郭 慶，方 超，王金偉，褚俊

（揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠有限公司，江蘇揚(yáng)州 225003）

0 引言

能源關(guān)系著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定，積極發(fā)展可再生能源利用技術(shù)能夠改變能源結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在需求[1]。太陽能熱發(fā)電是利用大規(guī)模太陽鏡場將太陽能聚集起來，產(chǎn)生高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的技術(shù)，主要分為槽式太陽能熱發(fā)電、塔式太陽能熱發(fā)電、線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電、碟式太陽能熱發(fā)電[2-5]。與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電不必使用昂貴且效率較低的硅晶體光伏電池，成本更低，轉(zhuǎn)換效率更高[6]。因此這種形式的太陽能利用具有光伏發(fā)電無法比擬的優(yōu)勢。2016年國家能源局發(fā)布了《國家能源局關(guān)于組織太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目建設(shè)的通知》，確定了第一批示范項(xiàng)目名單，示范項(xiàng)目共20個(gè)，總裝機(jī)容量1 349 MW，塔式太陽能熱發(fā)電、線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電、槽式太陽能熱發(fā)電各占據(jù)685 MW、200 MW、464 MW。

由于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)綜合效率高，更適合于大規(guī)模、大容量商業(yè)化應(yīng)用，未來塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)可能是光熱發(fā)電的主要技術(shù)流派。定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，數(shù)量龐大，在整個(gè)系統(tǒng)中所占的成本比例較高，重要性不言而喻[7-10]。研發(fā)適用我國氣候環(huán)境的定日鏡對(duì)推進(jìn)塔式示范電站建設(shè)具有重要意義。楊琛等[11]提出了一種三軸支撐的定日鏡裝置，能夠提高定日鏡裝置面對(duì)極端天氣時(shí)的穩(wěn)定性。本文針對(duì)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)研制了一種YX-DRJ20-8定日鏡。

1 建立模型

1.1 定日鏡構(gòu)成及參數(shù)

定日鏡是將太陽或其他天體的光線反射到固定方向的光學(xué)裝置[12-13]。YX-DRJ20-8定日鏡采用水平加俯仰的跟蹤方式跟蹤太陽，其主要由控制系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、反射鏡面等構(gòu)成，如圖1所示。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括方位旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和俯仰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙軸跟蹤。主要技術(shù)參數(shù)如下：

圖1 定日鏡結(jié)構(gòu)

型號(hào)：YX-DRJ20-8；

結(jié)構(gòu)形式：高度角-方位角雙軸跟蹤；

尺寸：20 m2；

精度：高于3.5 mrad；

反射率（25年壽命期內(nèi)）：第一年反射率大于95%，5年內(nèi)大于92%；

抗風(fēng)能力：13 m/s風(fēng)速能夠正常工作。

1.2 總體方案及功能

定日鏡采用水平加俯仰的跟蹤方式跟蹤太陽，圖1所示。定日鏡反射面由4塊2 440 mm×1 830 mm的單元反射鏡拼裝而成，反射面總面積為17.86 m2。反射面之間存在一個(gè)大于定日鏡立柱直徑的間隙，這個(gè)間隙可以保證反射面在定日鏡不工作時(shí)能實(shí)現(xiàn)倒扣而不使反射面與立柱發(fā)生碰撞。反射面倒扣可以減少灰塵在反射面上的集聚。

定日鏡系統(tǒng)運(yùn)行模式及功能主要有手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、其他控制模式。

在手動(dòng)運(yùn)行模式下可依據(jù)設(shè)置在柜內(nèi)的手動(dòng)操作按鈕完成方位正反轉(zhuǎn)、俯仰正反轉(zhuǎn)控制，手動(dòng)控制模式下電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

在自動(dòng)模式下，本地控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)歸位、自動(dòng)跟蹤、夜間保護(hù)、大風(fēng)保護(hù)4種工作模式。

自動(dòng)歸位：控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)精確地定位并消除由運(yùn)行過程中產(chǎn)生的累計(jì)誤差，需要由原點(diǎn)信號(hào)并通過控制系統(tǒng)的原點(diǎn)查找功能實(shí)現(xiàn)，在控制系統(tǒng)中，歸位功能即原點(diǎn)信號(hào)查找自動(dòng)歸位在系統(tǒng)重新上電、系統(tǒng)開始自動(dòng)跟蹤兩種情況下被執(zhí)行，執(zhí)行的目的為清空控制器程序中實(shí)際位置計(jì)數(shù)器，通過理論計(jì)算位置來精確控制定日鏡的實(shí)際運(yùn)行。

自動(dòng)跟蹤：系統(tǒng)歸位結(jié)束且已高速運(yùn)行至指定位置時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動(dòng)跟蹤運(yùn)行，在自動(dòng)跟蹤運(yùn)行時(shí)，采用后30 s太陽法線位置和當(dāng)前實(shí)際法線位置的差值確定定日鏡的自動(dòng)跟蹤速度以達(dá)到精確跟蹤控制。

