太阳能定日镜控制系统综述
Vol.24 No.3 Jul.2010
王孝红 , 刘化果
1 研究背景和发展状况
1.1 塔式太阳能 塔式太阳能系统原理是利用独立跟踪太阳的定
日镜群 , 将阳光聚集到 1个固定在塔顶部的接收器 上 , 用以产生高温 , 加热工质产生过热蒸汽或高温气 体 , 驱动发电机发电 , 从而将太阳能转换为电能 。 塔 式太阳能系统分为聚光 、集热 、蓄热 、辅助能源和发 电 5个子系统 , 能量传递的过程中存在太阳能 ※热
ຫໍສະໝຸດ Baidu
ControlSystem ofHeliostatinCenterSolarReceiver
WANG Xiao-hong, LIUHua-guo
(SchoolofControlScienceandEngineering, UniversityofJinan, Jinan250022, China)
Abstract:Thispaperisasurveyofrecentresearchesonthehardwaredesignofheliostatincentersolarreceiverandmodesofcontrol.Itispointedoutthatthemostdifficultincontrollingheliostatliesinbywhichwaytorealizetherealtimeandefficienttrackofthe sun, includinghowtodesignthearrangementofheliostatfield, theworkingmodeindifferentweathercondition, andsoon.Inaddition, somecharacteristicsaboutthecontrolstrategiesofcontrollingwayareraised.Atlasttheoverallsolutionisintroduced.
太阳光线能流密度低 、辐射具有间歇性 , 需采用 跟踪 、聚焦方式实现对太阳的实时跟踪 , 使太阳能聚 集并在集热器上形成聚焦光斑 , 继而产生热能 。塔 式太阳能发电技术中 , 定日镜的功能在于跟踪太阳 , 反射聚焦太阳光到集热器 , 是能量传递的关键部件 , 系统效率是定日镜效率 、动力系统效率和发电效率 的乘积 , 定日镜效率取决于对太阳的跟踪精度 , 聚光 跟踪精度上升 , 则成像光斑面积就会减小 , 光线能流 密度上升 , 在达 到期 望温度 的同 时还 可减少 热损 失 。 [ 14 -17]
太阳能辐射到地球表面的能量密度较低 , 定日 镜的运转方式能否与太阳运动同步 , 决定塔式发电 系统能否经济高效利用太阳能 [ 23] 。目前 , 定日镜运 转方式有两种 :第一种 , 通用太阳高度角和方位角确 定太阳位置 , 可通过二维控制方式使定日镜旋转 , 改 变其朝向 , 以及实时跟踪太阳位置 , 依据旋转方式绕 固定轴的不同 , 分为绕竖直轴和水平轴旋转两种方 式 , 即方位角 -仰角跟踪方式 , 定日镜运行时采用转 动基座或基座上部转动机构调整定日镜方位变化 , 同 时调整镜面仰角的方式 ;第二种 , 自旋 -仰角跟踪方 式 (国际上现称为 “陈的曲面 ”和 “陈的跟踪方法 ”), 是利用行与列的运动来代替点的二维运动的数学控
定日镜 , 具有高聚 光比 、全天 跟踪光斑变化 小等优 点 ;张耀明院士及其团队自行开发的 “玻璃 -金属 框架 ”结构 的定日镜 , 创造性解决 定日镜技术方案 不尽合理的难题 ;中科院电工所研制出有 13个连接 点 、4 mm厚的微弧球面反射镜 , 提高了定日镜的性 价比 ;韩国三星公司在钢化玻璃反射镜制造方面具 有世界领先技术优势 , 钢化玻璃反射镜的平均反射 率大于 93%[ 21] 。
第 3期
王孝红 , 等 :塔式太阳能定日镜控制系统综述
303
能 ※机械能 ※电能的转换 。 塔式系统具有规模大 、 热传递路程短 、热损耗少 、聚光比大等特点 , 能量集 中过程中靠定日镜反射太阳光线一次完成 , 且受热 器散热面积相对较小 , 光热转换效率较高 。 综合治 理环境污染的代价 , 与常规化石能源发电相比 , 太阳 能发电前景更加广阔 。美国能源部研究表明 , 在大 规模发电方面 , 塔式太阳能热发电将是所有太阳能 发电技术中成本最低的一种方式[ 6 -8] 。
收稿日期 :2009 -09 -01 基金项目 :山东省信息产业发展专项基金(2007R00056) 作者简介 :王孝红 (1963 -), 男 , 山东德州人 , 教授 , 博士 , 硕 士生
导师 。
通过聚光实现太阳能发电 , 光 -热转换率大 , 可 产生足够高工质温度 , 应用前景十分广阔 。 目前太 阳能聚光类 发电中 , 塔式 发电 系统 理论 聚光比 达 200 ～ 1 000, 熔融盐吸热温度达 565 ℃, 更可能取代 常规能源 、实现大功率发电[ 4 -5] 。 然而 , 塔式系统定 日镜控制方案不一 , 探讨一种合理有效的控制思路 对塔式太阳能系统的发展很有必要 。
