一种塔式定日镜控制系统及方法与流程

1.本发明涉及塔式定日镜组件技术领域，尤其涉及一种塔式定日镜控制系统及方法。


背景技术：

2.随着全球性能源危机的蔓延和环境问题的日益严重，许多地区都在积极寻求和发展新型可再生能源以替代传统能源。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其丰富、清洁、可再生等优点，在许多区域受到高度重视并取得了长足进展。
3.目前，光热电站在一个很好的新能源项目。对于光热电站中的定日镜组件控制方式是提升塔式光热电站发电量和经济效益的重要因素。如何实现精准的控制定日镜组件，提升塔式光热电站发电量和经济效益是当前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种塔式定日镜控制系统，包括：多个定日镜组件、定日镜就地控制装置、吸热器以及镜场控制子系统；
5.多个定日镜组件分别安装在镜场的预设位置，并在水平及俯仰方向上均旋转，跟踪太阳；
6.吸热器的位置与定日镜组件位置相匹配，镜场控制子系统或定日镜就地控制装置通过液压传动装置控制定日镜组件运行，根据镜子与吸热器之间的相对位置，以及太阳在经度和纬度方向运动的高度角和方位角，将定日镜组件跟踪过程中的高度角和方位角的位置值，分别按照设定的纬度函数x(t)和经度函数y(t)进行比较，控制定日镜组件跟踪太阳，同时将光斑反射到吸热器上。
7.进一步需要说明的是，定日镜就地控制装置和镜场控制子系统分别用于计算太阳高度角，以水平为0度角，由公式
⑴
计算：
[0008][0009]
太阳方位角，以正南为0度角，由公式
⑵
计算：
[0010][0011]
其中：
[0012]
h：太阳高度角；
[0013]
a：太阳方位角；
[0014]
δ：太阳赤纬角，由公式
⑶
计算；
[0015]
δ＝23.45
×
sin(360
×
(284+n)/365)
ꢀꢀꢀ⑶
[0016]
n:积日，一年中的天数，从1月1日到要计算日的天数，即计算日的日期在当年内的顺序号；
[0017]
地理纬度；
[0018]
τ:太阳时角，与时间关系为15
°
/h，由公式
⑷
计算；
[0019]
τ＝15
×
(st
‑
12)
ꢀꢀꢀ⑷
[0020]
st为真太阳时，以24小时计，故上午为负值，下午为正值。
[0021]
进一步需要说明的是，镜场控制子系统还用于定义：塔高为z，镜中心线高t1，塔到定日镜组件的长度为x，塔到定日镜组件的宽度距离为y；
[0022]
定日镜组件法线的高度角h1由公式
⑸
计算；
[0023]
tan(hl)＝(z
‑
tl)/x
ꢀꢀꢀ⑸
[0024]
定日镜组件法线的方位角al由公式
⑹
计算；
[0025]
tan(al)＝y/x
ꢀꢀꢀ⑹
[0026]
由于反射角是法线另一侧，则：
[0027]
镜子的实际纬度函数：x(t)＝(h+hl)/2
ꢀꢀꢀ⑺
[0028]
镜子的实际经度函数：y(t)＝(a+al)/2
ꢀꢀꢀ⑻
。
[0029]
进一步需要说明的是，镜场控制子系统包含多个plc机柜控制模块，一个服务器机柜以及监控站；
[0030]
plc机柜中安装plc控制模块及光纤收发器，服务器机柜安装互为冗余的两台服务器和交换机；监控站配备监控主机；
[0031]
镜场的四个象限区各安装了一个气象站，在镜场中心的正北和正南方向各安装一个气象站；
[0032]
气象站获取气象数据；气象数据包括：热量、日射强度、太阳方位角及仰角、风速、温湿度、大气压力、雨量以及能见度。
[0033]
进一步需要说明的是，在光塔中上部布置有两层校准区；
[0034]
定日镜组件反射的光斑投射到校准区的预设位置，然后用摄像机实时拍摄，定日镜组件反射光斑投射到校准区预设位置的全过程，并实时传输到镜场控制子系统，进行图像处理后供校准用。
[0035]
进一步需要说明的是，光塔圆周按间隔45
°
，安装八个就地机柜和八台摄像机，电子间安装有一面摄像系统控制机柜；
[0036]
吸热器的每屏均安装有十个温热电偶，每象限均安装有一台红外线测温仪，用于感应吸热器的金属壁温；
