用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統的製作方法

2023-12-10 08:08:27 1

專利名稱：用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種分區控制系統，特別涉及用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統。
背景技術：
太陽能熱發電技術(英文名Concentrating Solar Power,簡稱CSP)利用大面積的鏡面將太陽輻射能量反射到集熱器上，集熱器將太陽輻射能轉換成熱能，並通過熱カ循環過程進行發電。作為太陽能大規模發電的重要方式，太陽能熱發電具有一系列明顯優點。首先，其全生命周期的碳排放量非常低，根據國外研究僅有18g/kWh。另外，該技術在現有太陽能發電技術中成本最低，更易於迅速實現大規模產業化。此外，太陽能熱發電還具有非常強的與現有火電站及電網系統的相容性優勢。太陽能熱發電技術主要有以下四種槽式太陽能熱發電、塔式太陽能熱發電、碟式太陽能熱發電和菲涅爾式太陽能熱發電。塔式太陽能熱發電系統採用多個平面反射鏡來會聚太陽光，這些平面反射鏡稱為定日鏡。許多定日鏡分布在塔的周圍，組成龐大的定日鏡場，同時把太陽光反射到接收器上，接收器安裝在高塔上，其聚光面積非常大，也可以把它看成一個龐大的成像聚光太陽能集熱器，所以塔式太陽能集熱裝置聚光比很高，接收器工作溫度可以達千度以上。相比上述其他三種光熱發電技術，塔式太陽能熱發電不需要長距離管道傳輸系統，熱能損失減小，系統效率高，同時便於儲存熱量。塔式的工作介質可用空氣、水或水蒸氣以及熔鹽等。定日鏡裝置是塔式太陽能熱發電技術的重要部件，由定日鏡鏡面、驅動裝置、控制模塊和支架等結構組成，用於將太陽光反射聚焦到吸熱塔的集熱器上。為使太陽輻射能量集中於集熱器上的中心點，要求定日鏡具備高反射率和高定日精度，這需要有定日鏡控制系統實現對定日鏡的定日跟蹤進行高精度的監測和控制。例如，申請號為200920149305. 3、名稱為《一種定日鏡自動控制系統》的中國專利申請中公開了ー種定日鏡自動控制系統，包括上位機和與之相連並通過其控制的PLC可編程序控制器，控制定日鏡在俯仰方向和方位方向上進行雙軸轉動及移動。目前，在建或已建的大規模塔式太陽能熱發電電站的發電能力均已達到10麗級以上。比如，2009年投入使用的西班牙PS20電站具有20MW的發電能力，裝備1，255臺定日鏡，每一臺定日鏡的鏡面面積達120平方米。而美國在建的世界上最大塔式電站ISEGS設計裝機容量高達392MW，佔地14. 6平方公裡，將安裝多達173,000臺定日鏡，將陽光聚焦到一個大約137米高的太陽能塔上。在這些大規模塔式電站中，要精確控制每臺定日鏡，需要對每臺定日鏡的跟蹤狀態和數據進行大量的實時通信和計算，例如每臺定日鏡的定日跟蹤狀態、目標點位置、電機故障信息等實時信息。只有同時實現對這些數量眾多的定日鏡的精確控制，保證整個系統的實時性和精確性，才能確保塔式電站的長時間穩定運行，這就對定日鏡控制系統提出了很高的要求。但相應的，這也會推高定日鏡控制系統的成本。
同時，大規模塔式電站的鏡場設計和布置也日趨複雜，某些塔式電站甚至會採用多塔結構，也要求有支持類似複雜結構的定日鏡控制系統。在保證定日鏡控制系統基本功能得以實現的基礎上，如何降低成本已經成為光熱發電領域一個迫切需要解決的問題。

發明內容
