摘要：

　　隨著全球能源危機(jī)的加劇，節(jié)能減排成為了發(fā)展的主流。針對(duì)能源短缺問(wèn)題，從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，以節(jié)能為目的，本文提出了新型的三臂式聚光跟蹤系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)由四象限光電傳感器檢測(cè)入射光，通過(guò)控制模塊處理，自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)角裝置中的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得光角并傳給反光裝置，調(diào)節(jié)反光裝置使反射光始終聚焦在接收器上，適用于塔式太陽(yáng)能聚光發(fā)電的場(chǎng)合。

　　作品內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　塔式太陽(yáng)能聚光發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但因聚光效率低，控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高等問(wèn)題至今仍未商業(yè)化。為提高聚光精度，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了三臂式機(jī)械機(jī)構(gòu)，采用測(cè)角裝置與反光裝置雙跟蹤系統(tǒng)，大大地提高了聚光發(fā)電的性價(jià)比，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

　　我們通過(guò)測(cè)角裝置與太陽(yáng)光垂直得到太陽(yáng)光位置，并傳給各反光裝置。反光裝置根據(jù)相應(yīng)算法做出調(diào)整，使所有的反射光聚焦在接收塔，提高太陽(yáng)光利用率。

　　創(chuàng)新點(diǎn)：

　　創(chuàng)新的三臂滑道式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便和調(diào)整精度高，降低成本和系統(tǒng)功耗。

　　將測(cè)角裝置和反光裝置分離出來(lái)，低成本高效率的得到太陽(yáng)光的位置信號(hào)并精確的將反射光聚焦在一點(diǎn)。

　　跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將太陽(yáng)光始終聚焦在接受塔處，不受太陽(yáng)方位變化的影響，大大提高了太陽(yáng)能的利用率。

　　本系統(tǒng)各模塊部件可單獨(dú)更換，便于維修維護(hù);根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)相應(yīng)模塊做調(diào)整，擴(kuò)大系統(tǒng)裝置的應(yīng)用范圍，如各種跟蹤系統(tǒng)，趨光系統(tǒng)，導(dǎo)光系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

　　本系統(tǒng)的模型及功能已完成，后續(xù)工作是系統(tǒng)的測(cè)試及優(yōu)化。我們堅(jiān)信本系統(tǒng)在新能源利用，節(jié)能減排方面發(fā)揮了巨大作用，創(chuàng)造高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

　　1項(xiàng)目背景及意義

　　太陽(yáng)能取之不盡用之不竭，而且不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，與其他形式的可再生能源相比如風(fēng)能，太陽(yáng)能是來(lái)源最為豐富且最穩(wěn)定的能源。據(jù)海外媒體報(bào)道，一份由多國(guó)研究人員聯(lián)合撰寫的報(bào)告指出，聚光太陽(yáng)能發(fā)電繼風(fēng)能、光電池之后，已經(jīng)開始嶄露頭角，有望成為解決能源匱乏、應(yīng)對(duì)氣候變暖的有效技術(shù)手段。采用聚光太陽(yáng)能發(fā)電(CSP)技術(shù)，2050年，沙漠中的太陽(yáng)能發(fā)電站將可以滿足全球能源需求的25%，對(duì)CSP的投資有可能高達(dá)1740億歐元，太陽(yáng)能發(fā)電站的產(chǎn)能可達(dá)1.5萬(wàn)億瓦，占全球電能需求的四分之一。同時(shí)還能創(chuàng)造200萬(wàn)個(gè)工作機(jī)會(huì)，每年減少21億噸二氧化碳排放?？茖W(xué)家認(rèn)為，位于“陽(yáng)光充足地帶”的國(guó)家將從CSP技術(shù)中獲益，包括美國(guó)南部的沙漠地區(qū)、非洲北部、墨西哥、中國(guó)和印度等。

　　塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由日光反射鏡子系統(tǒng)、接收器組成成，如圖1-1所示。其中日光反射鏡子系統(tǒng)由大量大型、平坦的太陽(yáng)跟蹤反射鏡構(gòu)成，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，把太陽(yáng)光聚焦到塔頂?shù)慕邮掌鳌Ｔ诮邮掌髦袑?duì)傳熱流體進(jìn)行加熱，產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽，過(guò)熱蒸汽推動(dòng)常規(guī)渦輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。塔式CSP電站的主要優(yōu)勢(shì)在于它的工作溫度較高(800~1000℃)，使其年度發(fā)電效率可以達(dá)到17%~20%，并且由于管路循環(huán)系統(tǒng)較槽式系統(tǒng)簡(jiǎn)單得多，提高效率和降低成本的潛力都比較大;塔式CSP電站采用濕冷卻的用水量也略少于槽式系統(tǒng)，若需要采用干式冷卻，其對(duì)性能和運(yùn)行成本的影響也較低。塔式CSP的缺點(diǎn)也是明顯的：為了將陽(yáng)光準(zhǔn)確匯聚到集熱塔頂?shù)慕邮掌魃?，?duì)每一塊定日鏡的雙軸跟蹤系統(tǒng)都要進(jìn)行單獨(dú)控制，而槽式系統(tǒng)的單軸追蹤系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上和控制上都要簡(jiǎn)單得多;由于缺乏大型商用案例(占在運(yùn)CSP裝機(jī)容量的5.1%)，相對(duì)槽式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，塔式CSP電站的成本、性能、可靠性都還存在一定的不確定性;為發(fā)揮其效率潛力而需使用的融鹽介質(zhì)也尚存一些技術(shù)問(wèn)題值得顧慮。