[0037]
镜场控制子系统设有gps时钟模块，通过ntp网络实现对gps时钟模块校核时间，
[0038]
为系统中所有设备配置时间数据。
[0039]
进一步需要说明的是，镜场控制子系统使用地心坐标作为定日镜组件的位置状态，控制定日镜组件的移动位置；设置地心坐标中的北纬为正，西经为正。
[0040]
进一步需要说明的是，定日镜组件设有液压传动装置和底座，底座与地面固定连接；
[0041]
底座上连接有控制机构箱，控制机构箱上连接有立柱，立柱上端连接有俯仰传动装置，俯仰传动装置连接有水平支撑杆；
[0042]
水平支撑杆上安装定日镜；
[0043]
控制机构箱内部设有控制器和通信模块；
[0044]
控制器通过通信模块分别连接定日镜就地控制装置以及镜场控制子系统，接收控
制指令；
[0045]
控制器通过控制液压传动装置运行，调节定日镜的俯仰角度以及调节定日镜的旋转角度。
[0046]
进一步需要说明的是，液压传动装置包括：油箱、油泵、油缸、方向控制电磁阀、电磁截止阀以及蓄能器回路。
[0047]
本发明还提供一种塔式定日镜控制方法，方法包括：
[0048]
启动前使镜场、吸热器以及镜场控制子系统之间故障保护机构联动；对故障保护机构进行试验；
[0049]
检查系统各设备是否在正常状态，检查各定日镜组件是否正常，是否处于远程控制状态；
[0050]
系统镜场选择等待预热模式，吸热器选择启动模式；
[0051]
系统镜场进入预热模式：将吸热器预热到300℃至330℃；
[0052]
通过红外线测温仪检查吸热器加热温度，吸热器执行充盐，加热充盐完成后，吸热器进入循环模式；
[0053]
检查吸热器工作是否正常，有无堵管；
[0054]
系统检查工作是否正常，如正常，则转入正常生产模式；
[0055]
当定日镜组件聚焦太阳光到吸热器时，镜场控制子系统获取各项参数，并自动控制定日镜组件运行，以及控制熔盐的温度在预设温度阈值范围内；
[0056]
按照预设生产模式，控制定日镜运行；
[0057]
傍晚时，镜场切换到晚间模式，吸热器切换到停机模式，结束一天的工作。
[0058]
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
[0059]
本发明提供的塔式定日镜控制系统和方法，对定日镜的控制与追日的自动调节，因太阳的位置跟高度是实时变化着的，通过适当的调整保证定日镜能一直把太阳辐射聚焦在光塔上面的太阳能吸热器上。
[0060]
塔式定日镜控制系统和方法对定日镜自动调节方向逻辑的优化，能够快速的让每个定日镜事先做好准备，从而缩短定日镜的启动时间，降低光塔预热时间。
[0061]
塔式定日镜控制系统和方法对镜厂的整体控制的优化，实现定日镜的统一控制，一键启动镜厂，优化镜厂的调节灵活性，从而加快机组启动准备工作。
[0062]
塔式定日镜控制系统和方法实现自动快速的精准追日，缩短了光塔预热时间，从而提高了电站的发电量和经济效益，同时为同类型电站有效提高启动速度、经济效益提供了解决路径和方法。
[0063]
塔式定日镜控制系统和方法自动追日控制，减少人为来干预定日镜的角度来追日，使机组的调节的灵活性和自动化程度更高。
[0064]
塔式定日镜控制系统和方法实现是镜厂整体分区域控制，各区域的方向不同，所以分区域来控制定日镜的使的调节更优，也更加稳定便于控制。
附图说明
[0065]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术
人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0066]
图1为塔式定日镜控制系统示意图；
[0067]
图2为定日镜组件示意图；
[0068]
图3为液压传动装置示意图。
具体实施方式
[0069]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0070]
本发明提供一种塔式定日镜控制系统，如图1所示，包括：多个定日镜组件1、定日镜就地控制装置2、吸热器3以及镜场控制子系统4；
[0071]