本發明的目的是針對目前塔式光熱電站定日鏡跟蹤控制技術的ー些不足之處，提供一種低成本、可靠、高效的塔式光熱電站定日鏡分區控制系統。為了實現上述目的，本發明提供一種用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，用於對塔式太陽能熱電站的鏡場中的定日鏡裝置5進行分區控制，包括主控機1、區控機3以及定日鏡控制器4;其中，所述的主控機I用於控制和管理鏡場中所有的定日鏡裝置5 ；所述的區控機3至少有一臺，每一臺區控機3根據所述的主控機I所發出的控制命令控制所在分區下所有的定日鏡控制器4 ；所述的定日鏡控制器4至少有一臺，每臺定日鏡裝置5配置一臺定日鏡控制器4，定日鏡控制器4根據所述的區控機3所發出的控制命令控制定日鏡裝置5。上述技術方案中，還包括數據存儲2 ;所述的數據存儲2用於記錄和存儲有關定日鏡裝置5的數據信息。上述技術方案中，所述的主控機I包括定日鏡跟蹤控制模塊、定日鏡管理模塊、分區管理模塊和系統管理模塊等；其中，所述的定日鏡跟蹤控制模塊用於控制定日鏡裝置5的對日跟蹤，能夠支持自動控制和手動控制；所述的定日鏡管理模塊用於對定日鏡裝置5進行單獨管理，包括時間同步、將定日鏡裝置5歸位以及清洗定日鏡裝置5在內的維護操作；所述的分區管理模塊用於對定日鏡分區進行管理，能夠同時對ー個分區內的所有定日鏡裝置5進行統一管理；所述的系統管理模塊用於對系統信息和用戶權限在內的系統操作進行管理。上述技術方案中，所述的區控機3包括定日鏡跟蹤控制模塊、定日鏡管理模塊；其中，所述的定日鏡跟蹤控制模塊存儲有所在分區內所有的定日鏡裝置5的包括經緯度地理參數、集熱器目標位置在內跟蹤參數，根據太陽運行的天文公式實時計算定日鏡裝置5的運行結果，將相應的控制命令發送給所述的定日鏡控制器4，再由所述的定日鏡控制器4控制定日鏡裝置5完成定日跟蹤動作；所述的定日鏡管理模塊用於對區控機3所在分區內的定日鏡裝置5進行統一管理。上述技術方案中，所述的定日鏡控制器4包括就地控制模塊、網絡通信接ロ、控制晶片；其中，所述的就地控制模塊用於直接對定日鏡裝置5進行手動控制；所述的網絡通信接ロ用幹與所述區控機3進行通信；
所述的控制晶片用於接收來自區控機3的控制命令，控制定日鏡裝置5來實現定日鏡的驅動和跟蹤。上述技術方案中，位置相近並且跟蹤參數一致的多臺定日鏡裝置5組成ー個分區，由一臺區控機3控制，便於進行統ー管理。上述技術方案中，在以塔式太陽能熱電站中的吸熱塔為圓心的半徑方向上處於同一列且水平方向控制參數一致的多個定日鏡裝置5組成ー個分區。上述技術方案中，在以塔式太陽能熱電站中的吸熱塔為圓心的同心圓圓弧上處於同一行且俯仰方向上的控制參數一致的多個定日鏡裝置5組成ー個分區。本發明的優點在於本發明採用主控和區控的多層控制結構，由定日鏡及相關軟硬體構成ー個有機整體，能夠實現對多達幾千面定日鏡的高精度跟蹤控制和管理，經實際測試，高效、穩定、可靠、使用方便，為實現大規模電站建設積累了寶貴的技術基礎。另外，本發明能夠靈活地適應擁有任意數量定日鏡的鏡場控制以及單塔多塔光場結構，給定日鏡控制、定日鏡網絡拓撲和光場設計帶來很好的弾性。


圖1是本發明的定日鏡分區控制系統在ー個實施例中的結構示意圖；圖2是ー個實施例中按扇形布局分區的單塔鏡場示意圖；圖3是ー個實施例中的主控機控制流程圖。
圖面說明I主控機2數據存儲 3區控機4定日鏡控制器5定日鏡裝置6吸熱塔7定日鏡單元 8 一列定日鏡單元