　　為了解決現(xiàn)有塔式CSP存在的問(wèn)題，我們提出了應(yīng)用于聚光太陽(yáng)能發(fā)電的三臂式光跟蹤系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅有效的解決了跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題，還降低了跟蹤系統(tǒng)的成本，提高了跟蹤系統(tǒng)的性能與可靠性，對(duì)塔式CSP的發(fā)展有大大的推動(dòng)作用。

　　2項(xiàng)目方案

　　2.1系統(tǒng)概述

　　本作品應(yīng)用于塔式CSP電站，解決CSP發(fā)電中的聚光控制難題。在本系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)中，我們采用四象限光探測(cè)器檢測(cè)太陽(yáng)光，將其采集到的四路模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送到MCU中，若探測(cè)器的四個(gè)象限輸出的電壓值相等，說(shuō)明太陽(yáng)光與測(cè)角裝置垂直;否則，說(shuō)明太陽(yáng)光與測(cè)角裝置沒(méi)有垂直，MCU發(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)三臂裝置使之與太陽(yáng)光保持垂直。通過(guò)電動(dòng)推桿升降的時(shí)間以及三軸加速度計(jì)的檢測(cè)可以算出三根推桿的高度，從而得到太陽(yáng)光的角度。測(cè)角裝置的MCU通過(guò)CAN總線把太陽(yáng)光角信號(hào)傳給反光裝置，反光裝置的MCU調(diào)節(jié)三臂裝置使其反射光始終聚焦在接受塔上，完成聚光的功能。此外，通過(guò)觸摸按鍵，我們對(duì)LCD進(jìn)行控制，使LCD能顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)時(shí)太陽(yáng)光的角度以及太陽(yáng)光強(qiáng)度。測(cè)角裝置上的EEPROM將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，并將這些數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，在上位機(jī)上可繪制出當(dāng)天或近幾天太陽(yáng)光角與太陽(yáng)光強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線。此外，系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境中的光強(qiáng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作模式，當(dāng)光強(qiáng)太弱，發(fā)電量比耗電量還大時(shí)，系統(tǒng)便進(jìn)入休眠狀態(tài)，以減小系統(tǒng)的功耗。整個(gè)系統(tǒng)中，硬件電路是系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，軟件是系統(tǒng)的核心，機(jī)械結(jié)構(gòu)則是系統(tǒng)功能的執(zhí)行者。根據(jù)這些要求，我們項(xiàng)目主要研究的內(nèi)容有：

　　三臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)研究

　　太陽(yáng)光測(cè)角算法研究

　　反光跟蹤算法研究

　　系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

　　2.1.1測(cè)角模塊

　　本系統(tǒng)測(cè)角模塊的原理如下圖2-1所示。四象限光源探測(cè)器的四路輸出將信號(hào)直接傳給PSoC的AD，使模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后交給MCU處理，MCU將信號(hào)濾波，根據(jù)算法，生成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)節(jié)指令，轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿的高度，使端面與太陽(yáng)光垂直。根據(jù)推桿的升降時(shí)間以及三軸加速度計(jì)測(cè)得推桿的高度，從而得到太陽(yáng)光光矢信息。通過(guò)CAN電路將光矢信息傳給反光裝置。系統(tǒng)設(shè)置了睡眠模式和工作模式兩種模式，在光強(qiáng)弱的情況下就進(jìn)入睡眠模式以減小系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)采用觸摸按鍵進(jìn)行人工調(diào)試，采用觸摸模塊可使系統(tǒng)穩(wěn)定性高，使用方便。通過(guò)LCD與LED來(lái)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)前太陽(yáng)光角度，太陽(yáng)光強(qiáng)度等信息。通過(guò)EEPROM存儲(chǔ)器將太陽(yáng)光角度，太陽(yáng)光強(qiáng)度等信息存儲(chǔ)起來(lái)，供系統(tǒng)分析，當(dāng)?shù)靥?yáng)光照度等情況分析用。

