第23卷Vol .23　第10期No .10重庆工学院学报(自然科学)Journal of Chongqing I nstitute of Technol ogy (Natural Science )2009年10月Oct .2009　3　收稿日期:2009-07-18基金项目:航空工业技术创新基金资助项目(HZ -KJ2005009).作者简介:刘巍(1963—),男,江苏靖江人,讲师,主要从事能源与环境工程,太阳能利用技术研究.碟式太阳能热发电系统刘　巍1,王宗超2(1.河海大学机电工程学院,江苏　常州　213022;2.清华大学深圳研究生院,深圳　518000)摘 要:在研究了碟式太阳能热动力发电系统的发展状况、研究动态及应用前景的基础上,对碟式太阳能热动力发电系统进行了设计和分析.由于碟式太阳能热发电系统中太阳跟踪装置是一个重要的组成部分,设计了光电跟踪和视日运动轨迹跟踪相结合的跟踪方式.在跟踪策略上,晴天采用光电跟踪,阴天采用视日运动轨迹跟踪,实现了全方位、高度角、全天候的自动跟踪.试验结果表明,在各种天气状况下,跟踪器能够稳定工作,取得了满意的效果.通过对碟式太阳能热发电系统的分析和设计,提出了一种合理的、高效的太阳能利用方式.关键词:热发电;碟式聚焦器;太阳跟踪;单片机;聚光器中图分类号:TK513.5 文献标识码:A文章编号:1671-0924(2009)10-0099-05D ish 2style Sol ar Ther ma l Power Genera ti on Syste mL IU W ei 1,WANG Zong 2chao2(1.College of Mechano 2electrical Engineering,Hehai University,Changzhou 213022,China;2.Postgraduate School,Shenzhen Ca mpus of Tsinghua University,Shenzhen 518000,China )Abstract:Based on the study of the devel opment,research situati on and app licati on p r os pect of a dish 2style s olar energy dyna m ic syste m ,this paper makes the design and analysis of the dish 2style s olar energy dyna m ic syste m.Due t o the sun tracking device as an i m portant co mponent in the dish 2style s olar ther mal power syste m ,this paper designs a track of the combinati on of phot oelectric tracking and the day move ment traject ory tracking .It can achieve the all 2r ound and high angle aut o matic trackingunder any kinds of weather,which uses op tical tracking way in sunny day and calendar 2reckoning method in cl oudy day .Experi m ents show that in any weather conditi ons,this tracker can work as designed and achieve satisfact ory results .By the analysis and design of the dish 2style s olar ther mal power syste m ,this paper puts f or ward a reas onable and efficient utilizati on method of s olar energy .Key words:ther mal power;dish 2style focusing device;sun tracking;SC M;s olar concentrat or 人们对能源开发和环境保护的呼声不断高涨,由于太阳能是一种清洁无污染的能源,取之不尽,用之不竭,它的开发、利用和转换已成为人类寻求新能源的热点,因此发展前景非常广阔.