5千瓦太阳能热发电活塞式气动发动机控制系统的研究

摘要

随着社会的快速发展,能源利用率也越来越高,随之而来的是非可再生能源的短缺,这也将制约经济的发展,成为不容忽视的问题。寻求新能源,提高能源的利用率成为当务之急。太阳能热发电也慢慢进入人们的视野,其发展速度也越来越快。气动发动机利用压缩气体或液氮在气缸内迅速膨胀推动活塞做功,通过曲轴连杆机构对外输出机械能,可以实现有害气体的零排放且不需要燃烧化石燃料,从而利用气动发动机带动发电机进行发电。这为太阳能热发电提供了一种新的热功转换装置。
　　气动发动机的基本工作过程包括进气冲程(做功冲程)和排气冲程,本课题通过对此工作过程进行了探讨,并系统任务结合任务需求对气动发动机控制系统进行了总体设计。
　　利用柴油机的成熟技术,在其基础上进行了气动发动机机体的改制。将原有的凸轮轴机构、柴油供给系统等不需要的部件拆除;对配气机构进行改造,重新设计了配气管路,并在管路上加装电磁阀。
　　所设计的控制系统的硬件主要包括处理器、外围电路、数据采集单元、功率调节单元以及电磁阀的驱动电路。软件设计部分分为上位机软件设计和下位机软件设计。下位机(DSP)主要完成了位置的检测和功率的调节,并根据位置和功率调节信息来确定电磁阀的开关时序,并以此进行逻辑判断,维持气动发动机的稳定运行,同时,通过自定义通信协议和串行接口将转速和位置信息等反馈给上位机(PC)。上位机接收到数据后通过虚拟仪器平台LabVIEW进行数据处理,按相同的通信协议进行解析,并进行数据显示,发送简单的操控指令。
　　通过实验和对实验数据的分析,得出转速随进气压力和进气角度增大而升高的结论等;也证明了气动发动机改造的可行性,为研发节省了时间。
　　本课题的创新性有:去除不必要的机械结构,将气动发动机与电控系统结合;可以实现灵活控制,结合适宜的控制策略;可以实现提升气动发动机的效率和气体的利用率;为研究气动发动机的经济性和动力性提供平台,也为太阳能热发电提供一种新型的热能-机械能转换装置,值得继续深入研究。

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1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 电力生产的方式

1.3 太阳能热发电系统现状与发展趋势

1.4 课题的目的和意义

2 太阳能热发电活塞式气动发动机控制系统的设计

2.1 气动发动机的基本工作过程

2.2 太阳能热发电活塞式气动发动机控制系统的总体设计方案

3 太阳能热发电活塞式气动发动机控制系统的硬件设计

3.1 气动发动机机体改装方案

3.2 控制器单元的设计

3.4 功率驱动单元的设计

4 太阳能热发电活塞式气动发动机控制系统的软件设计

4.1 编程语言和编程环境介绍

4.2 任务划分和下位机程序

5 实验及分析

5.1 实验平台的搭建

5.2 实验及分析

结论

参考文献

附录B 部分程序

在学研究成果

致谢