CN109857154B - 一种菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪方法和装置，在一套菲涅尔聚焦系统中，几十个长条形反射镜通过同样规格的涡轮连接到一根长蜗杆上，各反射镜初始位置不同，由驱动电机带动蜗杆轴的转动，带动所有反射镜以同样角度旋转；以光电传感器定位和跟踪太阳方位，以阳光跟踪齿轮系统自动确定反射镜转动角度；以一套蜗轮蜗杆系统控制所有反射镜同步转动；太阳阳光每转过θ角，所有反射镜将同步转过同样的θ/2角，使反射光束始终反射到收集器上，本发明简单方便，直接利用光电传感器跟踪太阳运动，利用机械系统控制反射镜同步转动，实现反射式跟踪，控制方便，能够提高跟踪效率，降低成本。

Description

一种菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪方法和装置

技术领域

本发明涉及一种反射式太阳跟踪技术，属于太阳能应用技术领域；主要应用于菲涅尔式太阳能热发电系统中，也可应用于塔式光热发电系统中和其它反射式光学聚焦系统中的光源跟踪。

背景技术

太阳能光热发电系统不同于目前常用的光伏发电系统，它是利用反射镜将太阳光反射聚焦到集热系统中，加热工作物质形成蒸汽，推动汽轮机进行发电。整个过程类似于火力发电，只是产生蒸汽不是以燃烧煤、天然气等化石能源，而是通过收集吸收太阳光中的能量来进行。相对于光伏发电，光热发电不是利用光伏效应产生直流电再逆变产生交流电，而是利用热蒸汽驱动汽轮机发电，与目前火力发电系统兼容，电力输出谐波成分少，电力稳定，与电网兼容性好，同时设置热能储存系统，可以实现24小时连续发电。光热发电常用的形式有塔式、槽式、碟式和菲涅尔式等几种形式，目前塔式和槽式具有成本优势，有一定的商业价值。菲涅尔式与槽式类似，但它不是以抛物面槽进行线聚焦，而是以许多面长条形反射镜将太阳光聚焦到一个线形的收集器中。菲涅尔式光热系统具有迎风面小、反射镜加工简单的特点。

太阳相对于我们从早到晚是在由东到西运动，对于光伏系统来说，要提高太阳光利用效率，需要光伏电池板一直正对着太阳并跟踪太阳运动。技术上只要光伏电池板上安装一个四象限光电传感器，通过控制系统使传感器始终正对太阳，实现起来相对简单。而对于反射式太阳能光热系统中，要让阳光始终反射到集热器中，反射镜并不始终正对太阳，其与太阳光线的夹角始终在变化。

目前国内外关于光热系统中太阳跟踪控制的方法文献不多，而菲涅尔式光热系统起步较晚，相关研究进行的也较少。目前常用的控制手段是利用本地的经纬度数据算出某时刻的太阳方位，再根据反射镜与光学接收器的相对方位、高度、距离等参数计算出每一面反射镜的角度，给步进电机控制信号，控制和调整反射镜的角度，来实现太阳跟踪。在这个过程中有可能带来计算误差和导致误差累积。还需要利用光电传感器组成的闭环控制来修正反射镜角度，控制系统复杂，成本高。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪方法，简单方便，直接利用光电传感器跟踪太阳运动，利用机械系统控制反射镜同步转动，实现反射式跟踪，控制方便，能够提高跟踪效率，降低成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪方法，在一套菲涅尔聚焦系统中，几十个长条形反射镜通过同样规格的涡轮连接到一根长蜗杆上，各反射镜初始位置不同，由驱动电机带动蜗杆轴的转动，带动所有反射镜以同样角度旋转；太阳阳光每转过θ角，所有反射镜将同步转过同样的θ/2角，使反射光束始终反射到收集器上。

一种菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪装置，具体结构包括菲涅尔聚焦系统、阳光跟踪齿轮系统、光电传感器、控制电路和软件系统；

所述菲涅尔聚焦系统中，几十个长条形反射镜通过同样规格的涡轮连接到一根长蜗杆上，各反射镜初始位置不同，由电机驱动蜗杆轴的转动，所述阳光跟踪齿轮系统安装在其中一个反射镜上；

