用于槽式光热电站的槽式聚光器控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种用于槽式光热电站的槽式聚光器控制系统，用于对槽式光热电站的镜场中的槽式聚光器装置进行控制，包括总控模块以及槽式聚光器控制器；其中，总控模块用于控制和管理镜场中所有的槽式聚光器装置；槽式聚光器控制器至少有一台，每一台槽式聚光器控制器根据所述总控模块所发出的控制命令控制一台所述的槽式聚光器装置。本发明提供了一种能够同时实现热工控制与定日跟踪的控制系统，成本低，可靠性高，有利于槽式光热发电系统的推广与应用。

说明书

技术领域

本发明涉及光热发电领域，特别涉及用于槽式光热电站的槽式聚光器控制系统 及其控制方法。

背景技术

太阳能光热发电技术(英文名Concentrating Solar Power，简称CSP)利用聚光 器将太阳辐射能量反射到集热器上，集热器将太阳辐射能转换成热能，并通过热力 循环过程进行发电。作为太阳能大规模发电的重要方式，太阳能光热发电具有一系 列明显优点。首先，其全生命周期的碳排放量非常低，根据国外研究仅有18g/kWh。 其次，该技术在现有太阳能发电技术中成本最低，更易于迅速实现大规模产业化。 最后，太阳能光热发电还具有非常强的与现有火电站及电网系统的相容性优势。

太阳能光热发电技术主要有以下四种：槽式聚光热发电、塔式聚光热发电、碟 式聚光热发电和菲涅尔式聚光热发电。

目前，在上述的太阳能光热发电技术中，槽式聚光热发电技术最为成熟，应用 最为广泛。槽式聚光热发电系统是通过抛物面槽式聚光镜面将太阳光汇聚在焦线上， 在焦线上安装管状集热器，以吸收聚焦后的太阳辐射能。管内的流体被加热后，流 经换热器加热水产生蒸汽，借助于蒸汽动力循环来发电。该系统采用一维跟踪模式 跟踪太阳连续运转，跟踪简易，且光学效率较高，流体工作温度可达400℃，能够满 足发电的需要。

由槽式聚光热发电系统的上述工作原理可以看出，槽式聚光热发电系统要获得 最好的发电效能，系统中的槽式聚光器在工作时应当时刻与太阳处于一个最合适的 角度，由于太阳的位置会随着时间发生变化，因此槽式聚光热发电系统中的控制部 分应当控制槽式聚光器实现定日跟踪。按照被控制量对控制量是否存在着反馈，现 有的槽式聚光器的定日跟踪方式可分为闭环、开环和开闭环混合控制方式。目前有 许多研究和专利描述了不同的跟踪控制方法与系统。例如，作为参考文献1的美国 专利“US 2011/0168161A1，《Solar Trough Field System》”提到一种使用太阳传感器 调整中央步进电机来实现槽式聚光器定日跟踪的控制系统。这一定日跟踪控制系统 利用安装在槽式聚光器上的太阳辐射传感器来捕捉太阳当前的位置，然后控制槽式 聚光器以对准太阳当前的位置。该系统的缺陷是需要在槽式聚光器上专门安装太阳 辐射传感器，太阳辐射传感器价格不菲，而槽式聚光热发电系统中需要成百上千个 槽式聚光器，因此此类控制系统成本较高，不利于槽式聚光热发电系统的推广。

槽式聚光热发电系统要获得最好的发电效能，除了要做定日跟踪外，还需要保 持槽式聚光器中的集热管工作在理想温度，对集热管工作温度的调节也被称为热工 控制，用于实现热工控制的系统被称为热工控制系统。定日跟踪与热工控制是两个 紧密联系的过程，在定日跟踪的过程中时刻需要做热工控制操作，但在现有技术中， 定日跟踪与热工控制分别由定日跟踪控制系统与热工控制系统完成，这两套控制系 统相互独立，由不同的软硬件分别实现，结构复杂，成本高昂，不利于槽式聚光热 发电系统的推广，而且相互之间不易配合，容易发生故障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的槽式聚光器控制系统对定日跟踪与热工控制由独 立的部件完成，结构复杂、成本高昂的缺陷，从而提供一种高效、成本较低的控制 系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于槽式光热电站的槽式聚光器控制系 统，用于对槽式光热电站的镜场中的槽式聚光器装置4进行控制，包括总控模块1 以及槽式聚光器控制器3；其中，