　　測(cè)角算法：

　　假設(shè)從四象限探測(cè)器輸出的電壓分別為 v1，v2，v3，v4。我們引入變量 x，y 分別表示在 x軸和y軸方向上的真實(shí)偏移，dx，dy分別表示在x軸和y軸方向上的偏大估計(jì)。如圖 2-2所示。

　　利用和差法，可得:

　　dx=(v1+v4-v2-v3)/(v1+v2+v3+v4)，

　　dy=(v1+v2-v3-v4)/(v1+v2+v3+v4)，

　　通過(guò)解四象限探測(cè)器光路數(shù)學(xué)模型得出x與dx、y與dy之間的關(guān)系式，為：

(1)

(2)

　　用MATLAB擬合可以得出x和y曲線特征值。將特征值儲(chǔ)存在PSOC的Flash Memory中，在目標(biāo)方位檢測(cè)電路給出待求點(diǎn)dx和dy的值后，將其作為自變量，帶入到已知特征值的曲線方程，得出的因變量x和y.。我們?yōu)槠屏縳，y分別設(shè)定一個(gè)閾值Mx，My。只有當(dāng)偏移量超過(guò)了相應(yīng)的閾值后才進(jìn)行調(diào)節(jié)。L1、L2、L3分別表示三根機(jī)械手臂。通過(guò)這種算法，我們可以保持坐標(biāo)原點(diǎn)O不動(dòng)。x和y可能的9中情況和對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)方式如表2-1所示

表格2‑1  調(diào)節(jié)方式對(duì)照表

　　2.1.2反光模塊：

　　本系統(tǒng)反光模塊的系統(tǒng)框圖如圖2-3所示。反光模塊通過(guò)CAN電路來(lái)接收太陽(yáng)光角信息，從而通過(guò)MCU下達(dá)的指令，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使鏡子始終把光能反射到接受塔上。系統(tǒng)采用三軸加速度傳感器檢測(cè)裝置的電動(dòng)推桿高度，以防止電動(dòng)推桿伸到底或伸到頭而損傷電機(jī);采用LED和LCD顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過(guò)觸摸按鍵人工調(diào)控;采用睡眠模式和工作模式兩種模式，來(lái)降低系統(tǒng)的功耗。

　　反光算法：

　　以接收塔為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系O-XYZ，以鏡場(chǎng)中任意一定日鏡裝置為原點(diǎn)建立另一空間直角坐標(biāo)系O’-X’Y’Z’，其中O-XYZ與O’-X’Y’Z’之間的關(guān)系如圖2-4(a)所示。

　　假設(shè)太陽(yáng)光從任意方向入射，利用上述太陽(yáng)跟蹤算法使得安裝了四象限探測(cè)器的三臂裝置所確定的平面垂直于太陽(yáng)光，此時(shí)得出三根電機(jī)推桿的高度H1，H2，H3，再由三根電機(jī)在坐標(biāo)系O-XYZ的擺放位置(如圖2-4(b)所示)，求出太陽(yáng)光入射方向矢量

，

　　將其歸一化之后得

，再通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

　　得到太陽(yáng)光入射方向矢量在坐標(biāo)O’-X’Y’Z’的表示

;

　　易知接收塔接收點(diǎn)在O’-X’Y’Z’坐標(biāo)為

，

　　其中h為定日鏡面心高度，為設(shè)定參數(shù)值，然后對(duì)t歸一化得{m,n,l}(其中n=0)。令

;

　　在坐標(biāo)系O’-X’Y’Z’中定日鏡平面方程為

　　分別代入三根電機(jī)的X’Y’面坐標(biāo)，即可求出三根電機(jī)的所需的絕對(duì)高度。

　　　3 系統(tǒng)性能分析

　　塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)主要由以下四個(gè)部分組成：定日鏡裝置，高溫接收器，蓄熱裝置和發(fā)電系統(tǒng)。定日鏡負(fù)責(zé)采集太陽(yáng)能，接收器負(fù)責(zé)將采集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組將熱能最終轉(zhuǎn)換為電能輸出。定日鏡(由平面鏡，鏡架和跟蹤機(jī)構(gòu)三部分組成)是系統(tǒng)最重要的兩個(gè)組件之一，占系統(tǒng)投資最大的部分，主要涉及定日鏡原理研究，平面鏡聚光質(zhì)量研究，跟蹤技術(shù)研究以及整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

　　現(xiàn)有的，以及在研究的塔式聚光系統(tǒng)的定日鏡都是將平面鏡裝在鏡架上，由其跟蹤裝置驅(qū)動(dòng)鏡面隨時(shí)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。而我們提出了將太陽(yáng)跟蹤裝置和鏡面反射裝置分開由兩個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)。太陽(yáng)跟蹤裝置(簡(jiǎn)稱測(cè)角裝置)和鏡面反射裝置(簡(jiǎn)稱反射裝置)的結(jié)構(gòu)完全一樣，都是我們?cè)O(shè)計(jì)的三臂式結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)在以下幾個(gè)最主要的問(wèn)題上全面創(chuàng)新，走出一條經(jīng)濟(jì)，實(shí)用的定日鏡技術(shù)發(fā)展路線。

