一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗方法以及試驗臺的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿真試驗方法以及該方法所用的光熱發(fā)電試驗臺，尤其是涉及一種塔式光熱定日鏡追日控制算法研究及太陽軌跡模擬仿真的試驗方法及試驗平臺，用于通過模擬試驗塔式光熱發(fā)電控制算法優(yōu)化、精度的提高和驗證。
【背景技術】
[0002]太陽能熱發(fā)電通常叫做聚光式太陽能發(fā)電，與傳統(tǒng)發(fā)電站不一樣的是，它們是通過聚集太陽輻射獲得熱能，將熱能轉(zhuǎn)化成高溫蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機來發(fā)電的；當前太陽能熱發(fā)電按照太陽能采集方式可劃分為太陽能槽式發(fā)電、太陽能塔式熱發(fā)電、太陽能碟式熱發(fā)電。
[0003]槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)的傳熱工質(zhì)加熱產(chǎn)生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電;塔式系統(tǒng)是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫集熱器(太陽鍋爐)上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電;碟式系統(tǒng)利用曲面聚光反射鏡，將入射陽光聚集在焦點處，在焦點處直接放置斯特林發(fā)動機發(fā)電。
[0004]目前槽式系統(tǒng)控制精度要求低，技術最為成熟，商業(yè)化程度最高，但槽式系統(tǒng)管路長轉(zhuǎn)換效率低，塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高但成本及控制要求高，其中塔式系統(tǒng)因具有較高的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)在商業(yè)化電站中有所應用，目前國內(nèi)外已對塔式光熱發(fā)電的制造、工程、控制等多方面進行技術攻關。作為新能源的重要技術，我國在國產(chǎn)化光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)裝備過程中有許多技術難點沒有攻克，尤其是塔式光熱中的定日鏡控制精度，由于安裝誤差、在長期運行過程中累計誤差、機械磨損等原因，聚光效果難以保證。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]
本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗方法以及試驗臺，利用本專利所示方法和試驗臺能夠?qū)崿F(xiàn)塔式太陽光熱發(fā)電方式中定日鏡在各工況條件下的模擬聚光發(fā)電、試驗、精度驗證和控制系統(tǒng)改進測試;通過本專利可提供仿真環(huán)境進行長期反復的試驗，為算法優(yōu)化、控制系統(tǒng)優(yōu)化改進提供試驗平臺。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺，所述試驗臺包含有:
支架，支架位于以定日鏡中心為球心的球面上，且支架繞定日鏡中心旋轉(zhuǎn)；
燈源，燈源沿支架移動，燈源發(fā)出的光照射向定日鏡；
定日鏡，定日鏡沿其中心進行水平和垂直面旋轉(zhuǎn)；
靶位，靶位接收定日鏡反射過來的燈源發(fā)出的光。
[0007]本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺，所述支架由四段圓弧段構成，一圓弧段上嵌置有導軌一，電機一及減速箱驅(qū)動燈源沿導軌一行走;構成支架的四段圓弧段的底部嵌置在底座導軌上，所述底座導軌的圓心與定日鏡的中心相重合，且至少一段圓弧段的底部設置有電機二及變速箱驅(qū)動支架沿底座導軌旋轉(zhuǎn)。
[0008]本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺，構成支架的四段圓弧段的圓弧半徑5米，弧長1/4圓周，圓弧間夾角為90°，組成對稱結構。
[0009]本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺，導軌一為齒條結構，電機一及減速箱輸出軸上套裝有的齒輪與導軌一相嚙合;底座導軌上設置有與電機二及變速箱的輸出軸上的齒輪相嚙合的齒。
[0010]本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗方法，
燈源沿支架移動模擬太陽位置，定日鏡同步進行旋轉(zhuǎn)，將燈源發(fā)出的光反射至靶位，實測靶位上的反射光斑偏離靶位中心的距離，測算控制系統(tǒng)、機械傳動等系統(tǒng)的誤差。
[0011]本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗方法，所述電機一及減速箱中的電機為伺服電機，電機精度為2400步，減速箱減速比為60:1，減速箱輸出軸齒輪為20齒與導軌一上齒條嗤合，所述導軌一內(nèi)嵌齒條齒數(shù)N為540，導軌一上每個齒對應的距離△ L=2jtR/(4N)=2 X π X 5000mm/(4 X 540)=14.5444mm;所述的電機一及減速箱中電機驅(qū)動最小距離ΔL’ = ALX (減速箱輸出軸最小控制角度/減速箱輸出軸一個齒對應弧度)=ALX (360°/2400/60)/(360°/20)=0.002mm；
構成支架的四段圓弧段的四個底部支點均與齒輪狀的底座導軌相嚙合，所述底座導軌內(nèi)嵌N’=2160個齒，
所述電機二及減速箱中的電機為伺服電機，電機精度為2400步，減速箱減速比為60:1，減速箱輸出軸齒輪為20齒與底座導軌上齒條嚙合，底座導軌上每個齒對應的距離Δ?/=23?R八N’)=2 X Ji X 5000mm/(2160)=14.5444mm；