具體實施例方式現結合附圖對本發明進行詳細描述。圖1為本發明所述的塔式電站定日鏡分區控制系統在ー個實施例中的結構示意圖。該分區控制系統用於對塔式電站的定日鏡鏡場中的各個定日鏡進行控制。如圖所示，該分區控制系統包括主控機1、區控機3、數據存儲模塊2以及定日鏡控制器4，其中，所述的主控機I有一臺，用於控制和管理鏡場中所有的定日鏡裝置5;所述定日鏡鏡場中的所有定日鏡被分為若干個分區，一臺區控機3用於對其中ー個分區中的定日鏡控制器4進行控制；所述定日鏡控制器4用於控制定日鏡裝置5，每臺定日鏡裝置5配置一臺定日鏡控制器4 ；所述的數據存儲模塊2用於存儲與所有的定日鏡裝置5有關的數據。所述的主控機I連接到各個區控機3上，而所述的區控機3則連接到本分區內的各個定日鏡裝置5上所配置的定日鏡控制器4。所述的數據存儲模塊2直接與主控機I連接。下面對分區控制系統中的各個模塊做進ー步的說明。主控機I用於控制和管理鏡場中所有的定日鏡裝置5。主控機I包括定日鏡跟蹤控制模塊、定日鏡管理模塊、分區管理模塊和系統管理模塊等。其中，所述的定日鏡跟蹤控制模塊用於控制定日鏡裝置5的定日跟蹤，用戶可以使用主控機I命令鏡場中所有的或者指定的一臺到多臺定日鏡裝置5開始跟蹤或者結束跟蹤，用戶也可以對某一臺定日鏡裝置5進行遠程手動控制。通常，定日鏡跟蹤控制模塊是以分區跟蹤控制的形式來進行控制的，即定日鏡跟蹤控制模塊通過區控機3，使得某ー個分區的定日鏡裝置5同時開始跟蹤或結束跟蹤，並且在跟蹤過程中擁有同樣的目標位置和擁有某些相同的跟蹤參數。所述的定日鏡管理模塊用於對定日鏡裝置5進行除定日跟蹤之外的日常管理，包括時間同步、將定日鏡裝置5歸位以及清洗定日鏡裝置5在內的維護操作等。所述的分區管理模塊用於對區控機3控制下的ー個分區的定日鏡裝置5進行統一管理，例如，能同時同步ー個分區下所有定日鏡裝置5的當前時間。所述的系統管理模塊對系統信息和用戶權限等系統操作進行管理。區控機3用於控制和管理區控機3所在分區內所有的定日鏡裝置5。與主控機I類似，區控機3包括定日鏡跟蹤控制模塊、定日鏡管理模塊等。其中，所述的定日鏡跟蹤控制模塊存儲有所在分區內所有的定日鏡裝置5的經緯度地理參數、集熱器目標位置等跟蹤參數，再根據太陽運行的天文公式實時計算定日鏡裝置5的運行結果，將相應的控制命令發送給定日鏡控制器4，再由定日鏡控制器4控制定日鏡裝置5完成定日跟蹤動作。將該功能放在區控機3上實現的好處在於分擔了主控機I的計算量，也降少了網絡通信量，不會形成系統瓶頸；而且每個區控機3可以有不同的集熱器目標位置，能靈活適應塔式電站鏡場的單塔或多塔等多種不同結構。所述的定日鏡管理模塊用於對區控機3所在分區內定日鏡裝置5進行統一管理。定日鏡控制器4用於直接控制定日鏡裝置5實現定日跟蹤。定日鏡控制器4包括就地控制模塊、網絡通信接ロ、控制晶片。其中，所述的就地控制模塊用於直接對定日鏡裝置5進行手動控制；所述的網絡通信接ロ用幹與區控機3進行通信；所述的控制晶片用於接收來自區控機3的控制命令，控制定日鏡裝置5來實現定日鏡的驅動和跟蹤。數據存儲模塊2所存儲的與所有的定日鏡裝置5有關的數據包括定日鏡的工作狀態和操作記錄。這些數據能用於統計一段時間內定日鏡的工作情況，比如定日鏡的有效エ作時間，為鏡場管理提供信息支持。在其他實施例中，所述分區控制系統也可不包含所述數據存儲模塊。所述分區控制系統主要用於對定日鏡裝置5進行控制，為了便於理解，下面對定日鏡裝置5做進ー步說明。定日鏡裝置5用於實現定日跟蹤。在本實施例中，定日鏡裝置5採用水平和俯仰雙軸跟蹤太陽的方式。所述定日跟蹤過程是通過定日鏡裝置5上的驅動機構實現的。定日鏡裝置5的驅動機構包括水平電機和俯仰電機。其中，所述的水平電機用於驅動定日鏡裝置5在水平方向進行運動，所述的俯仰電機用於驅動定日鏡裝置5在俯仰方向進行運動，從而使定日鏡裝置5具備精確的水平和俯仰姿態以跟蹤太陽。具有上述功能的定日鏡裝置5的實現為本領域技術人員所公知，不在此處做進ー步的說明。在分區控制系統中，如何對鏡場中的定日鏡進行分區會對定日鏡控制的效果、效率產生影響。下面結合不同的情況說明如何對鏡場進行分區，從而使得本發明所述的分區控制系統適應不同的鏡場布置。在設計和建設塔式光熱電站定日鏡鏡場時，以吸熱塔為圓心，鏡場中定日鏡可以採用扇形布局分區方式或者同心圓布局分區方式。
