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塔式太阳能定日镜聚光成像策略研究与控制系统设计

作　者: 姚梦凯
导　师: 黄文君
学　校: 浙江大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 塔式太阳能热发电定日镜聚光策略光斑成像建模控制系统
分类号: TM615
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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引　用: 3次
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内容摘要

太阳能热发电技术是21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,对塔式太阳能定日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。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-24
  1.1 课题研究背景和意义  12
  1.2 太阳能发电的主要形式  12-16
  1.3 太阳能热发电的研究现状  16-21
    1.3.1 槽式太阳能热发电  16-17
    1.3.2 碟式太阳能热发电  17
    1.3.3 塔式太阳能热发电  17-20
    1.3.4 三种太阳能热发电形式的比较  20-21
  1.4 中国的太阳能热发电研究和发展现状  21-22
  1.5 定日镜聚光成像策略及控制系统研究概况  22
  1.6 本研究的主要内容和论文结构  22-24
第二章太阳位置算法与测量方法  24-38
  2.1 太阳与地球的运动规律  24-25
    2.1.1 地球的自转与公转  24
    2.1.2 太阳时  24-25
  2.2 太阳方位的计算  25-31
    2.2.1 太阳赤纬角、时角  25-26
    2.2.2 太阳高度角和方位角  26-27
    2.2.3 日出、日落偏角和时刻  27-31
  2.3 太阳方位测量  31-35
    2.3.1 测量装置概述  31-34
    2.3.2 误差分析  34-35
  2.4 本章小结  35-38
第三章定日镜聚光策略研究与实验分析  38-56
  3.1 引言  38
  3.2 定日镜跟踪方式  38-41
    3.2.1 光电跟踪  38-39
    3.2.2 视日轨迹跟踪  39-41
  3.3 定日镜聚光策略建模  41-47
    3.3.1 旋转矩阵原理  41-43
    3.3.2 定日镜角度定义  43-44
    3.3.3 定日镜聚光原理  44-45
    3.3.4 定日镜聚光模型建立与求解  45-47
  3.4 基于Matlab的模型仿真与实验分析  47-55
    3.4.1 定日镜聚光策略仿真分析  47-52
    3.4.2 聚光策略实验与误差分析  52-55
  3.5 本章小结  55-56
第四章定日镜光斑成像建模仿真  56-68
  4.1 引言  56
  4.2 反射光斑建模  56-59
  4.3 反射光斑仿真与分析  59-64
    4.3.1 不同时间定日镜聚光成像仿真  60-63
    4.3.2 不同位置定日镜聚光成像仿真  63-64
  4.4 反射光斑实验分析  64-65
  4.5 本章小结  65-68
第五章大规模定日镜控制系统总体设计  68-82
  5.1 引言  68
  5.2 控制对象研究  68-69
  5.3 控制系统功能设计  69-70
  5.4 镜场控制方式设计  70-74
    5.4.1 定日镜控制方式  70-71
    5.4.2 定日镜驱动方式  71-72
    5.4.3 集群控制方案  72-74
    5.4.4 控制效果  74
  5.5 通信调度方式研究  74-76
    5.5.1 通信网络  74-75
    5.5.2 精确时间同步  75-76
    5.5.3 分时通信调度  76
  5.6 控制系统软件设计  76-79
    5.6.1 工作状态  76
    5.6.2 软件体系  76-79
  5.7 模块化集成设计  79
  5.8 本章小结  79-82
第六章总结与展望  82-86
  6.1 本文总结  82-83
  6.2 研究展望  83-86
参考文献  86-89
作者简历  89
攻读学位期间发表的论文和完成的工作  89

塔式太阳能定日镜聚光成像策略研究与控制系统设计

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