夜間保護(hù)：太陽高度角小于指定高度后，系統(tǒng)恢復(fù)至初始位置即鏡面平置以避免夜間意外損壞，切斷電源以節(jié)省電能并縮短下一個(gè)自動(dòng)跟蹤周期內(nèi)的歸位速度，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

其他控制模式是根據(jù)鏡場上位控制指令要求進(jìn)行動(dòng)作，如分組啟動(dòng)、運(yùn)行至準(zhǔn)備好的位置等。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用方位、俯仰雙軸驅(qū)動(dòng)的方式控制定日鏡自動(dòng)跟蹤太陽運(yùn)行，主要通過控制定日鏡將不同時(shí)刻的太陽光線聚焦后反射至固定目標(biāo)位置，因太陽的高度角和方位角時(shí)刻變化，意味著定日鏡入射光線的高度角和方位角也在不斷變化，而最終目標(biāo)點(diǎn)位置是固定不變，由此可以根據(jù)太陽高度、方位角度計(jì)算出定日鏡法線位置從而實(shí)現(xiàn)精確定位。

定日鏡控制器與外接的帶光電編碼器的無刷電機(jī)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)系統(tǒng)，控制電機(jī)的運(yùn)行分為水平和俯仰兩臺(tái)電機(jī)。水平和俯仰各帶有左右限位和零點(diǎn)檢測開關(guān)，能夠?qū)﹄姍C(jī)位置進(jìn)行檢測和限制。同時(shí)帶有以太網(wǎng)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)Modbus-TCP通訊，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)之間的整體協(xié)調(diào)控制。另外控制板還帶有高精度的RTC芯片，能夠獲得精確的時(shí)間，完成天文公式太陽角度的本地計(jì)算?？刂破魃系腅EPROM存儲(chǔ)器用于儲(chǔ)存一些本地參數(shù)，保證掉電后不丟失?？刂瓢遄詭囟葌鞲衅鳎瑢?duì)控制板所在的環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，出現(xiàn)過熱情況時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警和保護(hù)。

控制系統(tǒng)中的定日鏡控制器采用SPA算法，計(jì)算出定日鏡調(diào)整角度的理論值，結(jié)合SCS系統(tǒng)的調(diào)整目標(biāo)、定日鏡實(shí)際位置計(jì)算定日鏡動(dòng)作范圍，通過驅(qū)動(dòng)高度角或方位角電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)位置的移動(dòng)，調(diào)整定日鏡鏡面位置使太陽反射光斑精度符合系統(tǒng)要求，控制原理如圖2所示。

圖2 控制原理

1.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是定日鏡的核心部件，安裝在立柱的頂部，其主要由直流電機(jī)、行星減速機(jī)、定日鏡傳動(dòng)箱構(gòu)成。設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括方位旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和俯仰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙軸跟蹤。方位和俯仰運(yùn)動(dòng)為獨(dú)立、單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，方位和仰角運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈均為電機(jī)、行星減速機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、擺線針輪行星傳動(dòng)。擺線針輪行星傳動(dòng)分別位于各自的箱體內(nèi)，兩部分獨(dú)立于箱體上部和下部，共同構(gòu)成傳動(dòng)箱，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.5 支撐結(jié)構(gòu)與反射鏡

支撐結(jié)構(gòu)主要由支架、梁結(jié)構(gòu)、支撐等組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的俯仰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸的兩端各安裝一個(gè)主梁，主梁上的單元鏡支撐梁、斜撐等構(gòu)成單元鏡支撐結(jié)構(gòu)。反射鏡的尺寸為2 400 mm×1 830 mm，反射鏡采用反射率大于或等于93%的4 mm超白浮法玻璃鍍銀反射鏡，四邊磨C形邊，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封邊處理，保證反射鏡壽命不低于25年。反射鏡通過擰入其背部陶瓷塊螺母內(nèi)的螺桿和反射鏡鎖緊螺母被固定在單元鏡支架上。調(diào)節(jié)玻璃反射鏡與支架各結(jié)合點(diǎn)處的螺桿和反射鏡鎖緊螺母，就能夠?qū)⒎瓷溏R調(diào)節(jié)到所需要的面形，在光靶上形成圓形太陽像。反射鏡面為球面，球面的半徑為定日鏡反射面中心到吸熱器中聚光靶心連線距離的2倍。支架的作用是保持反射鏡面形在固定后不發(fā)生變化，圖4所示為安裝后的定日鏡。