所述的電機二及減速箱中電機驅(qū)動最小距離AL’ ’ = AL’ X (減速箱輸出軸最小控制角度 / 減速箱輸出軸一個齒對應弧度)=AL’ X (360°/2400/60 V(360°/20)=0.002mm;
所述定日鏡，位于支架與底座導軌所構成的球心位置，使得定日鏡鏡面中心與球心重合，定日鏡可以鏡面中心為原點，通過定日鏡支架上的二軸電機進行水平旋轉(zhuǎn)、傾斜角度的調(diào)整;所述定日鏡中的二軸驅(qū)動電機采用6400線的伺服電機及180:1的減速器、軸端配置高精度編碼器，實現(xiàn)定日鏡鏡面控制角度精度達0.0003°。
[0012]本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗方法，所述靶位為2mX 2m的幕布，中心位置可調(diào)，以定日鏡和支架所處球心為空間坐標原點，確定靶位中心的空間坐標，通過調(diào)整靶位進行模擬不同鏡面與靶位位置關系的聚光試驗。
[0013]本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗方法，控制柜一用于控制電機一及變速箱和電機二及變速箱，從而通過燈源模擬太陽位置;控制柜二用于控制定日鏡的二軸電機，從而模擬定日鏡位置。
[0014]本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗方法，控制柜一由pic可編程邏輯器件、電機驅(qū)動、通訊模塊構成，控制柜一模擬發(fā)生時間，并通過太陽位置SPA算法根據(jù)當前模擬時間進行推算當時太陽的真實空間位置:太陽高度角和太陽方位角，同時Plc經(jīng)過計算得出燈源在導軌一上的位置、支架在底座導軌上的位置即為模擬太陽的高度和方位;執(zhí)行時，Plc記錄并輸出電機一和電機二的執(zhí)行步數(shù)，到達目標位置，并根據(jù)時間變化，不斷模擬太陽位置變化； 所述控制柜二由pic可編程邏輯器件、電機驅(qū)動、通訊模塊構成，控制柜二與控制柜一進行模擬時間同步，通過太陽位置SPA算法根據(jù)當前模擬時間進行推算當時太陽的真實空間位置:太陽高度角和太陽方位角，根據(jù)靶位的位置可通過空間幾何關系確定定日鏡法線的空間向量，從而計算出定日鏡對應的水平、傾斜角度，Plc發(fā)出指令控制定日鏡的二軸電機，并通過角度閉環(huán)精度控制鏡面姿態(tài)。
[0015]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明突破傳統(tǒng)依靠真實太陽試驗中的氣候、時間、速度等限制，可進行人工調(diào)整模擬太陽東升西落的速度，加快試驗進程，可隨時調(diào)整一年四季各時間段、各地理位置的太陽軌跡，可隨時調(diào)整靶位與定日鏡的位置關系，滿足各種工況進行系統(tǒng)模擬和試驗，方便驗證工作過程、控制系統(tǒng)精度和優(yōu)化算法等。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺的總體示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺的支架立體結構示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺的定日鏡的結構示意圖。
[0019]圖4為本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺的定日鏡的工作狀態(tài)示意圖。
[0020]圖5為本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗方法的流程圖。
[0021]其中:
支架1、導軌一 2、燈源3、電機一及變速箱4、電機二及變速箱5、底座導軌6、定日鏡7、控制柜一 8、控制柜二 9、靶位10。
【具體實施方式】
[0022]參見圖1?5，本發(fā)明涉及的一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺，所述試驗臺包含有:
支架I，支架I位于以定日鏡7中心為球心的球面上，且支架I繞定日鏡7中心旋轉(zhuǎn)；
燈源3，燈源3沿支架I移動，燈源3發(fā)出的光照射向定日鏡7;
定日鏡7，定日鏡7沿其中心進行水平和垂直面旋轉(zhuǎn)；
靶位10，靶位10接收定日鏡7反射過來的燈源3發(fā)出的光；
本發(fā)明一種太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗方法為:
燈源3沿支架I移動模擬太陽位置，定日鏡7同步進行旋轉(zhuǎn)，將燈源3發(fā)出的光反射至靶位10，實測靶位10上的反射光斑偏離靶位10中心的距離，測算控制系統(tǒng)、機械傳動等系統(tǒng)的誤差。
[0023]并且，在上述試驗方法中，可通過程序設定加快時間倍率，使實際太陽東升西落的一天時間縮短為幾個小時、幾十分鐘，可快速驗證系統(tǒng)的控制效果，加快系統(tǒng)優(yōu)化、試驗的進程。試驗時，可加速、暫定系統(tǒng)運行狀態(tài)，研究偏差原因，實現(xiàn)對光熱發(fā)電定日鏡控制系統(tǒng)的改進。
[0024]下面結合圖1?5對本發(fā)明的太陽光熱發(fā)電定日鏡控制仿真試驗臺做具體展開描述: 支架I由四段圓弧段構成，一圓弧段上嵌置有導軌一2，電機一及減速箱4驅(qū)動燈源3沿導軌一2行走;構成支架I的四段圓弧段的底部嵌置在底座導軌6上，所述底座導軌6的圓心與定日鏡7的中心相重合，且至少一段圓弧段的底部設置有電機二及變速箱5驅(qū)動支架I沿底座導軌6旋轉(zhuǎn)；
構成支架I的四段圓弧段的圓弧半徑5米，弧長1/4圓周，圓弧間夾角為90°，組成對稱結構，5米的半徑使得試驗臺運轉(zhuǎn)過程中模擬位置精度能夠達到0.01° ;
導軌一2為齒條結構，電機一及減速箱4輸出軸上套裝有的齒輪與導軌一2相嗤合；
底座導軌6上設置有與電機二及變速箱5的輸出軸上的齒輪相嚙合的齒；
電機二及變速箱5和底座導軌6的控制最小移動距離為0.5mm( △ S)，得到模擬太陽位置的精度為360° XAS /S=360° X0.5mm/(2*3i*5000mm)=0.0057° (其中S為半徑為5米的圓周長)，滿足試驗臺控制精度0.01°的要求；
具體的講:
所述燈源3為高亮度聚光燈，