　　跟蹤技術(shù)

　　現(xiàn)有的跟蹤技術(shù)大部分采用微型計(jì)算機(jī)控制，少部分采用光電傳感器式控制。由于跟蹤技術(shù)和反光技術(shù)在一個(gè)裝置上，所以無(wú)論是采用計(jì)算機(jī)程序還是其他跟蹤傳感器都是控制的入射光線，而對(duì)塔式系統(tǒng)而言，需要的是反射光線始終投射在塔頂?shù)慕邮掌魃?，盡量減小光斑溢出接收器口的機(jī)會(huì)。我們的系統(tǒng)中，將定日鏡裝置控制的是反射光線，控制更直接，精度更高，而且成本也大大降低。

　　不可變系統(tǒng)誤差

　　雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)的軸線與平面鏡中心交點(diǎn)不重合，導(dǎo)致裝置中心不能嚴(yán)格限定在一個(gè)固定的空間位置而是圍繞軸線做弧線運(yùn)動(dòng)，裝置本身有不可克服的系統(tǒng)誤差。與雙軸跟蹤系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的三臂結(jié)構(gòu)的軸線與平面鏡的中心重合，克服了雙軸跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。不過(guò)本系統(tǒng)采用四象限光源探測(cè)器來(lái)測(cè)太陽(yáng)光的入射角度，那么四象限的精度就會(huì)影響本系統(tǒng)的跟蹤精度，帶來(lái)系統(tǒng)誤差。

　　支撐結(jié)構(gòu)

　　以往大都采用立式單軸方位角調(diào)整機(jī)構(gòu)，需要采用很多的水泥混凝土做基礎(chǔ)，材料耗用和成本非常可觀，而且平面鏡面積越大，變形將越嚴(yán)重，抗風(fēng)性以及裝置的穩(wěn)定性將大大降低。本系統(tǒng)采用三臂式結(jié)構(gòu)，使裝置整體的穩(wěn)定性得到了大大的提高。

　　4項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

　　4.1創(chuàng)新的三臂滑道式機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　跟蹤裝置主要分為單軸和雙軸兩種，單軸跟蹤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，但是跟蹤精度低;雙軸跟蹤精度高，但是成本和功耗高。三臂滑道式機(jī)械結(jié)構(gòu)可以滿足一個(gè)良好的跟蹤裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，即功耗低，成本低，運(yùn)動(dòng)范圍滿足當(dāng)?shù)靥?yáng)位置變化的范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)全天跟蹤;有跟蹤位置的極限位置保護(hù)設(shè)計(jì)，有自鎖功能防止意外情況;傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有緊湊，易維護(hù)的特點(diǎn)，此外，主要的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，能夠抵抗一定的風(fēng)載。

　　4.2雙跟蹤系統(tǒng)

　　用將測(cè)角裝置和反光裝置分離出來(lái)。測(cè)角跟蹤裝置不僅根據(jù)電機(jī)調(diào)節(jié)時(shí)間來(lái)得到三根機(jī)械臂的長(zhǎng)度來(lái)得到光角，同時(shí)利用加速度傳感器來(lái)矯正誤差，使得系統(tǒng)的測(cè)角精度高。此外用一個(gè)電機(jī)既可以得到光角信息，與其他測(cè)角系統(tǒng)相比，成本大大降低。跟蹤裝置根據(jù)精確的太陽(yáng)光矢信息，以及反光跟蹤算法調(diào)節(jié)反射光使之聚焦于接收器上，聚焦精度好。

　　4.3塔式聚光發(fā)電

　　本系統(tǒng)立足于塔式聚光發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)改進(jìn)塔式聚光發(fā)電的跟蹤系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)光始終聚焦在接受塔處，使得聚光發(fā)電不受太陽(yáng)方位變化的影響，大大提高了太陽(yáng)能的利用率。提高塔式聚光發(fā)電的性價(jià)比。

　　4.4系統(tǒng)模塊化

　　本系統(tǒng)為模塊化裝置，各模塊部件可單獨(dú)更換，便于維修維護(hù);同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)相應(yīng)模塊做調(diào)整，擴(kuò)大系統(tǒng)裝置的應(yīng)用范圍，本系統(tǒng)可廣泛運(yùn)用于各種跟蹤系統(tǒng)，趨光系統(tǒng)，導(dǎo)光系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

　　4.5多工作模式

　　本系統(tǒng)設(shè)置了睡眠模式和工作模式兩種模式，在無(wú)光照及光照太弱使得發(fā)電量小于耗電量時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，大大的減小了系統(tǒng)的功耗。