当今,利用太阳能发电已成为新能源利用的一种重要方法,利用太阳能发电已经成为全球瞩目的一个具有深远意义的研究课题[1-2].因此太阳能的应用受到广泛的关注,并已取得一定的成就,由于太阳光的聚焦高温及其纯净的特性,具有其他方式的能源没有的优势,在太阳能热利用方面,利用聚焦的方式获得高温的方法一般是采用大量的聚焦镜.根据这些聚焦镜与聚焦点的位置及能量转换方式的不同,被分为塔式、碟式和槽式[3].在这几种太阳能收集方式中,碟式太阳能聚焦器是相对较复杂、要求相对较高的一种方式,但其阳光收集的效率较高,且由于碟式聚焦器具有分布式能源的优点,其安装和设置相对容易,不需要专门的场地.但是碟式聚焦器的复杂特性,太阳能热利用中对其光学和机械系统的精度要求,使得无论在设计和加工、运行中都会遇到一些问题[4-5].因此,对碟式太阳能聚焦器装置的设计和加工、运行等问题的解决与归纳,对太阳能热利用领域装置的产业化和标准化,都有重要的意义.碟式太阳能聚焦器通常由支架、反射镜、支撑柱、传动机构、跟踪控制系统、热接收保持机构等部分组成.国内外很多建设成功的太阳能装置表明,为建设能源收集装置所付出的费用,占到整个电站总投资的45%～55%,可见在太阳能热发电中聚焦器技术的重要性,根据笔者经验,随着批量化、标准化技术的实现,聚焦器装置的单台成本将降低到研发样机的1/2左右.国内外现有的聚焦器研究状况表明,碟式太阳能聚焦器的设计与生产技术正朝着具有增加单台反射面积,降低驱动功率,扩大一次订货量以降低成本,有效利用创新技术,进一步优化性能与结构的趋势方向发展.1　系统组成碟式太阳能热发电是太阳能热发电技术的一种,基本原理是将入射的太阳辐射能汇聚起来,并转化为热能,在焦点处产生较高的温度用于发电.由于聚焦方式不同,碟式太阳能热发电的聚焦比可以达到最大,从而运行温度达到900～1200℃,在太阳能热发电方式中,蝶式太阳能热发电可以达到最高的热机效率[6].系统包括聚光器、跟踪控制系统、集热器、热电转换装置、电力变换装置和交流稳压装置.其中聚光器和跟踪控制系统是碟式太阳能热发电中最重要的组成部分[7].1.1　聚光器由于太阳辐射能量的密度很小,为了能够达到发电所需的温度,需要用聚光器把近似平行入射的大面积的太阳光汇聚到一个很小的面积上,从而使该面积上的能流密度增大,温度达到可以满足太阳能热发电的需要.反射面和吸收面的面积之比就是几何聚光比.实际应用中更关心聚光器的能量聚光比,即吸收体的平均能流密度和入射能流密度之比,数值上等于几何聚光比和光学效率的乘积.1.2　跟踪控制系统跟踪控制系统的作用是使聚光器的轴线始终对准太阳光线.跟踪太阳的方法有很多,总结起来有如下3种方式:光电跟踪、根据视日运动轨迹跟踪、2种跟踪方式的结合进行跟踪.因此,跟踪控制系统的实现也可以有多种方式,电控方式可以分为通过太阳传感器作为反馈进行的模拟控制和由计算机控制电机,并通过太阳传感器形成反馈的数字控制.为了提高系统的跟踪精度、增强系统的稳定性,采用光电跟踪和视日运动轨迹跟踪相结合的方式进行跟踪,该跟踪方式可以实现大范围内各种天气情况下的自动跟踪,可以满足各种需要跟踪装置的设备.1.3　集热器集热器将聚光器汇聚的光能转化为热能.为了使吸热面的热流密度不至于太大,焦点不能直接落在吸热面上,吸热面通常放置在焦点后方,焦点落在吸热腔体的开口上,开口应尽可能的小,以减小辐射和对流热损失.斯特林机的集热器有直接吸热和间接吸热2种形式.由于斯特林机的工质气体氢或者氦在高压下有较强的传热能力,直接吸热式可以吸收很大的热流密度,但是平衡汽缸内的温度和传热量是直接吸热式需要解决的一个问题.