多个定日镜组件1分别安装在镜场的预设位置，并在水平及俯仰方向上均旋转，跟踪太阳；吸热器3的位置与定日镜组件1位置相匹配，镜场控制子系统4或定日镜就地控制装置2通过液压传动装置控制定日镜组件1运行，根据镜子与吸热器3之间的相对位置，以及太阳在经度和纬度方向运动的高度角和方位角，将定日镜组件1跟踪过程中的高度角和方位角的位置值，分别按照设定的纬度函数x(t)和经度函数y(t)进行比较，控制定日镜组件1跟踪太阳，同时将光斑反射到吸热器3上。
[0072]
本发明涉及的塔式定日镜控制系统，优选地，包含定日镜厂区，用以反射和聚焦太阳辐射到中心塔的吸热器上。吸热器有管墙作用相当于换热器组成的。太阳辐射反射到吸热器上被转化为热能加热硝酸盐熔盐从温度300摄氏度升到565摄氏度。
[0073]
本发明中，定日镜16是在水平及俯仰方向上均可以旋转，跟踪太阳的设备。定日镜16组件设有液压传动装置和底座11，底座11与地面固定连接；
[0074]
底座11上连接有控制机构箱12，控制机构箱12上连接有立柱13，
[0075]
立柱13上端连接有俯仰传动装置14，俯仰传动装置14连接有水平支撑杆15；水平支撑杆15上安装定日镜16；控制机构箱12内部设有控制器和通信模块；
[0076]
控制器通过通信模块分别连接定日镜16就地控制装置以及镜场控制子系统4，接收控制指令，并执行；
[0077]
控制器通过控制液压传动装置运行，调节定日镜的俯仰角度以及调节定日镜的旋转角度。
[0078]
优选地方式，定日镜的镜面微曲，由6
×
9块的超白反射玻璃组成。
[0079]
液压传动装置包括：油箱、油泵、油缸、方向控制电磁阀、电磁截止阀以及蓄能器回路。
[0080]
其中，液压传动装置压力22mpa时停泵，15mpa时启泵。方向控制电磁阀为24v.dc“双头三位置型”电磁阀。如图3，当左侧的a电磁阀得电时，a、t口连通，b、p口连通，液压杆伸出。当右侧的b电磁阀得电时，a、p口连通，b、t口连通，液压杆缩回。当两个电磁阀均不带电时，a、b、t口连通，液压杆保持在当前位置。
[0081]
设置有4个液压油缸，其中1、2、3号油缸用于定日镜方向角运动，即：水平转动，4号油缸用于定日镜仰角轴运动，即为俯仰角转动。
[0082]
当中1至3号油缸的动作组合产生不同的水平角度，如下表：
[0083]
表1油缸动作组合表
[0084][0085]
当定日镜垂直时法线水平，此时定义俯仰角为0
°
。如要上升即：角度增大，则b电磁阀得电。当镜子水平时俯仰角为90
°
。
[0086]
本发明涉及的塔式定日镜控制系统所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0087]
本发明涉及的塔式定日镜控制系统的附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
[0088]
本发明涉及的塔式定日镜控制系统所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的
方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
[0089]
定日镜组件1、定日镜就地控制装置2、吸热器3以及镜场控制子系统4之间的通信方式可以基于无线互联网接入。所涉及的无线互联网接入技术可以包括无线局域网络(wi
‑
fi，wlan，wireless local area networks)、无线宽带(wibro)、全球微波互联接入(wimax)、高速下行链路分组接入(hsdpa，high speed downlink packet access)等等。
[0090]
作为本发明的实施方式，镜场控制子系统4可以配置scs系统，scs系统是顺序控制系统，指按照规定的时间或逻辑的顺序，对某一工艺系统或主要辅机的多个终端控制元件进行一系列操作的控制系统。scs系统为子功能组级和驱动级二级控制的层次性结构。
[0091]
镜场控制子系统4基于机组的烟、风、水、汽等各大系统的各类辅机的驱动和阀门的开关机控制，以及完成机组重要辅机阀门的联锁保护及功能组级的顺序控制功能。