如圖2所示，在一個實施例中，單塔鏡場採用扇形布局分區方式，即每一列定日鏡縱向排列，布置在以吸熱塔6為圓心的半徑上。如圖所示，7為一臺定日鏡控制器4和一臺定日鏡裝置5的組合，簡稱為定日鏡單元；8為一列這樣的定日鏡單元，共有8個；該列定日鏡單元7在位置上相近，並且在水平方向上的控制參數一致，可以將它們分為一區，由一臺區控機3控制，便於進行統ー管理。在另ー個單塔鏡場的實施例中，同心圓布局分區方式的情況與扇形布局分區方式相反，每一行定日鏡単元7橫向排列，布置在以吸熱塔6為圓心的同心圓圓弧上。類似地，該行定日鏡単元7在位置上相近，並且在俯仰方向上的控制參數一致，可以將它們分為一區，由一臺區控機3控制，便於進行統ー管理。在一個多塔鏡場的實施例中，鏡場內有多個吸熱塔6,姆個吸熱塔6配置多臺定日鏡單元7，定日鏡単元7將太陽光發射聚焦到所在吸熱塔6的集熱器上。在這種情況下，可以將ー個吸熱塔6下的所有定日鏡単元7分為一區或多區，同一區中的定日鏡単元7從屬於同一吸熱塔6，一個區中的定日鏡単元7由一臺區控機3控制，便於進行統ー管理。以上是對本發明的定日鏡分區控制系統的描述，下面結合該系統，以工作命令為例，說明分區控制系統的主要控制流程。工作命令是指控制定日鏡裝置5進入跟蹤太陽狀態並將太陽光聚焦到吸熱塔6的集熱器上的命令。如圖3所示，本發明所述的分區控制系統能幫助用戶實現使用主控機I控制ー個分區的定日鏡裝置5進行工作。步驟101、用戶在主控機I上可以選擇某ー個分區，按下工作按鈕；主控機I發送工作命令到所選擇分區的區控機3 ；步驟102、區控機3接收到工作命令後，先計算出該分區下所有定日鏡裝置5的目標位置，再將目標位置和工作命令發送到定日鏡控制器4 ；步驟103、定日鏡控制器4先使用接收到的目標位置計算出定日鏡裝置5需要的水平和俯仰運動參數，再發送相應的運動命令到定日鏡裝置5上的水平電機和俯仰電機；步驟104、定日鏡裝置5按命令跟蹤太陽和實現聚焦。最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，其特徵在於，用於對塔式太陽能熱電站的鏡場中的定日鏡裝置(5)進行分區控制，包括主控機(I)、區控機(3)以及定日鏡控制器⑷；其中， 所述的主控機(I)用於控制和管理鏡場中所有的定日鏡裝置(5)； 所述的區控機(3)至少有一臺，每一臺區控機(3)根據所述的主控機(I)所發出的控制命令控制所在分區下所有的定日鏡控制器(4)； 所述的定日鏡控制器(4)至少有一臺，每臺定日鏡裝置(5)配置一臺定日鏡控制器(4)，定日鏡控制器(4)根據所述的區控機(3)所發出的控制命令控制定日鏡裝置(5)。
2.根據權利要求1所述的用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，其特徵在於，還包括數據存儲(2);所述的數據存儲(2)用於記錄和存儲有關定日鏡裝置(5)的數據信息。