使用液态金属或者热管作为换热介质的间接吸热方式可以解决上述问题.热管换热器的温差很低,从而可以使斯特林机工作在一个较高的温度,得到较高的效率.1.4　热电转换装置碟式太阳能热动力发电装置的热电转换主要是采用自由活塞斯特林机作为原动机.自由活塞斯特林机是一种活塞式外燃机,在气缸内有一个配气活塞和一个动力活塞.气缸侧壁连接配气活塞上下室的旁路,循环工质通过旁路交替运动到001重庆工学院学报配气活塞的上室和下室.上室和热源交换器耦合,将吸热器的热量传递给工质,工质受热膨胀推动动力活塞运动做功,输出功率.下室通过中间介质回路把余热传递给回热器,工质通过旁路往复流动完成循环.热机提供的机械能带动发电机运转,可以进一步将机械能转化为电能.1.5　电力变换装置由于太阳能辐射随天气变化很大,所以热电转换装置发出的电力不是十分稳定,特别是小功率的便携式太阳能发电装置发出的电流小、电压低,不能直接提供给用户,需要经过整流、DC-DC 升压、储能、DC-AC逆变等环节的处理,才能输出220V的工频电.1.6　交流稳压装置碟式太阳能热动力发电系统发出的电经过电力变换装置变成220V的工频电可以直接提供给普通用户或并入电网,但并不能满足高精密负载的要求,需要在输入电压与负载之间增设一台高稳压精度的宽稳压范围的交流稳压装置.2　碟式聚焦器设计聚光设计的理论最优方案是抛物线反射面,由于抛物线设计没有球差,能够获得很好的聚焦效果.聚焦器由多块反射玻璃组成,因此每块玻璃及安装位置的不同而造成聚光效果不同,需要克服光线离轴位置的影响.反光碟支撑架采用三角形绗架形式.由于三角形结构稳定性好,其刚性、抗扭转等性能好.三角形设计,比一般方形的形状保持性能好.反光碟支撑架的基本结构元件采用圆管,采用工业标准中最薄的管件即可,其优点是力学性能均匀,四品长条形构件和外燃机托架的刚性很好,可作为支点使用.碟式聚焦器可分为反光镜组件、支架组件、驱动与传动组件、支撑柱、控制与跟踪系统、地面基座等几部分.反射镜的几何外形采用球面的形式,镀银反射面的保护采用复合材料与树脂涂层固化,采用中间过度层增加涂层的粘结牢度;树脂固化层与支撑结构的连接采用弹性胶连接,保证强度和刚性;反射采用普通玻璃,用控制其成型厚度的方式减少反射效率的损失;反光面安装钢架的形式选择三角形桁架结构,单立柱支撑,高度角采用丝杆传动,方位角度以高精度机械传动,也可采用一般精度齿轮传动+阻尼消间隙的方式实现;开闭环结合控制方式,以开环控制方式实现大范围跟踪、以闭环方式实现精确对准;聚焦器在正常休息位置时,采用发电机伸出臂端部固定,提高聚焦器的抗风能力,此时的反光面略朝下,背面略朝上,增强抗击冰雹、雪灾等的能力;该系统可以稳定工作30年,太阳聚焦器如图1所示.图1　太阳聚焦器3　跟踪控制系统设计开环控制太阳能跟踪器有很多优点,比如可以抵抗风等外界引起的干扰等等,从整体运行来看,开环控制在受到风力或者运行误差的干扰后,能够在一段时间内回到正确的跟踪位置,但其响应时间比较长,无法忍耐这样的系统在3级风速的天气下比较长的时间内设备不能正常工作.为了提高太阳能发电的效率、降低成本,太阳跟踪装置是太阳能发电系统中必不可少的装置,需要设计和研制一个能够实时对太阳进行大范围跟踪的太阳跟踪系统,能够实现在方位角360°和高度角180°范围内实时对太阳进行跟踪,使太阳接收面板始终与太阳光线垂直.为了更好地实现太阳能应用中对太阳的自动跟踪,对太阳能的利用效率有所提高,降低太阳能发电的成本.本装置采用视日运动轨迹跟踪作为初调节,光电跟踪作为精密跟踪调节,2种跟踪方式相结合可以增加系统的稳定性,实现大范围的各种天气状况下的跟踪.采用太阳跟踪与日历跟踪相结合的方式对太阳进行跟踪,加强系统的稳定性.开机后首先启动视日运动轨迹跟踪,跟踪完成后,判断太阳光强大101刘　巍,等:碟式太阳能热发电系统小是否满足光电跟踪的光强电压,当光强信号达到光电跟踪时启动光电跟踪,否则继续运行视日运动轨迹跟踪,直到光强信号达到光电跟踪的要求启动光电跟踪.