[0092]
本发明涉及的定日镜就地控制装置2，安装本地控制单元可以是plc，配以必要的电气设备来管理定日镜运动。
[0093]
可以实现检测各输入信号，根据相应的程序，控制各设备运转。使用nrel spa算法，确保在电站整个使用寿命期间，有效计算太阳位置solar vector，精确度为
±
0.0003弧度。
[0094]
进行“定日镜
‑
太阳
‑
目标”三角测量、计算，以便定日镜将光斑反射到目标区域。
[0095]
用其它参数对镜面方向进行修正，确保光斑反射正确。
[0096]
与镜场控制子系统4通讯，反馈自身状态，并执行scs系统发送过来的命令。
[0097]
作为本发明的实施方式，镜场控制子系统4使用地心坐标作为定日镜组件1的位置状态，控制定日镜组件1的移动位置；设置地心坐标中的北纬为正，西经为正。
[0098]
也就是说，使用地心坐标，北纬为正，西经为正作为计算定日镜位置的参考系，基于日期，时间和时区进行修订。
[0099]
定日镜自身的三维坐标，用于表明定日镜的自身状态，如图3所示。水平方向，绝对坐标以正北为0
°
，正南为180
°
，请注意旋转方向导致角度的正负。而相对坐标是0～360
°
，以#1油缸正对光塔圆心为180
°
。
[0100]
作为本发明的实施方式，镜场控制子系统4根据镜子与吸热器3之间的相对位置，以及太阳在经度和纬度方向上运动的高度角和方位角，通过设置两个解耦的闭环控制回路，将定日镜跟踪过程中的高度角和方位角的位置值，分别按照设定的纬度函数x(t)和经度函数y(t)进行比较，控制定日镜跟踪，将光斑反射到吸热器3上。
[0101]
太阳角运动计算公式如下；
[0102]
太阳高度角以水平为0度角由公式
⑴
计算：
[0103][0104]
太阳方位角以正南为0度角由公式
⑵
计算：
[0105]
[0106]
其中：
[0107]
h：太阳高度角；
[0108]
a：太阳方位角；
[0109]
δ：太阳赤纬角，由公式
⑶
计算；
[0110]
δ＝23.45
×
sin(360
×
(284+n)/365)
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑⑶
[0111]
n:积日，一年中的天数，从1月1日到要计算日的天数，即计算日的日期在当年内的顺序号；
[0112]
地理纬度；
[0113]
τ:太阳时角，与时间关系为15
°
/h，由公式
⑷
计算；
[0114]
τ＝15
×
st
‑
12
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑⑷
[0115]
st为真太阳时，以24小时计，故上午为负值，下午为正值。
[0116]
太阳对塔的计算方式为：定义：塔高为z，镜中心线高t1，塔到定日镜的长度为x，塔到定日镜的宽度距离为y；
[0117]
定日镜法线的高度角h1由公式
⑸
计算；
[0118]
tan(hl)＝(z
‑
tl)/x
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑⑸
[0119]
定日镜法线的方位角al由公式
⑹
计算；
[0120]
tan(al)＝y/x
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑⑹
[0121]
由于反射角是法线另一侧，则：
[0122]
镜子的实际纬度函数：x(t)＝(h+hl)/2
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑⑺
[0123]
镜子的实际经度函数：y(t)＝(a+al)/2
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑⑻
[0124]
作为本发明优选地实施方式，镜场控制子系统4包含多个plc机柜控制模块，一个服务器机柜以及监控站；
[0125]
