塔式太阳能定日镜聚光成像策略的研究和控制系统设计.pdf

摘要太阳能热发电技术是2l世纪解决环境污染和能源危机的有效途径之一。太阳能热发电主要有槽式、碟式和塔式三种方式。其中,塔式太阳能热发电是大型太阳能发电中最为经济的发电形式。国外关于太阳能热发电的研究早在20世纪 70年代已经开展,并已取得很多研究成果,而我国在太阳能热发电领域的相关研究起步较晚。目前,如何实现大规模定日镜高精度跟踪和控制,已经成为阻碍塔式太阳能技术在我国应用的核心问题。本文从定日镜聚光策略、光斑成像建模和系统控制三个方面,对塔式太阳能定目镜控制系统进行了研究和探索。主要工作如下: (1) 太阳运动模型的研究。根据太阳运动的特点,基于几何光学理论, 建立了太阳三维运动模型,并通过仿真实现了太阳方位的精确计算。同时,设计了一套太阳方位的自动测量装置。(2) 定日镜聚光模型和控制策略的研究。基于机械动力学,运用欧拉旋转矩阵理论建立了双轴、三维的定日镜聚光运动模型,提出了定日镜聚光控制策略,并进行了仿真和实验验证及误差分析。此外,还进一步分析了定日镜聚光角度与太阳方位的变化规律。(3) 定日镜光斑成像模型的建立与研究。提出了一种定日镜光斑成像模型建立的方法,仿真模拟了不同时间、不同方位定日镜反射光斑的成像规律。并进行了实验验证。(4) 大规模定日镜控制系统的设计。提出了定日镜分布式调度的集群控‘‘制方法、基于精确时间同步的分时通信机制和模块化系统集成方案。仿真和实验结果表明,本文提出的塔式太阳能定日镜模型、聚光控制策略和光斑成像建模方法切实可行、跟踪精度较好;设计的控制系统具有可实现、结构简单、可靠性强等特点,能很好的适用于大规模定日镜控制。为深入研究塔式太阳能热发电技术,实现大规模定日镜的高精度、高效率跟踪控制奠定了良好的基础。关键词:塔式太阳能热发电。定日镜,聚光策略, n ABSTRACT Concentrating SolarPower(CSP)technology is one ofthe effective ways to solveenvironmental pollution andecological destruction problems inthe2 stcentury. CSP technologies exist mon forms,namely parabolic trough,dish Stirlings and solarpower tower,in which solarpower tower isthemost economical researches ofCSP technologies abroard started inthe 970’Sand have made many ,the relativeresearches intheCSP fieldstarted thesolarpower tower system,to achieve thehigh-precision control ofthe mass heliostatsis akeyproblem restricting itsapplication work mainly focuses on theresearches ofconcentrating strategy,imaging simulation and designing ofthecontrol system interms ofthemass heliostatscontrol for thesolar power tower technology andmakes explorations as follows. First,the solarmotion model isestablished based on geometric optics theories. A sun positioning algorithm isdesigned and fulfilledthrough work alsodesigned anautomatic apparatus formeasuring the sun position. Second,this work achieves heliostats modeling forthe solar power tower on thedynamics ofmachinery andEulerianangles matrix theories, an idealtwo-axis heliostatmo