塔式太阳能发电光场跟踪控制系统研究

发布时间：2020-08-13 18:59

【摘要】：由于化石燃料的大量使用,人类自身居住的生态环境遭受了严重的污染和破坏。所以人们对新型清洁能源的开发和利用越来越重视,最重要的是从低碳、环保、绿色等方面综合考虑,太阳能具有无可争议的优势,然而中国以及全球正把太阳能的开发和利用作为未来清洁能源的发展方向。在太阳能发电应用的过程中,对于如何改善太阳能的有效利用率是研究的主要难题之一。提高太阳能应用系统跟踪精度是改善太阳能利用率的有效方法。由于单轴跟踪结构存在着跟踪精度不高,误差累积的问题对收集太阳能的效果并不理想。所以采用双轴跟踪结构自动化程度高,能够最大效率的利用太阳能辐射量。基于光控与程控的双轴跟踪结构使用太阳能跟踪系统能够保持太阳光线实时垂直照射太阳能接收器,这样能够大大的提高太阳能利用率。通过实验论证采用双轴跟踪装置的系统比不采用跟踪装置的系统可能够提高37.7%的能量接收利用率。对于太阳能应用系统的跟踪效果好坏严重影响着太阳能的有效利用率。那么基于现有太阳能发电站中其跟踪装置通常采用开环控制方式,单轴太阳能自动跟踪装置以及步进式太阳能自动跟装置,普遍存在跟踪精度低、成本高、累积误差大等缺点。本文提出了一种高精度太阳跟踪控制装置以及对其硬件传感器设计、工作原理和控制策略的介绍。本文中跟踪装置的设计是基于传统双轴跟踪系统结构的光电式模式和视日轨迹跟踪模式太阳跟踪的相互结合。两种跟踪控制模式相互配合应用,弥补各自的不足。然而重要的是本设计将已有的光电式太阳跟踪器进行合理的结构上的设计,采用锥状筒体的接收器本体大口端朝向太阳,可避免筒体的边沿在光电池上产生阴影并影响输出;在十字交叉遮光板顶端加上十字交叉隔板与之对应,这样的十字交叉遮光板增大了阳光倾斜照射时对应在光电池上的面积差,有效地增大了光电池输出的模拟量。因此在功能上减少了系统本身带来的积累误差、改善了跟踪器接收信号的灵敏度、提高了系统控制精度。针对本文提出的方案,对系统整体结构及软硬设计,系统主PLC控制器选型为欧姆龙(CJ2H-CPU64-EIP);与子PLC选型为欧姆龙(CP1L-60D);子PLC连接的调节方位角的24V直流电机及传动比为1:35000的蜗轮蜗杆和调节高度角的24V直流电机传动比为1:35000的蜗轮蜗杆;LED显示器;光电式跟踪接收器及太阳运行轨迹跟踪模块,并根据设计要求,将各部分连接调试。然后分析其工作原理和是研究过结果。根据本文提出的一种以程控和光控相结合的混合控制高精度太阳能跟踪系统。并通过实验来论证这一方案,主要内容是对光电传感器进行改进来提高其稳定性和入射光偏差灵敏度,其中入射光最大偏差为0.105mm。实验结果表明:该跟踪装置通过太阳光线垂直照射在接收器而精准的改变其输出模拟量,从而有效的提高系统的跟踪精度且能够实现全天候自动跟踪。通过误差分析法将实验测试数据与理论数据进行计算比较得出跟踪绝对误差在±0.1°以内,那么论文中设计的太阳能跟踪控制装置比现有的跟踪控制装置更为精确,也说明该跟踪控制装置满足稳定可靠、精度高、抗干扰能力强。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM615
【图文】：

光热,太阳能,集热系统

加温成水蒸气，通过热交换装置而将水加温成水蒸气。与传统火力发电一样进一步推动汽轮发电机工作，最终以电能的形式输出。太阳能光热发电的系统组成部分有：集热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统、发电系统。太阳能光热系统发电原理如图1.3所示。图1.3 太阳能光热系统发电原理1）集热系统包括聚光装置、接收器、跟踪机构等部件。如果说集热系统是整个光热发电的核心，那么聚光装置就是集热系统的核心。聚光装置即为聚光镜或者定日镜等。其反射率、焦点偏差等均能影响发电效率。目前国内生产的聚光镜，效率可以达到94%，与国外生产的聚光镜效率相差不大。集热系统采集太阳能，将太阳能转化为热能。2）热传输系统主要是传输集热系统收集起来的热能。利用传热介质将热能输送给蓄热系统。传热介质多为导热油和熔盐。理论上，熔盐比导热油温度高，发电效率大，也更安全。热传输系统一般有预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器等组成。在热传输过程中，传热管道越短，热损耗就越小。3）蓄热与热交换系统，光热发电技术在蓄热与热交换系统中充分体现了对比光伏发电技术的优势。即将太阳热能储存起来。可以在夜间发电

太阳能热发电系统

- 7 -1）槽式太阳能热发电槽式太阳能热发电系统如图1.4所示，太阳能发电场本质上是由很多单轴跟踪抛物槽太阳能集热器组成。其收集器均是以南北方向上排列。每个太阳能收集器对应着一个线性抛物面形反射聚光器[18]，用于聚焦太阳的直接射束辐射位于抛物线焦点处的线性接收器上。在白天从东向西追踪太阳以确保太阳持续聚焦在线性接收器上。传热流体被加热通过接收器循环并返回到功率单元中的一系列热交换器，流体用于产生高压过热蒸汽。然后将过热蒸汽送入传统蒸汽汽轮发电机发电。而来自涡轮机的多余蒸汽在冷凝器中冷却，冷凝水通过水泵返回热交换器，再次转化为蒸汽。图 1.4 槽式太阳能热发电系统2）线性菲涅尔式发电线性菲涅尔式发电系统如图1.5所示，1990年澳大利亚科学家在总结了槽式和塔式的经验基础上，提出了紧凑线性菲涅尔反射聚光器和蒸汽发生系统的构想，并于2002年由德国 FRAUNHOFER 设计，比利时索拉门多公司制作了5000m2的菲涅尔（Fresnel）太阳能聚光器[19]。相比较槽式

太阳能热发电系统,线性

图 1.4 槽式太阳能热发电系统2）线性菲涅尔式发电线性菲涅尔式发电系统如图1.5所示，1990年澳大利亚科学家在总结了槽式和塔式的经验基础上，提出了紧凑线性菲涅尔反射聚光器和蒸汽发生系统的构想，并于2002年由德国 FRAUNHOFER 设计，比利时索拉门多公司制作了5000m2的菲涅尔（Fresnel）太阳能聚光器[19]。相比较槽式，这套系统的一个关键优势就在于菲涅尔的聚焦比大，可以获得比较高的温度，每平米镜面所需要的基础和电机很少，系统通过使用标准的平面镜代替需要特殊方法加工的曲面反射镜，让所有的镜子贴近地面，降低风载和钢的使用

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