所述阳光跟踪齿轮系统，它有四个齿轮组成。齿轮一的齿数是齿轮二齿数的2倍，齿轮三和四齿数相等，齿轮一和三同轴不同步，齿轮二和四同轴且同步，所述光电传感器固定在齿轮三上，齿轮一固定在反射镜转动轴上，

光电传感器采用单轴两象限形式，光电传感器通过伺服电路连接驱动电机，所述软件系统连接菲涅尔聚焦系统、阳光跟踪齿轮系统、光电传感器。

本发明所述光电传感器采用圆筒式、挡板式或三角形式，结合起来使用，可以提高精度，增加搜索角度。

本发明所述驱动电机安装在蜗杆轴上，或者安装在反射镜转动轴上，或者安装在阳光跟踪齿轮系统上。

本发明的有益效果是：

本发明所述的菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪方法，以光电传感器定位和跟踪太阳方位，以一套齿轮系统自动确定反射镜转动角度；以一套蜗轮蜗杆系统控制所有反射镜同步转动；避免的各个计算过程，减少计算误差和累积误差，控制系统简单，跟踪效率提高，成本较低，光电传感器的精度保证了跟踪精度。

附图说明

图1反射镜同步转动涡轮蜗杆结构。

图2光线反射的角度关系。

图3阳光跟踪齿轮系统。

图4光电传感器结构示意图。

图5 控制电路流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图所示，本发明所述的菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪方法，在原有菲涅尔光热发电系统的基础上，增加光电传感器定位和跟踪太阳方位，增加一套阳光跟踪齿轮系统自动确定反射镜转动角度；以一套蜗轮蜗杆系统控制所有反射镜同步转动；使反射光束始终反射到收集器上，避免的各个计算过程，减少计算误差和累积误差，控制系统简单，成本较低。

工作原理是：太阳相对于我们从早到晚是在由东到西运动，对于反射式太阳能利用系统，要让阳光始终反射到集热收集器中，反射镜不能正对太阳，要让其与太阳光线的夹角始终在变化，不能照搬光伏系统的太阳跟踪系统。对于反射镜，入射光线和反射光线对称分布于反射镜法线两侧。如图2所示，只有当太阳、收集器和反射镜在一直线时，入射光线、反射光线、法线重合，反射镜正对太阳。当太阳入射光线相对于此时转过θ角，只有反射镜及其法线转过θ/2角，反射光线才能依然反射到收集器，如图2中反射镜2的情况。在这样反射式太阳能利用系统中，要太阳光线始终反射到收集器，需要保证反射镜2转动的角度是太阳转过角度的一半。

根据这个原理，本发明设计图3所示的阳光跟踪齿轮系统7，它有四个齿轮组成。齿轮一的齿数是齿轮二齿数的2倍，齿轮三和四齿数相等，齿轮一和三同轴不同步，齿轮二和四同轴且同步，这样齿轮一转过一周，齿轮二、三和四转过2周，即齿轮二、三和四转过的角度是齿轮一转过角度的2倍。这样，本发明在齿轮三上固定一个光电传感器，齿轮一固定在反射镜转动轴上，光电传感器用来跟踪太阳转角，每转过θ角，齿轮三转过θ角，该齿轮系统带动齿轮一和反射镜转过θ/2角，由图2的光线反射原理，反射光束将反射到收集器。

其中光电传感器可以直接使用目前光伏系统的光电传感器，在光伏系统中，为了提高太阳光的利用效率，要使光伏电池始终正对太阳。其光电传感器主要采用四象限光电传感器等，具体有多种结构形式。而菲涅尔式光热发电系统一般将反射镜和线形收集器南北向放置，在一天中反射镜单轴旋转，其光电传感器可以简化为单轴两象限形式。如图4（a）所示为挡板式，两个完全相同的太阳电池由一块挡板分隔，图4（b）是三角形式，以截面为等腰三角形的三棱柱为基础，两个完全相同的太阳电池紧贴在对称的两个侧面。当太阳光斜入射时，由于挡板形成阴影，或倾斜形成光通量差异，导致两个太阳电池上输出电流不同，只有当该光电传感器正对太阳时，两个太阳电池输出相同。图4（c）是圆筒式，圆筒上口的透镜将阳光在筒底成像，落在底面两个相同太阳电池上，只有当太阳直入射时，两个太阳电池输出相同。相比较而言，圆筒式光线接收角度小，但精度高，挡板式或三角形式接受角度大，但精度低。将两者结合起来使用，可以提高精度，增加搜索角度。一般情况下用一个传感器就可以了，如果精度要求高的话，可以a或b结合c来用，粗跟踪可以用a或b两个传感器，比如每天早晨开始，由于其跟踪角度大，可以用a或b大角度搜寻太阳，大致对准了，以c传感器为准来精细跟踪，使得跟踪精度提高。利用这样的光电传感器，比较传感器中两个太阳电池输出，通过一个伺服电路控制驱动电机，调整光电传感器轴向方向，直到两个太阳电池输出相同，此时光电传感器正对太阳，实现跟踪太阳的目的。