所述的总控模块1用于控制和管理镜场中所有的槽式聚光器装置4；

所述的槽式聚光器控制器3至少有一台，每一台槽式聚光器控制器3根据所述 总控模块1所发出的控制命令控制一台所述的槽式聚光器装置4。

上述技术方案中，还包括数据存储模块2；所述数据存储模块2用于记录和存储 槽式聚光器装置的数据信息。

上述技术方案中，所述的总控模块1包括跟踪控制单元、热工监控单元；其中，

所述的跟踪控制单元控制槽式聚光器的定日跟踪，用户通过所述跟踪控制单元 命令镜场中所有的或者指定的一台到多台槽式聚光器装置开始定日跟踪或者结束定 日跟踪，或者用户通过所述跟踪控制单元对某一台槽式聚光器进行远程手动控制；

所述的热工监控单元监控槽式聚光器装置中的集热器的包括温度、导热介质流 量、集热管压力在内的热工数据，计算和显示每个槽式聚光器装置单独的以及镜场 总计的热功率。

上述技术方案中，所述的槽式聚光器控制器3包括控制单元24、通讯器25；其 中，

所述的通讯器25连接到所述的控制单元24，所述通讯器25从所述的总控模块 1接收控制命令，并将所接收到的命令发送给所述的控制单元24；

所述的控制单元24接收到所述总控模块1所发出的命令后，结合安装在槽式聚 光器装置4上的传感器所返回的信息以及自身所存储的信息生成控制指令，所述控 制指令驱动槽式聚光器装置4以实现定日跟踪或热工控制。

上述技术方案中，所述的槽式聚光器控制器3还包括就地控制柜，一个就地控 制柜与一台槽式聚光器装置相配套；用户通过所述就地控制柜发出控制命令，所述 控制单元24根据所述控制命令生成控制指令，所述控制指令驱动槽式聚光器装置4 以实现定日跟踪或热工控制。

上述技术方案中，所述的控制单元24接收安装在槽式聚光器装置4上的倾角传 感器所返回的槽式聚光镜面的实时倾斜角度，将该实时倾斜角度与目标角度进行比 较，根据比较结果计算旋转角度与方向，最后根据所述旋转角度与方向驱动所述槽 式聚光器装置4。

上述技术方案中，所述的控制单元24接收安装在槽式聚光器装置4上的温度传 感器所返回的温度信息，根据所述温度信息判断在定日跟踪过程中的槽式聚光器装 置4是否处于正常工作状态，对处于非正常工作状态的槽式聚光器装置4进行调整。

本发明还提供了一种在所述的用于槽式光热电站的槽式聚光器控制系统上实现 的控制方法，用于实现定日跟踪，该方法包括：

步骤101)、用户使用总控模块1命令槽式聚光器4进入工作状态，所述总控模 块1向控制所述槽式聚光器4的槽式聚光器控制器3发送工作命令；

步骤102)、所述槽式聚光器控制器3中的控制单元24收到工作命令后，根据所 述控制单元24所存储的天文公式、所述槽式聚光器4的地理参数以及当前时间参数， 计算得到所述槽式聚光器4跟踪太阳所需要旋转到的目标角度；

步骤103)、所述控制单元24从倾角传感器10获取所述槽式聚光器4的当前角 度，计算出所述槽式聚光器4要旋转的方向和角度大小；

步骤104)、所述控制单元24驱动电机14，控制第一液压杆11和第二液压杆18， 使所述槽式聚光器4进行旋转，直到所述槽式聚光器4的当前角度在精度范围内等 于目标角度。

本发明又提供了一种在所述的用于槽式光热电站的槽式聚光器控制系统上实现 的控制方法，用于实现热工控制，该方法包括：

步骤201)、槽式聚光器控制器3实时采集槽式聚光器装置4的温度传感数据T1 和工作状态数据S1；所述的工作状态数据S1用于指示槽式聚光器装置4是否处于定 日跟踪的工作状态；

步骤202)、根据步骤201)得到的温度传感数据T1和工作状态数据S1判断槽 式聚光器装置是否处于定日跟踪的工作状态，如果槽式聚光器装置处于定日跟踪工 作状态并且温度高于给定阈值，则处于非正常工作状态，执行下一步，否则，回到 步骤201)，继续监控过程；