3.根據權利要求1或2所述的用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，其特徵在於，所述的主控機(I)包括定日鏡跟蹤控制模塊、定日鏡管理模塊、分區管理模塊和系統管理模塊等；其中， 所述的定日鏡跟蹤控制模塊用於控制定日鏡裝置(5)的對日跟蹤，能夠支持自動控制和手動控制； 所述的定日鏡管理模塊用於對定日鏡裝置(5)進行單獨管理，包括時間同步、將定日鏡裝置(5)歸位以及清洗定日鏡裝置(5)在內的維護操作； 所述的分區管理模塊用於對定日鏡分區進行管理，能夠同時對一個分區內的所有定日鏡裝置(5)進行統一管理； 所述的系統管理模塊用於對系統信息和用戶權限在內的系統操作進行管理。
4.根據權利要求1或2所述的用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，其特徵在於，所述的區控機(3)包括定日鏡跟蹤控制模塊、定日鏡管理模塊；其中， 所述的定日鏡跟蹤控制模塊存儲有所在分區內所有的定日鏡裝置(5)的包括經緯度地理參數、集熱器目標位置在內跟蹤參數，根據太陽運行的天文公式實時計算定日鏡裝置(5)的運行結果，將相應的控制命令發送給所述的定日鏡控制器(4)，再由所述的定日鏡控制器(4)控制定日鏡裝置(5)完成定日跟蹤動作； 所述的定日鏡管理模塊用於對區控機(3)所在分區內的定日鏡裝置(5)進行統一管理。
5.根據權利要求1或2所述的用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，其特徵在於，所述的定日鏡控制器(4)包括就地控制模塊、網絡通信接口、控制晶片；其中， 所述的就地控制模塊用於直接對定日鏡裝置(5)進行手動控制； 所述的網絡通信接口用於與所述區控機(3)進行通信； 所述的控制晶片用於接收來自區控機(3)的控制命令，控制定日鏡裝置(5)來實現定日鏡的驅動和跟蹤。
6.根據權利要求1或2所述的用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，其特徵在於，位置相近並且跟蹤參數一致的多臺定日鏡裝置(5)組成一個分區，由一臺區控機(3)控制，便於進行統一管理。
7.根據權利要求6所述的用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，其特徵在於，在以塔式太陽能熱電站中的吸熱塔為圓心的半徑方向上處於同一列且水平方向控制參數一致的多個定日鏡裝置(5)組成一個分區。
8.根據權利要求6所述的用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，其特徵在於，在以塔式太陽能熱電站中的吸熱塔為圓心的同心圓圓弧上處於同一行且俯仰方向上的控制參數一致的多個定日鏡裝置(5)組成一個分區。
全文摘要
本發明公開了一種用於塔式太陽能熱電站的定日鏡分區控制系統，用於對塔式太陽能熱電站的鏡場中的定日鏡裝置進行分區控制，包括主控機、區控機以及定日鏡控制器；其中，主控機用於控制和管理鏡場中所有的定日鏡裝置；區控機至少有一臺，每一臺區控機根據主控機所發出的控制命令控制所在分區下所有的定日鏡控制器；定日鏡控制器至少有一臺，每臺定日鏡裝置配置一臺定日鏡控制器，定日鏡控制器根據區控機所發出的控制命令控制定日鏡裝置。本發明提供了一種用於對大規模塔式電站鏡場中數量眾多的定日鏡進行實時控制的控制系統，結構靈活，可靠性高，有利於塔式電站的推廣與應用。
文檔編號G05B19/418GK103019220SQ20121058998
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者姚志豪, 羅田唯 申請人:首航節能光熱技術股份有限公司