plc机柜中安装plc控制模块及光纤收发器，服务器机柜安装互为冗余的两台服务器和交换机；监控站配备监控主机；
[0126]
镜场的四个象限区各安装了一个气象站，在镜场中心的正北和正南方向各安装一个气象站；
[0127]
气象站获取气象数据；气象数据包括：热量、日射强度、太阳方位角及仰角、风速、温湿度、大气压力、雨量以及能见度。
[0128]
在光塔中上部布置有两层校准区；定日镜组件1反射的光斑投射到校准区的预设位置，然后用摄像机实时拍摄，定日镜组件1反射光斑投射到校准区预设位置的全过程，并实时传输到镜场控制子系统4，进行图像处理后供校准用。
[0129]
光塔圆周按间隔45
°
，安装八个就地机柜和八台摄像机，电子间安装有一面摄像系统控制机柜；吸热器3的每屏均安装有十个温热电偶，每象限均安装有一台红外线测温仪，用于感应吸热器3的金属壁温；
[0130]
镜场控制子系统4设有gps时钟模块，通过ntp网络实现对gps时钟模块校核时间，
[0131]
为系统中所有设备配置时间数据。镜场控制子系统4可以采用scs系统。镜场控制子系统4可以对定日镜组件1进行相应的操作，比如手动旋转、俯仰，复位报警等。scs系统还根据风速等其它参数，对部分和全部定日镜组件1组进行控制。
[0132]
本发明还提供一种塔式定日镜控制方法，方法包括：
[0133]
启动前使镜场、吸热器以及镜场控制子系统之间故障保护机构联动；对故障保护机构进行试验；
[0134]
检查系统各设备是否在正常状态，检查各定日镜组件是否正常，是否处于远程控制状态；
[0135]
系统镜场选择等待预热模式，吸热器选择启动模式；
[0136]
系统镜场进入预热模式：将吸热器预热到300℃至330℃；
[0137]
通过红外线测温仪检查吸热器加热温度，吸热器执行充盐，加热充盐完成后，吸热器进入循环模式；
[0138]
检查吸热器工作是否正常，有无堵管；
[0139]
系统检查工作是否正常，如正常，则转入正常生产模式；
[0140]
当定日镜组件聚焦太阳光到吸热器时，镜场控制子系统获取各项参数，并自动控制定日镜组件运行，以及控制熔盐的温度在预设温度阈值范围内；
[0141]
按照预设生产模式，控制定日镜运行；
[0142]
傍晚时，镜场切换到晚间模式，吸热器切换到停机模式，结束一天的工作。
[0143]
本发明提供的塔式定日镜控制系统和方法，对定日镜的控制与追日的自动调节，因太阳的位置跟高度是实时变化着的，通过适当的调整保证定日镜能一直把太阳辐射聚焦在光塔上面的太阳能吸热器上。
[0144]
塔式定日镜控制系统和方法对定日镜自动调节方向逻辑的优化，能够快速的让每个定日镜事先做好准备，从而缩短定日镜的启动时间，降低光塔预热时间。
[0145]
塔式定日镜控制系统和方法对镜厂的整体控制的优化，实现定日镜的统一控制，一键启动镜厂，优化镜厂的调节灵活性，从而加快机组启动准备工作。
[0146]
塔式定日镜控制系统和方法实现自动快速的精准追日，缩短了光塔预热时间，从而提高了电站的发电量和经济效益，同时为同类型电站有效提高启动速度、经济效益提供了解决路径和方法。
[0147]
塔式定日镜控制系统和方法自动追日控制，减少人为来干预定日镜的角度来追日，使机组的调节的灵活性和自动化程度更高。
[0148]
塔式定日镜控制系统和方法实现是镜厂整体分区域控制，各区域的方向不同，所以分区域来控制定日镜的使的调节更优，也更加稳定便于控制。
[0149]
塔式定日镜控制系统和方法作为光热，实现节能跟减排，直接利用太阳能量来给水加热，不需要燃煤或者燃烧天然气，产生污染的废气，也不会像核电一样产生核废料，很环保。经济上的效益方面，因为光热电站基本上无需消耗资源，所以也不需要运输煤或者天然气，只有初期的镜场跟光塔可能花费一定的资金，以及后期设备保养，镜厂定期清洗等等，但随着一段时间发电，这些消耗的资金就能很明显的跟常规火电拉开距离，因为同大小的火电机组差不多一年就要消耗400万吨煤，一顿煤价格在600
‑
1000元，一年节省的煤就折合人名币3亿多元，
[0150]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。