步骤203)、判断所述槽式聚光器控制器3是否处于自动处理状态，如为自动处 理状态，所述槽式聚光器控制器3发出控制命令，驱动控制槽式聚光器装置中的部 件，使得槽式聚光器装置中的集热管偏离聚焦点，同时发送报警和处理信息到所述 总控模块1；如为手动处理状态，则暂停槽式聚光器装置的定日跟踪，向所述总控模 块1报警，等待维护人员进行手动维护。

本发明的优点在于：

本发明提供了一种能够同时实现热工控制与定日跟踪的控制系统，成本低，可 靠性高，有利于槽式光热发电系统的推广与应用。

附图说明

图1是本发明的槽式聚光器控制系统在一个实施例中的结构示意图；

图2是槽式聚光器装置在一个实施例中的结构示意图；

图3是一个实施例中用于槽式聚光器装置的液压驱动装置的结构示意图；

图4是一个实施例中槽式聚光器控制系统中的槽式聚光器控制器的结构示意图；

图5是一个实施例中热工控制流程的示意图。

图面说明

1  总控模块                  2  数据存储模块      3  槽式聚光器控制器

4  槽式聚光器装置            5  聚光器支架        6  槽式聚光镜面

7  集热管                    8  温度传感器        9  旋转支架

10 倾角传感器                11 第一液压杆        12 第一单向阀

13 第一三位四通电磁换向阀    14 电机              15 液压阀

16 溢流阀                    17 第二单向阀        18 第二液压杆

19 第三单向阀                20 第四单向阀

21 第二三位四通电磁换向阀    22 第一接收开关      23 第二接收开关

24 控制单元                  25 通讯器            27 流量传感器

28 压力传感器                29 第一控制钮        30 第二控制钮

31 第一温度传感器            32 第二温度传感器    33 第三温度传感器

34 电磁阀

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为本发明的槽式聚光器控制系统在一个实施例中的结构示意图，该控制系 统用于对镜场中的槽式聚光器装置4进行控制。如图所示，该控制系统包括总控模 块1、槽式聚光器控制器3以及数据存储模块2，其中，所述的槽式聚光器控制器3 至少有一台，每一台槽式聚光器控制器3控制一台所述的槽式聚光器装置4，所述的 总控模块1用于控制和管理镜场中所有的槽式聚光器装置4；所述的数据存储模块2 用于存储与聚光控制有关的数据。

在对本发明的槽式聚光器控制系统的各个组件做详细说明之前，首先对所述控 制系统所要控制的槽式聚光器装置的结构加以描述，以利于对本发明的理解。

如图2所示，所述的槽式聚光器装置包括聚光器支架5、槽式聚光镜面6、集热 管7、温度传感器8、旋转支架9、倾角传感器10、第一接收开关22、第二接收开关 23以及驱动装置(第一接收开关22、第二接收开关23和驱动装置未在图2中示出)； 其中，所述的槽式聚光镜面6镜面向上安装在所述聚光器支架5上，所述的集热管7 安装在所述槽式聚光镜面6上方的聚焦点位置；所述的温度传感器8安装在所述集 热管7上，用于实时监测温度，通常每根集热管按长度平均安装3到6个温度传感 器；所述旋转支架9安装在聚光器支架5上，用于驱动槽式聚光镜面6和集热管7 的旋转；所述第一接收开关22、第二接收开关23位于所述旋转支架9的两侧，用于 实现对所述旋转支架9的限位保护；所述倾角传感器10安装在旋转支架9上，用于 实时监测槽式聚光镜面6的倾斜角度。

槽式聚光器装置4在工作过程中主要涉及两方面的操作，一是实现其上的镜面 的对日跟踪，二是实现对集热管温度的热工控制。槽式聚光器装置4无论是要做对 日跟踪还是实现热工控制，都有赖于其上的驱动装置。通过该驱动装置对旋转支架9 的作用，驱动槽式聚光镜面6和集热管7的旋转(包括顺时针旋转或逆时针旋转)， 以实现槽式聚光镜面的对日跟踪或热工控制。在一个实施例中，用于驱动旋转支架9 的驱动装置为液压驱动装置，在图3中给出了该液压驱动装置的示意图。用于一台 槽式聚光器装置的一液压驱动装置包括：第一液压杆11与第二液压杆18，所述第一 液压杆11与第一单向阀12、第二单向阀17通过液压回路相连，而所述第二液压杆 18与第三单向阀19、第四单向阀20通过液压回路相连。所述单向阀12、17与一个 三位四通电磁换向阀13通过液压回路相连，所述单向阀19、20与一个三位四通电 磁换向阀21通过液压回路相连；所述单向阀和三位四通电磁换向阀用于控制液压杆 的活动方向；电机14与液压泵15连接，电机14通过驱动所述液压泵15控制液压 回路中的介质流动，进而控制前述液压杆11、18的活动；溢流阀16用于控制和稳 定液压压力。在其他实施例中，所述驱动装置也可采用其他种类以及其他结构的驱 动装置。