圖4 定日鏡

1.6 面型調(diào)整

定日鏡安裝之后，其反射鏡的面形需要現(xiàn)場調(diào)整以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。通過研究實(shí)測的聚光光斑性能來進(jìn)行調(diào)節(jié)。按照以下步驟調(diào)整：（1）在太陽光較好的時(shí)段，調(diào)節(jié)單個(gè)反射鏡的面形和四面反射鏡的整體面形；（2）選取目標(biāo)靶；（3）調(diào)整各個(gè)單元反射鏡面形。用薄輕且不透明的布狀物遮蓋其余3塊單元反射鏡，只保留1塊單元反射鏡反射陽光，調(diào)節(jié)此單元反射鏡的玻璃反射鏡與單元鏡支架各個(gè)結(jié)合點(diǎn)處的螺桿和反射鏡鎖緊螺母，使各單元反射鏡在目標(biāo)靶上的焦斑形狀接近圓形，使其光斑直徑達(dá)到設(shè)計(jì)值。按照此方法逐一調(diào)節(jié)單元反射鏡面形；（4）調(diào)節(jié)單元反射鏡與單元反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的連接螺栓上的鎖緊螺母，從而改變單元鏡的傾角，使各個(gè)單元反射鏡的焦斑重疊；（5）定日鏡連續(xù)跟蹤太陽，測試其光斑變化。

2 定日鏡跟蹤精確度測量

2.1 跟蹤精確度測試系統(tǒng)

定日鏡跟蹤精確度測量采用非接觸式視覺檢測方法，利用CCD相機(jī)采集定日鏡在目標(biāo)靶上形成的光斑圖像，然后通過圖像處理獲取定日鏡聚光特性參數(shù)。系統(tǒng)主要由CCD相機(jī)、目標(biāo)靶、計(jì)算機(jī)、圖像采集和處理軟件、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、太陽法向直射輻照表等組成，如圖5所示。

圖5 定日鏡跟蹤精確度測試系統(tǒng)組成

2.2 跟蹤精確度測試

測試周期內(nèi)的風(fēng)速必須覆蓋定日鏡要求的工作風(fēng)速范圍（推薦為0～14 m/s），為此測試可能持續(xù)多天。通過調(diào)整CCD相機(jī)光圈、焦距、放大倍率、俯仰及方位角度可使目標(biāo)靶充滿相機(jī)的整個(gè)視場。啟動(dòng)定日鏡，使定日鏡將太陽輻射聚焦到目標(biāo)靶。啟動(dòng)CCD相機(jī)采集靶面的光斑圖像，覆蓋定日鏡的工作姿態(tài)范圍。分割采集的每幀光斑灰度圖像的光斑與背景，并以光斑內(nèi)像素的總量作為光斑的面積。以與此面積相等的正方形作為光斑圖像中提取光斑的裁剪窗，用該裁剪窗在整個(gè)光斑圖案上進(jìn)行截取，以所有截取窗口內(nèi)灰度值總量最大的位置作為光斑有效區(qū)域，光斑有效區(qū)域的幾何中心即為光斑中心。分析采集到的第i幀光斑照片，通過以下公式計(jì)算此刻的定日鏡跟蹤精確度[14-15]：

式中：η為定日鏡跟蹤精確度；L為定日鏡的旋轉(zhuǎn)中心到目標(biāo)點(diǎn)的斜向距離；μ為像素與長度的轉(zhuǎn)換因子；(x0,y0)為光斑圖像中目標(biāo)靶的中心坐標(biāo)；(xi,yi)為第i幀光斑照片中光斑幾何中心坐標(biāo)。

通過采集18 612個(gè)采樣點(diǎn)，將其跟蹤精確度η結(jié)果表達(dá)如圖6所示。由圖可見測試期間內(nèi)不同風(fēng)速下定日鏡跟蹤精確度出現(xiàn)在3.5 mrad的頻率。從圖中可見定日鏡的跟蹤精確度較高，基本位于90%以上。根據(jù)采樣點(diǎn)計(jì)算得到的跟蹤精確度值，得到如下結(jié)果：在4 m/s風(fēng)速下跟蹤準(zhǔn)確度達(dá)到3.5 mrad的概率為99.6%；在8 m/s風(fēng)速下跟蹤準(zhǔn)確度達(dá)到3.5 mrad的概率為97.6%；在11 m/s風(fēng)速下跟蹤準(zhǔn)確度達(dá)到3.5 mrad的概率為97.1%。

圖6 定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度在3.5 mrad內(nèi)的概率（來自18 612個(gè)采樣點(diǎn)）

3 結(jié)束語

針對(duì)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)研制了一種定日鏡。首先建立了定日鏡的模型，并介紹了定日鏡的總體方案，尤其對(duì)定日鏡的系統(tǒng)的手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、其他控制模式進(jìn)行詳細(xì)講解。簡述了其構(gòu)成及參數(shù)，然后闡述了控制系統(tǒng)的控制原理、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成、支撐結(jié)構(gòu)和反射鏡。最后敘述了定日鏡跟蹤準(zhǔn)確度測試系統(tǒng)的組成及方法，并對(duì)定日鏡進(jìn)行跟蹤精確度測試。設(shè)計(jì)的定日鏡跟蹤精確度值較高，通過18 612個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，在4～11 m/s風(fēng)速下跟蹤準(zhǔn)確度達(dá)到3.5 mrad的概率高于97%。