太阳跟踪的方式是首先把光信号通过PS D 后输出太阳流,视日运动轨迹跟踪方式是系统从GPS 读取当前时间和当地的经纬度,根据时间和经纬度计算当前的太阳高度角和太阳方位角,每隔一段时间读取一次时间,计算一次太阳高度角度和方位角,同时计算出相邻2次之间的角度差,利用这个角度差来控制步进电机的转动时间.实践证明,这样的控制与跟踪设计是可行的,其跟踪精度达到了设计要求.硬件电路由探测器电路和中央控制电路组成,通过太阳池对光的采样和单片机的信息处理,给出控制信号,使步进电机运行,从而实现太阳的跟踪.四象限探测器信号采集电路如图2所示,信号采集电路主要是检测太阳的高度角和方位角的电压信号的大小,电路中包含四象限探测器输出的4路信号,四象限探测器经太阳光照射产生的微弱的太阳流,经过I/V 转换后经过LM324运算放大器放大后,进行东西方向的信号相减,南北方向的信号相减.得到太阳方位角和高度角的信号,把信号输入到单片机,单片机经过数据处理,给出控制信号判断电机的转动方向.由于东西方向和南北方向的信号采集电路完全一样,在图2中只画了东西方向的信号采集电路,南北方向的信号采集电路与东西方向完全一致.在整个系统的硬件设计中4个方向的信号采集电路全部进行了设计,由于模拟输入量大多数为电流信号,电流范围为0～50mA ,考虑到电路抗干扰性及采样的稳定性,将采样电路设计成图2所示.图2　四象限探测器信号采集电路 根据太阳跟踪控制系统要实现的功能,设计系统硬件,然后按各个功能模块分别对各单元电路进行设计.接下来进行总体电路设计,并考虑将来系统的功能扩展,构成一个完整的系统电路.太201重庆工学院学报阳光照射四象限探测器产生微弱的太阳流,电流经过I/V转换产生电压信号,电压信号经过运算放大电路后输出电压信号,经过数据采集电路处理后,输入到AT89C51单片机,经过数据处理后输出控制信号,控制步进电机的转动,实现对太阳的自动跟踪,完成整个系统的控制.主要包括数据传感器模拟电路设计、输入模块、显示模块、电源模块、电机驱动模块、时钟模块、GPS模块、串口电路等进行设计,实现稳定的系统,在各种天气情况下均能稳定的工作.4　结束语由于近年来我国关于太阳能热发电站的实用性研究和建设呈现良好的发展势头,该系统的研究和设计具有重要的意义.该系统长期稳定的运行,验证了系统设计的有效性及稳定性.由于控制系统是开环和闭环反馈系统,能很好地弥补系统各部分造成的系统误差,是一种完全可行方案,并在实际应用中运行良好,达到了预定要求.系统能够在正常天气与阴雨天气之间实现自动切换,无需人工调节.该系统具有结构简单、运行可靠、安装方便、跟踪精度高、成本低廉等特点.该系统能够推广到太阳能灶、太阳能热水器、太阳能电池、太阳能车,太阳能发电系统等各种需要太阳跟踪器的装置.聚焦器的长期稳定性试验数据是目前最缺乏的工业数据.零部件性能的优劣主要还是由设计方案决定了,其目标是维护方便、成本低、运行可靠.参考文献:[1]　方荣生,项立成.太阳能应用技术[M].北京:中国农业机械出版社,1985:27-39.[2]　郑飞.碟式太阳能热发电跟踪机构电路优化设计和实现[D].北京:中国科学院研究生院,2003:16-29.[3]　张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安:西北工业大学出版社,2003:234-245.[4]　P.A.Davies.S UN-T RACH I N G MECHAN I S M USI N GE QUAT OR I A L AND ECL I PTI CAXES[J].SolarEnergy,1993,50(6):487-489.[5]　W i llian A Lynch,Ziyad,M.Sala meh.SI M P LEE LECTRO-OPTI C ALLY C ONTROLLE D DUAL-AX I S S UN TRACKER[J].Solar Energy,1990,45(22):65-69.[6]　孙茵茵,鲍剑斌,王凡.太阳自动跟踪器的研究[J].机械设计与制造,2005(7):157-159.[7]　王春雷.五点法自动跟踪太阳装置[J].太阳能学报,2005(5):30-31.(责任编辑　陈　松)301刘　巍,等:碟式太阳能热发电系统。