从上述的描述可以看出，要实现所述槽式聚光器装置的对日跟踪与热工控制， 需要本发明的控制系统发出相应的控制命令。下面对本发明的控制系统中的各个部 件做详细说明。

总控模块1用于控制和管理镜场中所有的槽式聚光器。总控模块1包括跟踪控 制单元、热工监控单元和镜场管理单元等。其中，所述的跟踪控制单元控制槽式聚 光器的定日跟踪，用户可以使用总控模块1命令镜场中所有的或者指定的一台到多 台槽式聚光器开始跟踪或者结束跟踪，用户也可以对某一台槽式聚光器进行远程手 动控制。热工监控单元监控槽式聚光器中的集热器温度、导热介质流量、集热管压 力等热工相关数据，计算和显示每个槽式聚光器单独的以及镜场总计的热功率。此 外，根据热工监控结果一旦发现某一槽式聚光器发生异常，该单元还会发出相应的 控制命令，以实现对槽式聚光器的调节。镜场管理单元用于对槽式聚光器进行除定 日跟踪、热工控制以外的日常管理，例如，将槽式聚光器归位以及清洗等操作。

数据存储模块2用于记录和存储槽式聚光器的各种数据信息，包括各种传感器 数据，工作状态和操作记录。积累诸如集热器温度、槽式聚光器热功率等详细的历 史数据，可以为管理和预测槽式聚光热发电系统的发电能力提供帮助。在其他实施 例中，槽式聚光器控制系统也可不包括所述数据存储模块2，以进一步降低成本。

参考图4，槽式聚光器控制器3包括控制单元24、通讯器25。所述的控制单元 24用于控制槽式聚光器实现定日跟踪以及热工控制。所述的通讯器25用于实现所述 槽式聚光器控制器3与总控模块1之间的通信。

所述的通讯器25连接到所述的控制单元24，所述通讯器25能够从所述的总控 模块1接收与定日跟踪或热工控制或镜场管理有关的控制命令，并将所接收到的命 令发送给所述的控制单元24。

所述的控制单元24接收到所述总控模块1所发出的命令后，结合槽式聚光器装 置上的传感器所返回的信息以及自身所存储的信息生成具体的控制指令，由这些控 制指令驱动槽式聚光器装置。在图4所示的实施例中，所述控制单元24分别连接到 位于槽式聚光器装置4上的倾角传感器10、流量传感器27、压力传感器28以及第 一温度传感器31、第二温度传感器32、第三温度传感器33，这些传感器所采集的信 息被传输到所述的控制单元24。具体的说，所述第一温度传感器31、第二温度传感 器32、第三温度传感器33位于所述集热管7中的不同测量点，这些温度传感器能够 实时测量这些测量点的温度，所测得的温度信息被提供给控制单元24后，控制单元 24可根据这些温度信息对热工控制过程发出相应的控制指令。在图4所示实施例中， 示意性地给出了三个温度传感器，但在实际应用中，温度传感器的数量并不限于三 个，可根据实际需要增减。位于旋转支架9上的倾角传感器10能够实时监测槽式聚 光镜面6的倾斜角度，该传感器测得的倾斜角度发送到控制单元24后，所述控制单 元24能够依据倾斜角度信息实现定日跟踪。用于测量槽式聚光器集热管中流质的流 量的流量传感器27所采集到的流量信息，以及用于测量槽式聚光器集热管的压力的 压力传感器21所采集到的压力信息通过控制单元24被传输给总控模块1，由总控模 块1根据此类信息做后续处理，如驱动电磁阀34来调节集热管中的流质的流量。

