应用于聚光太阳能发电的三臂式光跟踪系统说明书

摘要：

随着全球能源危机的加剧，节能减排成为了发展的主流。针对能源短缺问题，从实际应用角度出发，以节能为目的，本文提出了新型的三臂式聚光跟踪系统。本设计由四象限光电传感器检测入射光，通过控制模块处理，自动调节测角装置中的电机运动，测得光角并传给反光装置，调节反光装置使反射光始终聚焦在接收器上，适用于塔式太阳能聚光发电的场合。

作品内容简介

塔式太阳能聚光发电产业发展迅猛，但因聚光效率低，控制系统复杂，成本高等问题至今仍未商业化。为提高聚光精度，简化控制系统，我们设计了三臂式机械机构，采用测角装置与反光装置双跟踪系统，大大地提高了聚光发电的性价比，达到节能减排的目的。

我们通过测角装置与太阳光垂直得到太阳光位置，并传给各反光装置。反光装置根据相应算法做出调整，使所有的反射光聚焦在接收塔，提高太阳光利用率。

创新点：

创新的三臂滑道式结构，结构简单、控制方便和调整精度高，降低成本和系统功耗。 将测角装置和反光装置分离出来，低成本高效率的得到太阳光的位置信号并精确的将反射光聚焦在一点。 跟踪系统实现了将太阳光始终聚焦在接受塔处，不受太阳方位变化的影响，大大提高了太阳能的利用率。 本系统各模块部件可单独更换，便于维修维护；根据不同应用对相应模块做调整，扩大系统装置的应用范围，如各种跟踪系统，趋光系统，导光系统，有效地实现节能减排的目的。

本系统的模型及功能已完成，后续工作是系统的测试及优化。我们坚信本系统在新能源利用，节能减排方面发挥了巨大作用，创造高社会经济效益。

1项目背景及意义

太阳能取之不尽用之不竭，而且不会产生温室气体，与其他形式的可再生能源相比如风能，太阳能是来源最为丰富且最稳定的能源。据海外媒体报道，一份由多国研究人员联合撰写的报告指出，聚光太阳能发电继风能、光电池之后，已经开始崭露头角，有望成为解决能源匮乏、应对气候变暖的有效技术手段。采用聚光太阳能发电（CSP）技术，2050年，沙漠中的太阳能发电站将可以满足全球能源需求的25%，对CSP的投资有可能高达1740亿欧元，太阳能发电站的产能可达1.5万亿瓦，占全球电能需求的四分之一。同时还能创造200万个工作机会，每年减少21亿吨二氧化碳排放。科学家认为，位于"阳光充足地带"的国家将从CSP技术中获益，包括美国南部的沙漠地区、非洲北部、墨西哥、中国和印度等。

塔式太阳能热发电系统主要由日光反射镜子系统、接收器组成成，如图1-1所示。其中日光反射镜子系统由大量大型、平坦的太阳跟踪反射镜构成，对太阳进行实时跟踪，把太阳光聚焦到塔顶的接收器。在接收器中对传热流体进行加热，产生高温过热蒸汽，过热蒸汽推动常规涡轮发电机组发电。塔式CSP电站的主要优势在于它的工作温度较高（800~1000℃），使其年度发电效率可以达到17%~20%，并且由于管路循环系统较槽式系统简单得多，提高效率和降低成本的潜力都比较大；塔式CSP电站采用湿冷却的用水量也略少于槽式系统，若需要采用干式冷却，其对性能和运行成本的影响也较低。塔式CSP的缺点也是明显的：为了将阳光准确汇聚到集热塔顶的接收器上，对每一块定日镜的双轴跟踪系统都要进行单独控制，而槽式系统的单轴追踪系统在结构上和控制上都要简单得多；由于缺乏大型商用案例（占在运CSP装机容量的5.1%），相对槽式系统来说，塔式CSP电站的成本、性能、可靠性都还存在一定的不确定性；为发挥其效率潜力而需使用的融盐介质也尚存一些技术问题值得顾虑。

图 1?1电力塔发电厂

为了解决现有塔式CSP存在的问题，我们提出了应用于聚光太阳能发电的三臂式光跟踪系统。本系统不仅有效的解决了跟踪系统复杂的问题，还降低了跟踪系统的成本，提高了跟踪系统的性能与可靠性，对塔式CSP的发展有大大的推动作用。

2项目方案

2.1系统概述

本作品应用于塔式CSP电站，解决CSP发电中的聚光控制难题。在本系统的研究与设计中，我们采用四象限光探测器检测太阳光，将其采集到的四路模拟信号进行AD转换，再将转换后的数字信号送到MCU中，若探测器的四个象限输出的电压值相等，说明太阳光与测角装置垂直；否则，说明太阳光与测角装置没有垂直，MCU发送指令给电机驱动电路，调节三臂装置使之与太阳光保持垂直。通过电动推杆升降的时间以及三轴加速度计的检测可以算出三根推杆的高度，从而得到太阳光的角度。测角装置的MCU通过CAN总线把太阳光角信号传给反光装置，反光装置的MCU调节三臂装置使其反射光始终聚焦在接受塔上