根据前述原理，太阳阳光每转过θ角，所有反射镜将同步转过同样的θ/2角。这样一套菲涅尔聚焦系统中几十个长条形反射镜只需安装一个齿轮跟踪系统，可任意安装在一个反射镜上，可以用同步机械系统实现反射镜同步转动。我们设计用蜗轮蜗杆系统实现所有反射镜同步，如图1所示，每一个反射镜通过同样规格的涡轮连接到一根长蜗杆上，由电机驱动蜗杆轴的转动，带动所有反射镜以同样角度旋转。但各反射镜由于所处相对位置不同，初始角度不同，需要根据具体位置参数进行设置调整。驱动电机可以安装在蜗杆轴上，也可以安装在反射镜转动轴，或者太阳跟踪齿轮系统上。

图5是控制电路和软件系统的工作流程图。系统工作开始，需要先检测环境光强，当周围亮度较低时，表明是黑夜或是阴天，只有白天天气较好时，才进行太阳跟踪，阈值1的参数值根据各地的实际情况来设定。在天气较好时，检测光电传感器中两个太阳电池的输出电流I1和I2，当这两个参数相差很小时，可认为传感器已经正对太阳，阈值2的参数值设定一个较小的数值，其大小要根据电路参数和传感器的精度来设定。如果两个太阳电池的输出电流相差较大，需要比较两者的大小，从而控制电机的转动方向，直到两者接近相等。返回进行下一次比较控制。

本发明所述的阳光跟踪齿轮系统，采用单轴的反射式跟踪，如果采用两套这样的齿轮系统分别控制反射镜在两个轴向的旋转，可以实现双轴跟踪，从而可以用于塔式光热发电系统中反射镜的跟踪控制。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (1)

1.一种菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪方法，其特征在于：在一套菲涅尔聚焦系统中，几十个长条形反射镜通过同样规格的涡轮连接到一根长蜗杆上，各反射镜初始位置不同，由驱动电机带动蜗杆轴的转动，带动所有反射镜以同样角度旋转；以光电传感器定位和跟踪太阳方位，以阳光跟踪齿轮系统自动确定反射镜转动角度；以一套蜗轮蜗杆系统控制所有反射镜同步转动；太阳阳光每转过θ角，所有反射镜将同步转过同样的θ/2角，使反射光束始终反射到收集器上；

菲涅尔光热发电系统中反射镜太阳跟踪装置，包括菲涅尔聚焦系统、阳光跟踪齿轮系统、光电传感器、控制电路和软件系统；

所述菲涅尔聚焦系统中，几十个长条形反射镜通过同样规格的涡轮连接到一根长蜗杆上，各反射镜初始位置不同，由电机驱动蜗杆轴的转动，所述阳光跟踪齿轮系统安装在其中一个反射镜上；

所述阳光跟踪齿轮系统，它有四个齿轮组成，齿轮一的齿数是齿轮二齿数的2倍，齿轮三和四齿数相等，齿轮一和三同轴不同步，齿轮二和四同轴且同步，所述光电传感器固定在齿轮三上，齿轮一固定在反射镜转动轴上，

光电传感器采用单轴两象限形式，采用圆筒式、挡板式或三角形式的一种或者几种组合，光电传感器通过伺服电路连接驱动电机，所述驱动电机安装在蜗杆轴上，或者安装在反射镜转动轴上，或者安装在阳光跟踪齿轮系统上，所述软件系统连接菲涅尔聚焦系统、阳光跟踪齿轮系统、光电传感器。

Images