所述的控制单元24还连接到第一液压杆11、第二液压杆18、电机14、第一接 近开关22、第二接近开关23，所述控制单元24向所述第一液压杆11、第二液压杆 18、电机14发送控制指令，从所述第一接近开关22、第二接近开关23接收限位信 号。其中，所述的控制单元24根据从总控模块1所接收到的命令，生成控制指令并 发送到所述第一液压杆11、第二液压杆18、电机14，驱动所述旋转支架9的运动， 从而带动槽式聚光镜面6和集热管7的旋转，实现整个槽式聚光器装置的定日跟踪 或热工控制。所述的第一接收开关22、第二接收开关23分别位于槽式聚光器装置旋 转支架9的两侧，负责对旋转支架顺时或逆时俯仰转动的限位保护，当槽式聚光器 装置运动到某一开关位置时，对应的接近开关向控制单元24发出限位信号，控制单 元24在接收到限位信号后，向所述第一液压杆11、第二液压杆18、电机14发出控 制指令，停止所述旋转支架9的运动。在本实施例中，所述控制单元24向液压杆发 出的控制命令有两个位，如用00代表液压杆停止，10代表向上，01代表向下，在 其他实施例中，也可根据需要增加控制命令的位数。对电机14发出的控制命令只有 一位，如用0表示停止，用1表示启动。在其他实施例中，也可根据需要增加控制 命令的位数。

所述的控制单元24可采用一个DSP芯片实现。考虑到现有技术中的传感器所发 出的信号多数为模拟信号，作为一个优选实现方式，所述控制单元24除了包括芯片 外，还包括有模数转换单元，用于将传感器所发出的模拟信号转换为数字信号后再 发送到所述芯片。

在另一个实施例中，所述槽式聚光器控制器3除了包括上述的控制单元24、以 太网通讯器25外，还包括有就地控制柜，一个就地控制柜与一台槽式聚光器装置相 配套，每个就地控制柜包括有第一控制钮29与第二控制钮30，分别用于控制槽式聚 光器装置的顺时或逆时的俯仰转动。所述控制24除了接收所述总控模块1所发出的 控制命令外，还可接收来自所述第一控制钮29与第二控制钮30的控制命令，根据 这些控制命令生成具体的控制指令，进而驱动槽式聚光器做出相应运动。

以上是对本发明的槽式聚光器控制系统的描述，下面结合该系统，对定日跟踪 的实现步骤做具体的描述。

步骤101、用户使用总控模块1命令槽式聚光器4进入工作状态，总控模块1向 控制槽式聚光器4的槽式聚光器控制器3发送工作命令；

步骤102、槽式聚光器控制器3中的控制单元24收到工作命令后，根据控制单 元24存储的天文公式，代入槽式聚光器4的地理参数和当前时间参数，计算得到槽 式聚光器4跟踪太阳所需要旋转到的目标角度；

步骤103、控制单元24从倾角传感器10获取槽式聚光器4的当前角度，计算出 槽式聚光器4要旋转的方向和角度大小；

步骤104、控制单元24驱动电机14，控制第一液压杆11和第二液压杆18，使 槽式聚光器4进行旋转，直到槽式聚光器4的当前角度在精度范围内等于目标角度。

本发明的控制系统除了能够对槽式聚光器装置做定日跟踪外，还能够对其做热 工控制，如图5所示，该热工控制过程包括：

步骤201、槽式聚光器控制器3实时采集槽式聚光器装置4的温度传感数据T1 和工作状态数据S1；所述的工作状态数据S1用于指示槽式聚光器装置4是否处于定 日跟踪的工作状态。

步骤202、根据步骤201得到的温度传感数据T1和工作状态数据S1判断槽式 聚光器装置是否处于定日跟踪的工作状态，如果槽式聚光器装置处于定日跟踪工作 状态并且温度高于给定阈值，则处于非正常工作状态，执行下一步，否则，回到步 骤201，继续监控过程。其中，所述阈值可通过实验与实际需要确定。

步骤203、判断槽式聚光器控制器3是否处于自动处理状态，如为自动处理状态， 槽式聚光器控制器3发出控制命令，驱动控制槽式聚光器装置中的部件，使得集热 管偏离聚焦点，以降低装置温度，同时发送报警和处理信息到总控模块1；如为手动 处理状态，则暂停槽式聚光器装置的定日跟踪，向总控模块1报警，等待维护人员 进行手动维护，手动处理状态通常在调试和维修的情况下使用。

步骤204、总控模块1将所接收到的报警和处理信息存储到数据存储模块2中， 以供管理人员日后进行查阅。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。