一种圆柱型光电探测器及其太阳跟踪系统特性研究

摘要

提高太阳能光热发电系统的效率除了需要发电系统本身运行稳定、可靠之外，还需要聚光跟踪控制系统有足够的跟踪精度，本文围绕怎样提高控制系统跟踪精度，开展了“程控+光控”的控制策略研究，设计了一种圆柱型光电探测器，进行了应用光电探测器后跟踪控制系统的误差及综合性能分析。
　　运用光学透镜聚光和光线追迹原理研究设计了一种圆柱型光电探测传感器，建立了该传感器的透镜聚焦光学模型，模拟了不同入射平行光线经透镜聚光、在焦平面上形成光斑的过程，分析了光电探测器的焦斑分布和光强分布、焦斑位置和焦距等特性。实验结果表明平行入射光经透镜聚焦后，光斑集中区域、光强分布均随偏转角递增而发生改变。
　　综合分析了多种跟踪控制方式的特点，提出了一种程序跟踪与光电跟踪结合“程控+光控”的跟踪控制方式，分析了“程控+光控”跟踪控制系统的工作原理与模块组成结构。在程序跟踪的基础上，建立了聚光器轴线与太阳入射光的角度偏转值作为光电跟踪系统初始输入信号的跟踪系统数学模型，串入PD误差校正调节，并选取相应控制调节比例参数，进行了跟踪控制系统稳定性分析，比较跟踪系统校正前后伯德图，发现系统的幅值、相位裕角等性能有了明显改善，从而验证了串入校正器的必要性。在MATLAB软件SIMULINK环境中，以光电探测器模块、PID调节器模块、伺服驱动系统模块模型为基础，搭建了“程控+光控”跟踪系统仿真平台，分析了光电探测系统对聚光器高度、方位角空间位置跟踪和聚光器的聚光精度的影响，并据此研究了太阳能聚光器聚光效率的高低。研究结果表明:采用了光电探测传感器的“程控+光控”跟踪控制系统的精度得到提高，保证了聚光效率和发电效率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外探测跟踪技术研究现状

1．3 存在的主要问题

1．4 本课题来源和主要研究内容

1．5 论文章节安排

第二章 光电探测器整体结构设计及性能测试

2．1 整体结构设计与研究

2．1．1 探测器透镜聚光原理

2．1．2 探测器透镜聚光光强分布

2．1．3 探测器透镜聚光光强模拟仿真

2．1．4 探测器结构、工艺模型

2．2 探测器工作原理分析

2．2．1 光电探测信号追踪电路

2．2．2 信号比较放大电路

2．2．3 信号处理分析

2．3 光电探测器的性能测试

2．3．1 测试光敏电阻特性

2．3．2 探测器光强响应度测试

2．4 本章小结

第三章 太阳能跟踪系统的构成及控制方式分析

3．1 跟踪控制系统的设计要求

3．2 系统整体设计与原理分析

3．3 光电探测跟踪控制系统

3．4 跟踪类型与方案的选择探讨

3．4．1 程序跟踪控制方案

3．4．2 光电跟踪控制方式

3．4．3 碟式太阳能热发电跟踪方式探讨分析

3．5 本章小结

第四章 “程控+光控”控制系统及其误差校正

4．1 “程控+光控”控制系统构成和原理分析

4．1．1 光电信号探测处理模块

4．1．2 PLC控制器选型及其接口分析

4．1．3 伺服电机控制模块

4．1．4 信号反馈模块

4．1．5 跟踪系统电气控制柜

4．2 跟踪误差校正系统设计与特性分析

4．2．1 跟踪系统误差校正数学模型

4．2．2 探测器校正系统稳定性分析

4．2．3 误差校正器控制调节方式对比分析

4．3 本章小结

第五章 光电跟踪系统综合性能分析

5．1 光电跟踪系统信号特性分析

5．1．1 基于MATLAB／simulink探测跟踪系统模块构建

5．1．2 探测跟踪系统信号特性仿真结果分析

5．2 光电跟踪效果对比分析

5．2．1 太阳能跟踪精度对比分析

5．2．2 太阳能聚光效率对比分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间参研项目和发表论文目录