太阳能热发电聚光系统的建模与控制策略研究

摘要

随着国际油价不断攀升和全球气候不断恶化，太阳能的开发和利用受到越来越多的关注和重视，新出台的国家“十二五”规划明确指出：太阳能热发电将成为国家未来五年大力扶持与推广的能源工程。塔式太阳能热发电技术具有较高的聚焦温度与集热效率，是所有大规模热发电技术中成本最低的一种方式。我国在这方面起步较晚，尚有很多关键问题亟待解决。本文对太阳运动规律、定日镜聚光跟踪控制、定日镜光斑参照系统、定日镜场优化控制等方面进行了研究，探索塔式太阳能聚光建模、控制及优化技术。具体内容如下：
　　(1)太阳运动规律的研究
　　根据太阳运动的特点，研究太阳运动模型，模拟了太阳运动轨迹在一天内的变化情况，总结太阳角度在一天内的变化规律。
　　(2)定日镜聚光跟踪模型建立与控制策略研究
　　建立了定目镜高度角、方位角全跟踪系统的几何模型，完成了定日镜聚光控制策略，仿真了一天内定日镜高度角、方位角的变化轨迹，分析定日镜角度变化规律。
　　(3)定日镜光斑参照系统的设计与定日镜的参数估计
　　针对定日镜开环控制的不足，基于光斑成像原理，建立光斑参照系统BCS(BeamCharacterization System)，提高了聚光系统的可靠性与精确性，并提出了一种基于非线性最小二乘法来实现参数估计的方法，建立定日镜的聚光追日模型。
　　(4)大规模定日镜场优化控制策略的研究
　　研究了不同时间、不同位置对定日镜反射光斑飘移轨迹的影响，总结光斑飘移规律，研究大规模定日镜场中定日镜控制周期的变化规律，设计定日镜场优化布局图，提出了大规模定日镜场优化控制策略。
　　本文提出了塔式太阳能热发电站中定日镜的聚光追日模型、聚光控制策略、光斑参照系统及大规模定日镜场优化控制策略，仿真结果验证了上述研究正确合理、切实可行，为提高定日镜的跟踪精度及太阳能集热效率，实现塔式太阳能热发电技术提供理论基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 能源现状

1.1.2 我国太阳能辐射资源现状

1.2 太阳能热发电技术概述

1.3 太阳能热发电的主要方式

1.3.1 塔式太阳能热发电

1.3.2 槽式太阳能热发电

1.3.3 碟式太阳能热发电

1.4 国内外塔式太阳能热发电系统的研究现状

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.5 本文的主要研究内容与论文结构

1.6 本章小结

第2章 太阳运动规律研究

2.1 太阳与地球的相对运动

2.2 太阳位置定义及相关角度计算

2.2.1 坐标系的选取

2.2.2 相关角度计算

2.3 太阳位置计算及软件实现

2.4 太阳运动规律研究

2.5 本章小结

第3章 聚光系统的建模与控制研究

3.1 定日镜的主要跟踪方式

3.1.1 视日轨迹跟踪法

3.1.2 光电传感器跟踪法

3.1.3 视日轨迹与光电传感器相结合的方法

3.2 定日镜聚光策略

3.2.1 反射原理及旋转矩阵原理

3.2.2 定日镜的角度定义

3.2.3 定日镜的聚光模型建立

3.2.4 定日镜追日仿真实验及分析

3.3 本章小结

第4章 基于光斑成像原理的定目镜精确追日控制的研究

4.1 BCS系统的建立

4.2 基于非线性最小二乘法的定日镜聚光模型

4.2.1 系统辨识的基础知识

4.2.2 模型的数据拟合及参数估计

4.3 定日镜光斑图像处理算法

4.3.1 数字图像处理技术

4.3.2 光斑图像处理的算法设计

4.3.3 仿真测试

4.4 系统仿真测试

4.5 本章小结

第5章 定日镜场的优化控制策略

5.1 引言

5.2 控制周期对反射光斑特性影响的研究

5.2.1 不同时刻，定日镜反射光斑飘移特性研究

5.2.2 不同位置，定日镜反射光斑飘移特性研究

5.3 全镜场定日镜优化控制周期研究

5.4 定日镜场性能比较

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