聚光子系统由定日镜群和跟踪装置组成 , 定日 镜是由反射镜 、支撑结构及传动机构组成的二维运 动聚光装置 , 分别对应太阳的方位角和高度角 。定 日镜运行及能量反射需可靠 、稳定和高效才能保证
整个发电系统安全运作 , 选材轻 、机械强度高才能克 服因太阳运动而产生的误差 ;根据反射率的要求 , 镜 面需具有一定弧度 , 目前有张力金属膜反射镜和玻 璃反射镜两种镜面 。国外定日镜反射面多为微弧面 热弯成型玻璃银镜 , 结构简单 、抗倾覆性好 , 缺点是 单立柱支撑使跟踪误差较大 ;随时间推移 , 镜架机械 变形影响聚光效果 [ 18 -20] 。中国科学院长春光学精 密机械与物理研究所研发出一种极轴式跟踪轮胎面
304
济 南 大 学 学 报 (自然科学版 )
第 24卷
射全部反射到集热器 。若使用太阳跟踪系统 , 使太 阳光始终垂直照射在接收面 , 则接收到的太阳辐射 将大大增加 。研究表明 , 对于完全相同的平板 , 与太 阳辐射方向垂直的表面和朝南铅直 方向的固定表 面 ,一天中两者接收到的太阳辐射的比值大约是 3∶1, 可见应用太阳自动跟踪系统可以有效提高太阳 能的利用率 [ 25] 。国内外常用的定日镜跟踪方式有 传感器控制 、程序 (或时钟 )控制以及程序传感器混 合控制 3种方式 。
目前 , 利用传感器实现太阳能自动跟踪的控制 方式有差压式 、比较控制式 、立柱转动式 、陀螺仪式 、 齿轮转动式 、五点法自动跟踪和五象限法自动跟踪 7种方式 [ 26 -30] , 美国研制的步进电机电脑程控跟日 机和日本研制的阴影 -传感器是当今世界自动跟日 技术的最高成果[ 31] 。 传感器控制原理如图 1所示 , 使用一个传感器来测定入射太阳光线和系统光轴间 的偏差 , 当偏差超过一个值时 , 通过电机驱动机械部 分转动 , 减少偏差 , 直到使太阳光线与系统光轴重新 平行 , 优点是只要投射到传感器的太阳光线正常 , 就 能实时测出入射太阳辐射的方向 , 常用的传感器有 光电池 、光敏电阻 、光电管和双金属条等 ;时钟跟踪 方式原理如图 2所示 , 太阳运动的时角是自东向西 匀速变化的 , 相当于时钟 , 跟踪时以一个预定的转速 旋转跟踪 , 这种跟踪方式可以看作是对太阳运动的 时角进行跟踪 , 优点是如果太阳在同一轨道长时间 运行 , 系统运算简便 ;程序控制方式如图 3, 这种跟 踪方式采用与计算机相结合的方法 , 首先用一套公 式通过计算机算出给定时间的太阳位置 , 再计算出 跟踪装置被要求的位置 , 最后通过电机转动装置达 到要求的位置 , 实现对太阳高度角和方位角的跟踪 , 优点是是按计算的太阳运动规律来计算聚光镜的位 置 , 实时性好 , 受太阳运动周期的影响较小 [ 32 -35] 。
以何种方式排列 、不同天气情况下如何控制定日镜等 ;提出以可编程控制器 (ProgrammableLogicController, PLC)为主体的定日
镜控制整体思路 , 并对未来塔式太阳能定日镜控制系统研究发展做出展望 。
关键词 :定日镜 ;塔式发电 系统 ;太阳能热发电
中图分类号 :TM615
文献标志 码 :A
塔式太阳能研究始于 20世纪 70年代 , 1981年 法国 、德国和意大利建造了额定功率为 1MW的第 一座塔式太阳能电站 。随后美国 、德国 、瑞士及日本 等 9个国家均相继建造了塔式电站 , 至今已建成此 类电站 14座 , 其中最为著名的是美国 SolarOne、SolarTwo。我国太阳能热发电技术起步较晚 , 为缓解 能源问题和环境压力 , 中国科学院 、上海交通大学和 中国科学技术大学等多家科研机构加强了这方面的 技术研究[ 9 -10] 。 20世纪 70年代中期 , 天津建造了 一套功率 1 kW的塔式太阳能热发电模拟装置 ;2005 年南京建成额定功率为 70 kW国内第一座塔式太阳 能电站 , 标志着我国在塔式太阳能领域已取得初步 成果 [ 11] ;2008 年开始筹划在在北京延庆建设功率 为 1 MW塔式太阳能电站 , 2009年 8月已开始部分 项目的竞标 , 将陆续进入施工阶段 。
Keywords:heliostat;solarpowertowersystem;solarthermalpowergeneration
当前经济和社会发展同能源短缺之间的矛盾日 益突出 , 人类将面临资源和环境的双重压力 , 如何实 现可持续发展是急需解决的主要矛盾之一 。以煤炭 为主的能源结构造成环境污染和温室效应 , 从战略 角度出发 , 调整能源结构 、依靠科技进步 , 利用太阳 能 、风能等可再生资源是一个有效途径 。 与风能 、生 物能相比 , 太阳能具有储量无限 、存在普遍 、利用清 洁及开发经济的优势 。中科院院士何祚庥在北京科 协举行人类发 展研讨会上说 :“大力开发太阳能资 源 , 是解决人类能源危机的重要举措 ”, 大规模发展 太阳能市场可降低发电成本 , 有利于实现能源与环 境的和谐发展[ 1 -3] 。